纳米技术是21世纪的高科技前沿技术。本书紧跟当代纳米技术发展 的最新成就和前沿，结合十余年来国内外有关纳米结构碳及其复合材料的 研究进展和成果，在写作过程中力求所涉应用领域广泛而具有代表性。本 书共分3篇、13章，内容涉及纳米结构碳的基本概念、制备方法、结构、 性质、表征方法；有关碳纳米管增强金属基复合材料的研究与发展、制备 与表征方法等；重点且系统地介绍作者近几年来在原位合成纳米结构碳增 强金属基复合材料的研究方面取得的成果。
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《纳米科学与技术》丛书序
前言
绪论................................................................................................1
第一篇碳纳米相的合成与表征
第1章碳纳米相的结构与性能.........................................................15
1. 1 CNTs .............................................................................. 15
1.1.1 CNTs 的分类...............................................................16
1.1.2 CNTs 的结构...............................................................19
1.1.3 CNTs 的性能...............................................................24
1.2碳洋葱..............................................................................30
1.2.1碳洋葱的结构...............................................................30
1 .2.2碳洋葱的性能...............................................................32
1 .3碳包覆金属纳米颗粒............................................................32
1 .3. 1碳包覆金属纳米颗粒的结构................................................32
1 .3.2碳包覆金属纳米颗粒的性能................................................34
参考文献.................................................................................36
第2章碳纳米相的制备方法............................................................4 1
2. 1碳纳米相的制备方法简介......................................................4 1
2. 1 . 1 电弧放电法..................................................................4 1
2. 1 .2激光烧蚀法..................................................................42
2. 1 .3化学气相沉积法............................................................42
2. 1 .4其他方法.....................................................................43
2.2化学气相沉积法的影响因素...................................................43
2.2. 1催化剂的种类...............................................................43
2.2.2碳源种类.....................................................................44
2.2.3载体作用.....................................................................45
2.2.4 载气作用.....................................................................46
2.3碳纳米相的生长机理............................................................46
2.3. 1 CNTs的生长机理 .........................................................46
2.3.2碳洋葱的生长机理.........................................................47
参考文献.................................................................................48
第3章碳纳米相的表征方法............................................................53
3. 1 电子显微镜与原子力显微镜...................................................53
3.2拉曼光谱...........................................................................55
3.3 XPS与傅里叶红外光谱......................................................58
3.4其他表征手段.....................................................................60
3.4.1 热重分析.....................................................................60
3.4.2 XRD ........................................................................ 60
3.4.3 UV-VIS ..................................................................... 61
3.4.4紫外光电子能谱............................................................61
3.4.5元素分析与能量色散谱仪...................................................61
参考文献.................................................................................62
第二篇金属基体上原位合成碳纳米相的研究
第4章碳纳米相在铝基体上的合成...................................................69
4.1 催化剂..............................................................................69
4.1.1催化剂的制备...............................................................69
4.1.2催化剂的表征...............................................................70
4.2原位合成CNTs的影响因素探讨..........................................72
4.2.1 催化剂类型..................................................................72
4.2.2催化剂含量..................................................................87
4.2.3反应温度.....................................................................90
4.2.4反应时间.....................................................................94
4.2.5反应气比例..................................................................97
4. 2. 6反应载气种类...............................................................97
4. 3原位合成碳洋葱的影响因素探讨..........................................101
4.3.1催化剂的表征............................................................101
4.3.2反应温度..................................................................102
4.3.3反应时间..................................................................104
4.3.4 反应载气种类 ............................................................104
4.4碳包覆金属纳米晶的合成及性能..........................................107
4.4.1碳包覆M纳米颗粒的结构分析..........................................107
4.4.2碳包覆M纳米颗粒的磁性能.............................................107
4.4.3碳包覆M纳米颗粒的摩擦学性能.......................................109
参考文献.................................................................................110
第5章碳纳米相在Cu基体上的合成................................................113
5.1催化剂的选择..................................................................113
5.1.1 Ni/Y/Cu 催化剂.........................................................116
5.1.2 Ni/Ce/Cu 催化剂.........................................................117
5.2催化剂的热稳定性............................................................120
5.2.1 Ni/Y/Cu 催化剂.........................................................120
5.2.2 Ni/Ce/Cu 催化剂.........................................................122
5.3制备工艺对Cu载体催化剂活性的影响.................................124
5.3.1溶液浓度对催化剂活性和产物形貌的影响..............................124
5.3.2煅烧温度对催化剂活性和产物形貌的影响..............................12 5
5 .3.3还原温度对催化剂活性和产物的影响....................................128
5 . 4反应合成工艺对Ni/Y/Cu催化剂活性和产物形貌的影响............130
5 .4.1反应气比例对产物产率和形貌的影响....................................130
5 .4.2反应温度对产物产率和形貌结构的影响.................................131
5 . 5反应合成工艺对Ni/Ce/Cu催化剂活性和产物形貌的影响.........13 5
5 . 6稳定剂含量对催化剂热稳定性及催化性能的影响.....................141
参考文献.................................................................................146
第6章碳纳米相在其他金属基体上的合成初探....................................147
6. 1 Ti 基体...........................................................................147
6.1.1合成温度的影响 .........................................................147
6.1.2催化剂M含量的影响...................................................1 5 1
6.1.3催化剂前驱体还原温度的影响..........................................153
6.1.4反应气与载气比例对最终产物的影响....................................155
6.1.5载气类别对反应产物的影响及其与温度的关系........................158
6. 2 Mg 基体........................................................................160
6.3 Ag 基体........................................................................163
参考文献.................................................................................166
第7章碳纳米相在金属基体上的生长机理探讨....................................168
7.1 A1基体上原位合成碳纳米相的机理.......................................169
7.2 Cu基体上原位合成碳纳米相的机理.......................................175
参考文献.................................................................................180
第三篇CNTs原位增强金属基复合材科
第8章CNTs增强金属基复合材料的研究现状....................................185
8. 1 CNTs增强金属基复合材料的制备方法.................................1 85
8. 1 . 1粉末冶金法...............................................................1 85
8. 1 .2熔体浸渍法...............................................................1 87
8. 1 .3搅拌铸造法...............................................................1 87
8. 1 .4 原位合成法...............................................................1 88
8. 1 .5喷射沉积法...............................................................1 89
8. 1 .6电化学沉积法............................................................1 90
8.2 CNTs与金属的界面结构...................................................1 90
8.2. 1界面在复合材料中的作用................................................1 90
8.2.2复合材料界面结构类型...................................................1 9 1
8.2.3 CNTs与金属的界面......................................................1 92
8.3 CNTs增强金属基复合材料的性能.......................................1 94
8.3. 1 CNTs/A1复合材料的性能................................................1 94
8.3.2 CNTs/Cu复合材料的性能................................................1 95
8.3.3其他金属基体的复合材料性能..........................................1 96
8.4 CNTs增强金属基复合材料的强化机理.................................1 96
8.4. 1混合定律..................................................................1 97
8.4.2细晶强化机制............................................................1 98
8.4.3位错强化机制............................................................1 98
8.4.4弥散强化机制............................................................1 99
8.4.5载荷强化机制............................................................1 99
参考文献.................................................................................200
第9章原位合成CNTs/A1复合材料的结构与性能..............................205
9. 1 CNTs/Al复合材料的结构与性能..........................................205
9. 1 . 1 CNTs/Al复合材料中CNTs的稳定性 .................................206
9.1.2 CNTs/Al复合材料的致密度.............................................207
9.1.3 CNTs/Al复合材料的压缩性能..........................................209
9.1.4 CNTs/Al复合材料的耐蚀性.............................................211
9.2原位合成-短时球磨-粉末冶金法制备CNTs/Al复合材料.........214
9.2.1球磨转速和过程控制剂的选择..........................................215
9.2.2球磨时间对CNTs/Al复合材料组织和力学性能影响..................218
9.2.3 CNTs含量对CNTs/Al复合材料组织和力学性能影响 ...............223
9.2.4 CNTs/Al复合材料的热膨胀系数.......................................229
参考文献.................................................................................232
第10章原位合成CNTs(CNFs)/CU复合材料的结构与性能..................234
10.1 CNTs(CNFs)/Cu复合粉末的制备与表征..............................235
10.1.1低含量催化剂在Cu基体上的分布 ....................................236
10.1.2反应时间对产物产率的影响.............................................236
10.1.3低含量催化剂制备CNF (M/Y)/Cu原位复合粉末的表征............237
10.1.4共沉积混合后复合粉末的结构表征....................................238
10. 2热处理对原位复合粉末及复合材料性能的影响........................241
10. 3还原温度对复合粉末形貌及复合材料性能的影响.....................247
10.4粉末冶金制备工艺对复合材料性能的影响..............................250
10.5 CNFs(Ni/Y)/Cu复合材料的微观组织形貌...........................253
10.5.1 CNFs(M/Y)/Cu复合材料的微观组织分析...........................253
10.5.2 CNFs(Ni/Y)/Cu复合材料压缩断口形貌分析........................256
10.5.3 CNFs(Ni/Y)/Cu复合材料的弯曲断口形貌分析.....................258
10.6 CNFs(Ni/Y)/Cu复合材料的物理力学性能...........................259
10.6.1 CNFs含量对复合材料密度和电导率的影响...........................259
10.6.2 CNFs含量对复合材料硬度和屈服强度的影响........................259
10.6.3 CNFs(M/Y)/Cu复合材料的热膨胀行为..............................260
参考文献.................................................................................263
第11章原位合成CNTs增强其余金属基体复合材料的结构与性能.........265
11. 1 CNTs/Ti复合材料的结构与性能.......................................265
11.1.1 CNTs/Ti复合材料的制备工艺..........................................265
11.1.2 CNTs/Ti复合材料的微观组织结构....................................266
11.1.3 CNTs/Ti复合材料的力学性能研究....................................272
11.1.4 CNTs/Ti复合材料的摩擦磨损性能研究..............................275
11.1.5 CNTs/Ti复合材料强化机制探讨.......................................279
11. 2 CNTs/Mg复合材料的结构与性能.......................................281
11.2.1 CNTs/Mg复合材料的制备工艺.......................................281
11.2.2 CNTs含量对复合材料性能的影响....................................284
11.2.3 CNTs/Mg复合材料的物理性能.......................................287
11.2.4 CNTs/Mg复合材料的成分与界面研究.................................289
参考文献.................................................................................292
第12章原位增强碳/金属基复合材料的强化机理.................................293
12. 1 CNTs/金属基体界面结合的机理研究.................................293
12.1.1缺陷对CNTs上金属原子吸附的影响.................................294
12.1.2缺陷对金属表面与CNTs间相互作用的影响...........................296
12. 2 CNTs原位增强金属基复合材料界面的实验分析.....................298
12.2.1反应型界面增强(CNTs/Al) ............................................. 298
12.2.2非反应型界面增强(CNTs/Cu) .......................................... 302
参考文献.................................................................................302
第13章应用和展望.....................................................................304
13. 1化学原位合成方法在制备金属基复合材料中的优势..................304
13.2原位合成CNTs在不同基体中的特点.................................305
13.2.1 A1 基体..................................................................305
13.2.2 Cu 基体..................................................................305
13.2.3其他金属基体............................................................306
13.3存在的问题与解决途径......................................................307
13. 4 CNTs作为金属基复合材料增强体的发展前景........................308
索引.............................................................................................309
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