CN105198447A - 一种氧化铝-碳纳米管复合粉体材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种氧化铝-碳纳米管复合粉体材料的制备方法，通过化学气相沉积法，以金属有机前驱体为原料，在400～800℃温度条件下，以氧化铝粉体表面形成的金属纳米粒子作为催化剂，同时通入甲烷、乙炔等含碳气体，原位同时生长碳纳米管，获得氧化铝-金属纳米粒子-碳纳米管复合粉体材料。通过改变有机原料重量、反应气体流量或成分、反应温度等多个参数调整有机原料的分解以及金属纳米粒子和碳纳米管的生成，控制粉体尺寸和微观结构。该方法具有方法简单、制备周期短等特点，制备出的氧化铝-金属纳米粒子-碳纳米管分散均匀，作为导电陶瓷、催化材料等在多个领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种在氧化铝陶瓷粉体生成碳纳米管的方法，属于材料加工工程领域。
背景技术
氧化铝、氧化锆等氧化物陶瓷是目前使用非常广泛的陶瓷材料，具有耐腐蚀、抗氧化、比表面积大等特点，可用作吸收剂、催化剂载体、复合材料增强物、高速切削刀具、医用材料和抗磨部件等。碳纳米管具有比表面积大、超高模量、高强度、导电性好等诸多优点，在高性能复合材料、医用材料、电子场发射器件等多个领域具有广阔的应用前景，也可以用于氧化铝的增强体，提高其电导率、催化活性等性质。但由于碳纳米管具有一维纳米结构特点，长径比大，同时由于碳纳米管之间较大的范德华引力以及巨大的比表面积，因此容易以纠缠团聚体状态存在。要发挥碳纳米管优异性能，如何在氧化铝粉体中制备及分散碳纳米管成为关键因素。
目前，碳纳米管的制备方法较多，包括催化裂解法、化学气相沉积法、模板法等。制备氧化铝和碳纳米管复合粉体时，一般是先将催化剂金属纳米粒子与氧化铝等混合，然后再通入甲烷、乙炔等含碳气体，通过热分解形成碳纳米管。Lee等人通过化学气相沉积方法在碳纳米管内部填充氧化铝以及氧化铝表面覆盖碳纳米管，制备了氧化铝纳米线和碳纳米管[LeeJetal.JournalofCrystalGrowth，2003，254(4)：443-448]。也有研究者将碳纳米管制备或者购置后，直接与氧化铝分散混合获得复合粉体。例如，Ahma等人购置获得商用碳纳米管，然后将多壁碳纳米管采用H2SO4-HNO3混合酸溶液进行化学改性，进而加入表面活性剂，同时加入γ-Al2O3进行超声分散，然后干燥备用。(Ahmaetal.，MaterialsCharacterization，2015，99：210-219)。武玺旺等人公开的专利中(中国发明专利公开号：CN103979942A)，将碳纳米管、氧化铝粉加入熔融的热塑性高分子熔体中搅拌混合；将混合料加入双螺杆挤出机或单螺杆挤出机中挤出分散至稳定；将挤出料高温脱脂，去除高分子材料得到碳纳米管-氧化铝复合粉体。原位生成法具有制备简便、成本低等优点，引起了广泛关注。张幸红等人发明了一种原位合成碳纳米管改性超高温陶瓷杂化粉体的方法(中国发明专利授权公告号：CN104016685B)，首先将催化剂充分分散在有机聚合物先驱体中得到混合粉体；其次将得到的混合粉体放在方形上部敞口的模具中，在管式炉中加热裂解，直至达到有机聚合物先驱体完全陶瓷化温度1450℃～1550℃，保温时间为0.5h～2h；然后自然降温到20℃～25℃，即得到碳纳米管改性超高温陶瓷杂化粉体。但仍然存在步骤复杂、处理温度高等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氧化铝-碳纳米管复合粉体材料的制备方法，为一种在氧化铝陶瓷粉体表面负载碳纳米管的方法，通过金属有机前驱体的分解在氧化铝粉体表面生成镍、铁、钴等金属纳米粒子催化剂，藉此将金属有机前驱体存在的碳以及甲烷等气体中存在的碳分解催化生成碳纳米管，通过改变有机原料供应量、旋转速率、反应温度等多个因素来控制碳纳米管的长度、直径和微观形貌，由于减少了先行制备碳纳米管的步骤而缩短制备周期并降低成本，提高碳纳米管分散的均匀性和有效性。
为实现上述技术目的，本发明提出的氧化铝-碳纳米管复合粉体材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将氧化铝粉体进行干燥和过筛预处理，然后将处理好的氧化铝粉体放置于化学气相沉积反应室内，抽真空至5～20Pa，预热至反应温度；
(2)旋转化学气相沉积反应室，转速15～60rpm；
(3)将金属有机前驱体作为原料，在蒸发器中加热至100～200℃，得到原料混合气体，金属有机前驱体与氧化铝粉体的质量比为1～3∶5；
(4)打开蒸发器阀门，将原料混合气体引入化学气相沉积反应室内，同时引入氩气，使金属有机前驱体分解，从而将金属纳米粒子沉积到氧化铝粉体上；
(5)在步骤(4)进行的同时，向旋转的化学气相沉积反应室内通入含碳气体以提供额外碳源，借助金属纳米粒子的催化作用以及含碳气体的分解生成碳纳米管，所述的碳纳米管分散于氧化铝和金属纳米粒子表面，得到包覆后的粉末；
(6)反应结束后，停止化学气相沉积反应室的旋转，关闭蒸发器的阀门，冷却至室温，取出包覆后的粉末；
(7)将步骤(6)得到的粉末进行过筛处理。
具体地，步骤(1)中，预热至温度为400～800℃。
优选地，步骤(1)中，所述的氧化铝粉体的平均粒径为0.1～100μm，纯度大于95％。
步骤(3)中，所述的金属有机前驱体为金属有机化合物，如异辛酸镍、二茂镍、二茂铁、醋酸铁中的任意一种。
优选地，步骤(5)中，所述的含碳气体为甲烷或乙炔中的任意一种或两种的混合物。
优选地，步骤(1)和步骤(6)中，所述的粉体均过50～200目过筛3～4次。
步骤(4)中，氩气气体流量为50～100sccm。
步骤(5)中含碳气体的气体流量为10～100sccm
本发明的有益效果：本发明提供了一种氧化铝-碳纳米管粉体材料的制备方法，使用旋转化学气相沉积技术，使金属催化纳米颗粒直接沉积在Al2O3支撑体上，同时金属有机前驱体分解的含碳链以及甲烷等含碳气体的分解可以生成碳纳米管。通过改变有机原料和甲烷反应的实验参数，来控制获得的复合材料的颗粒尺寸和微观形貌，使碳纳米管和金属粒子在氧化铝支撑体上分散均匀，使材料的利用率、产品的可靠性得到大大提高，制备周期短、且制备方法中没有使用溶液，避免了废液的处理问题，环境友好，生产成本显著降低，从而具有良好的产业前景。
附图说明
图1为实施例1所述实验参数下获得的氧化铝-碳纳米管粉体复合材料的透射电镜图；
图2为实施例1所述实验参数下获得的氧化铝-碳纳米管粉体复合材料的X射线衍射图谱。
具体实施方式
以下为本发明的优选实施方式，仅用于解释本发明，而非用于限制本发明，且由该说明所作出的改进都属于本发明所附权利要求所保护的范围。
实施例1
本实施例提供了一种氧化铝-碳纳米管粉体复合材料的制备方法，制备步骤如下：
(1)将氧化铝粉体(粉体平均直径：10μm，纯度大于95％)进行干燥，过200目筛3次，以打破粉体在长时间放置产生的硬团聚，然后将处理好的氧化铝粉体5g放置于化学气相沉积反应室内，抽真空至5Pa，预热至600℃；
(2)旋转化学气相沉积反应室，转速15rpm；
(3)将1g金属有机前驱体二茂镍(Ni(C5H5)2)作为原料，在蒸发器中加热至150℃，得到原料混合气体；
(4)打开蒸发器阀门，将步骤(3)所述的原料混合气体引入化学气相沉积反应室内，同时引入氩气气体，氩气气体流量为100sccm，使金属有机前驱体分解，金属纳米粒子沉积到氧化铝粉体上，沉积时间为2小时；
(5)在步骤(4)进行的同时，向旋转的化学沉积反应室内通入甲烷气体，甲烷气体流量为30sccm，借助金属纳米粒子的催化作用以及甲烷等气体的分解生成碳纳米管，分散于氧化铝和金属纳米粒子表面；
(6)反应结束后，停止化学气相沉积反应室的旋转，关闭蒸发器阀门，冷却至室温，取出包覆后的粉末；
(7)将步骤(6)得到的粉末进行过筛处理。
将取出的氧化铝-碳纳米管复合粉体材料进行分析观察。
结果如图1和图2所示。图1表明，直径约50nm，长度约1～2μm的碳纳米管在Ni纳米粒子的催化作用下，垂直生长于Al2O3粉体表面。而图2检测出了生成的Ni纳米粒子的特征峰，由于碳纳米管为非晶态，因此没有碳的X射线特征峰出现。
实施例2
本实施例提供了一种氧化铝-碳纳米管粉体复合材料的制备方法，制备步骤如下：
(1)将氧化铝粉体(粉体平均直径：0.1μm，纯度大于95％)进行干燥，过200目筛3次，以打破粉体在长时间放置产生的硬团聚，然后将处理好的氧化铝粉体5g放置于化学气相沉积反应室内，抽真空至5Pa，预热至400℃；
(2)旋转化学气相沉积反应室，转速30rpm；
(3)将2g金属有机前驱体醋酸镍(Ni(CH3COO)2)作为原料，在蒸发器中加热至100℃；
(4)打开蒸发器阀门，将原料混合气体引入化学气相沉积反应室内，同时引入氩气气体流量为100sccm，使金属有机前驱体分解，金属纳米粒子沉积到氧化铝粉体上，沉积时间为1小时；
(5)在步骤(4)进行的同时，向旋转的化学气相沉积反应室内通入甲烷气体，甲烷气体流量为10sccm，借助金属纳米粒子的催化作用以及甲烷等气体的分解生成碳纳米管，分散于氧化铝和金属纳米粒子表面。
(6)反应结束后，停止化学气相沉积反应室的旋转，关闭蒸发器阀门，冷却至室温，取出包覆后的粉末；
(7)将步骤(6)得到的粉末进行过200目筛3次处理，得到氧化铝-碳纳米管复合粉体材料。
实施例3
本实施例提供了一种氧化铝-碳纳米管粉体复合材料的制备方法，制备步骤如下：
(1)将氧化铝粉体(粉体直径：100μm)进行干燥，过200目筛3次，以打破粉体在长时间放置产生的硬团聚，然后将处理好的氧化铝粉体5g放置于化学气相沉积反应室内，抽真空至20Pa，预热至800℃；
(2)将旋转反应器开始旋转，转速60rpm；
(3)将1.7g金属有机前驱体二茂铁(Fe(C5H5)2)作为原料，在蒸发器中加热至200℃；
(4)打开蒸发器阀门，将原料混合气体引入化学气相沉积反应室内，同时引入氩气气体流量为100sccm，使金属有机前驱体分解，金属纳米粒子沉积到氧化铝粉体上，沉积时间为3小时；
(5)在步骤(4)进行的同时，向旋转反应器内通入甲烷气体，甲烷气体流量为100sccm，借助金属纳米粒子的催化作用以及甲烷等气体的分解生成碳纳米管，分散于氧化铝和金属纳米粒子表面。
(6)反应结束后，反应室停止旋转，关闭阀门，冷却至室温，取出包覆后的粉末；
(7)将步骤(6)得到的粉体进行过筛处理，得到氧化铝-碳纳米管复合粉体材料。
实施例4
本实施例提供了一种氧化铝-碳纳米管粉体复合材料的制备方法，制备步骤如下：
(1)将氧化铝粉体(粉体直径：1μm)进行干燥，过200目筛3次，以打破粉体在长时间放置产生的硬团聚，然后将处理好的氧化铝粉体5g放置于化学气相沉积反应室内，抽真空至20Pa，预热至700℃；
(2)将旋转反应器开始旋转，转速60rpm；
(3)将金属有机前驱体醋酸铁(Fe(CH3COO)2)作为原料，在蒸发器中加热至180℃；
(4)打开蒸发器阀门，将原料混合气体引入化学气相沉积反应室内，同时引入氩气气体流量为100sccm，使金属有机前驱体分解，金属纳米粒子沉积到氧化铝粉体上，沉积时间为2小时；
(5)在步骤(4)进行的同时，向旋转反应器内通入甲烷气体，甲烷气体流量为100sccm，借助金属纳米粒子的催化作用以及甲烷等气体的分解生成碳纳米管，分散于氧化铝和金属纳米粒子表面。
(6)反应结束后，反应室停止旋转，关闭阀门，冷却至室温，取出包覆后的粉末；
(7)将步骤(6)得到的粉体进行过筛处理，得到氧化铝-碳纳米管复合粉体材料。
本发明通过金属有机前驱体的分解在氧化铝粉体表面生成镍、铁、钴等金属纳米粒子催化剂，藉此将金属有机前驱体存在的碳以及甲烷等气体中存在的碳分解催化生成碳纳米管，通过改变有机原料供应量、旋转速率、反应温度等多个因素来控制碳纳米管的长度、直径和微观形貌，由于减少了先行制备碳纳米管的步骤而缩短制备周期并降低成本，提高碳纳米管分散的均匀性和有效性。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种氧化铝-碳纳米管复合粉体材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将氧化铝粉体进行干燥和过筛预处理，然后将处理好的氧化铝粉体放置于化学气相沉积反应室内，抽真空至5～20Pa，预热至反应温度；
(2)旋转化学气相沉积反应室，转速15～60rpm；
(3)将金属有机前驱体作为原料，在蒸发器中加热至100～200℃，得到原料混合气体，金属有机前驱体与氧化铝粉体的质量比为1～3∶5；
(4)打开蒸发器阀门，将原料混合气体引入化学气相沉积反应室内，同时引入氩气，使金属有机前驱体分解，从而将金属纳米粒子沉积到氧化铝粉体上；
(5)在步骤(4)进行的同时，向旋转的化学气相沉积反应室内通入含碳气体以提供额外碳源，借助金属纳米粒子的催化作用以及含碳气体的分解生成碳纳米管，所述的碳纳米管分散于氧化铝和金属纳米粒子表面，得到包覆后的粉末；
(6)反应结束后，停止化学气相沉积反应室的旋转，关闭蒸发器的阀门，冷却至室温，取出包覆后的粉末；
(7)将步骤(6)得到的粉末进行过筛处理。
2.根据权利要求1所述的氧化铝-碳纳米管复合粉体材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，预热至温度为400～800℃。
3.根据权利要求1所述的氧化铝-碳纳米管复合粉体材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的氧化铝粉体的平均粒径为0.1～100μm，纯度大于95％。
4.根据权利要求1所述的氧化铝-碳纳米管复合粉体材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的金属有机前驱体为异辛酸镍、二茂镍、二茂铁、醋酸铁中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的氧化铝-碳纳米管复合粉体材料的制备方法，其特征在于，步骤(5)中，所述的含碳气体为甲烷或乙炔中的任意一种或两种的混合物。
6.根据权利要求1所述的氧化铝-碳纳米管复合粉体材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(6)中，所述的粉体均过50～200目筛3～4次。
7.根据权利要求1所述的氧化铝-碳纳米管复合粉体材料的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，氩气气体流量为50～100sccm。
8.根据权利要求1所述的氧化铝-碳纳米管复合粉体材料的制备方法，其特征在于，步骤(5)中含碳气体的气体流量为10～100sccm。
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