CN109518305A - 一种金刚石与碳纳米管纤维复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种金刚石与碳纳米管纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)取一定质量的金刚石及一定质量的溶剂，通过超声分散的方式使金刚石均匀分散形成金刚石溶液；(2)以碳纳米管纤维为正极，不锈钢板为负极，通过电泳共沉积方法将金刚石均匀的粘附在碳纳米管纤维的表面；(3)将均匀粘附金刚石颗粒的碳纳米管纤维放置于高频感应炉中，接通电流，进行金刚石与碳纳米管纤维的固化烧结，得到金刚石碳纳米管纤维复合材料。应用本技术方案使所得复合材料既具有金刚石的高硬度又具有碳纳米管纤维的高强度和高韧性。

Description

一种金刚石与碳纳米管纤维复合材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种金刚石与碳纳米管纤维复合材料的制备方法。
背景技术
传统的金刚石与普通纤维的结合主要通过粘结剂来实现，所制得的纤维丝金刚石工具，可用于金属、合金、陶瓷、半导体器件等的加工。但该工具纤维丝表面金刚石分散性差，易团聚，把持力不足，且普通纤维韧性差、易断裂，导致最终工具使用过程寿命短、加工效果差。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种金刚石与碳纳米管纤维复合材料的制备方法，使所得复合材料既具有金刚石的高硬度又具有碳纳米管纤维的高强度和高韧性。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种金刚石与碳纳米管纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)取一定质量的金刚石及一定质量的溶剂，通过超声分散的方式使金刚石均匀分散形成金刚石溶液；
(2)以碳纳米管纤维为正极，不锈钢板为负极，通过电泳共沉积方法将金刚石均匀的粘附在碳纳米管纤维的表面；
(3)将均匀粘附金刚石颗粒的碳纳米管纤维放置于高频感应炉中，接通电流，进行金刚石与碳纳米管纤维的固化烧结，得到金刚石碳纳米管纤维复合材料。
在一较佳的实施例中：所述金刚石的粒度在0.5μm至10μm之间，碳纳米管纤维的直径在100μm至200μm之间，碳纳米管纤维的长度在0.5cm至10cm之间。
在一较佳的实施例中：所述溶剂包括水及酒精。
在一较佳的实施例中：所述的金刚石溶液浓度在0.0005wt.％至0.01wt.％之间。
在一较佳的实施例中：所述电泳共沉积方法使用的电压为2V至30V，沉积时间为20s-300s。
在一较佳的实施例中：所述的金刚石与碳纳米管纤维固结烧化过程具体在氩气的保护气体下，将粘附有金刚石的碳纳米管纤维放入石英管中，高频感应电流设置为60A，感应时间为40s至70s，得到金刚石碳纳米管纤维复合材料。
相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：
1.碳纳米管纤维作为一种新型的纤维材料，具有传统纤维不具备的独特组装结构特性，其丰富的界面结构使其具有诸多功能特性，在能源、电子、工具器件等领域具有巨大潜力。金刚石硬度高、熔点高且化学性质稳定，将金刚石以电泳共沉积的方式在碳纳米管纤维表面均匀粘附；通过固化烧结的方式实现碳纳米管由SP2的杂化方式向金刚石SP3杂化方式的转化，来达到以化学键固结金刚石磨粒的目的。所得复合材料既具有金刚石的高硬度又具有碳纳米管纤维的高强度和高韧性。
2.本发明主要是采用电泳共沉积的方式通过电荷定向移动以及金刚石电荷间的排斥作用将不同粒度的金刚石均匀的粘附于碳纳米纤维表面，该过程节约原料，安全快速；通过高频感应烧结的方式，在较短的时间实现碳纳米管和金刚石的结合，该过程金刚石石墨化程度低，两者结合牢固，并且碳纳米管纤维有序化程度升高，抗拉强度增强。
3.本发明有效地解决了传统纤维丝复合金刚石材料韧性差、易断裂，表面金刚石分散性差，易团聚，把持力不足等问题。通过该方法，可将不同尺寸的金刚石均匀的固结于碳纳米纤维表面，其工艺简单，过程可控，且磨粒把持力大，耐磨性好，性能稳定。碳纳米管纤维复合金刚石作为一种高性能的复合材料，力学和电化学性能都得到明显增强，在制备超细磨料工具、电极材料等领域有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明优选实施例中电泳共沉积实验设备装置图；
图2为本发明优选实施例中制备的金刚石与碳纳米管纤维固化结合后的拉曼图；
图3为本发明优选实施例中制备的金刚石与碳纳米管纤维不同感应时间下固化结合后的拉伸强度图。
具体实施方式
下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
实施例1
一种金刚石与碳纳米管纤维复合材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)取一定质量的金刚石及一定质量的溶剂，通过超声分散的方式使金刚石均匀分散形成金刚石溶液2；具体来说，所述金刚石的粒度在0.5μm至10μm之间，碳纳米管纤维的直径在100μm至200μm之间，碳纳米管纤维的长度在0.5cm至10cm之间。所述溶剂包括水及酒精。制得的金刚石溶液2的浓度在0.0005wt.％至0.01wt.％之间。
(2)以碳纳米管纤维为正极，不锈钢板为负极，通过电泳共沉积方法将金刚石均匀的粘附在碳纳米管纤维的表面；具体来说，所述电泳共沉积方法使用的电压为2V至30V，沉积时间为20s-300s。
(3)将均匀粘附金刚石颗粒的碳纳米管纤维放置于高频感应炉中，接通电流，进行金刚石与碳纳米管纤维的固化烧结，得到金刚石碳纳米管纤维复合材料。
具体来说，所述的金刚石与碳纳米管纤维固结烧化过程具体在氩气的保护气体下，将粘附有金刚石的碳纳米管纤维放入石英管中，高频感应电流设置为60A，感应时间为40s至70s，得到金刚石碳纳米管纤维复合材料。
以下为本发明提供的制备方法的更加详细说明：
取粒径为1μm的金刚石粉和直径为150μm的碳纳米管纤维2cm。利用电子天平称取金刚石粉，加入到100ml蒸馏水中，配制成浓度为0.0005wt.％的金刚石溶液2，将金刚石溶液2超声分散10min。按照图1所示的电泳共沉积实验设备装置图，具体来说，以碳纳米管纤维为正极、304不锈钢为负极，形成正负电极1，所述电极连接万用表4及直流电源5；所述金刚石溶液2下方放置有一磁力搅拌器3，直流电压为5V，时间为30s，通过电泳共沉积方法，使金刚石均匀的粘附于碳纳米管纤维表面。使碳纳米管纤维的表面粘附有较多金刚石颗粒，且颗粒分散均匀；取出粘有金刚石的碳纳米管纤维，干燥后放入高频感应炉中，氩气保护气体下，接通60A电流，时间为50s，得到金刚石碳纳米管纤维复合材料。由图2得知，金刚石的特征峰在1331cm-1处，没有出现明显的石墨化；碳纳米管纤维的特征峰出现在1350cm-1及1581cm-1处，D峰和G峰强度的变化不是特别明显；碳纳米管纤维和金刚石界面处的峰表现的是两物质峰叠加的情况，1331cm-1处的峰是金刚石的特征峰，1345cm-1和1580cm-1处是纤维的峰，可以发现D峰强度下降很多，IG/ID的值有明显增长，金刚石和碳纳米管纤维界面处发生了化学键合。由图3可见，高频感应炉高温短时热处理不仅可以使碳管纤维和金刚石发生结合，热处理使得碳的有序化程度提高，碳管内部的缺陷减少，碳管与碳管之间的结合更加紧密，达到了增强碳纳米管纤维强度的效果。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于各个参数不同，具体如下所述：
取粒径为3μm的金刚石粉和直径为100μm的碳纳米管纤维4cm。利用电子天平称取金刚石粉，加入到100ml酒精溶液中，配制成浓度为0.001wt.％的金刚石溶液2，将金刚石溶液2中超声分散10min。以碳纳米管纤维为正极、304不锈钢为负极，直流电压为10V，时间为20s，通过电泳共沉积方法，使金刚石均匀的粘附于碳纳米管纤维表面。取出粘有金刚石的碳纳米管纤维，干燥后放入高频感应烧结炉中，在氩气保护气体下，接通60A电流，时间为50s，得到金刚石碳纳米管纤维复合材料。
本发明有效地解决了传统纤维丝复合金刚石材料韧性差、易断裂，表面金刚石分散性差，易团聚，把持力不足等问题。通过该方法，可将不同尺寸的金刚石均匀的固结于碳纳米纤维表面，其工艺简单，过程可控，且磨粒把持力大，耐磨性好，性能稳定。碳纳米管纤维复合金刚石作为一种高性能的复合材料，力学和电化学性能都得到明显增强，在制备超细磨料工具、电极材料等领域有良好的应用前景。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (6)

1.一种金刚石与碳纳米管纤维复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)取一定质量的金刚石及一定质量的溶剂，通过超声分散的方式使金刚石均匀分散形成金刚石溶液；
(2)以碳纳米管纤维为正极，不锈钢板为负极，通过电泳共沉积方法将金刚石均匀的粘附在碳纳米管纤维的表面；
(3)将均匀粘附金刚石颗粒的碳纳米管纤维放置于高频感应炉中，接通电流，进行金刚石与碳纳米管纤维的固化烧结，得到金刚石碳纳米管纤维复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种金刚石与碳纳米管纤维复合材料的制备方法，其特征在于：所述金刚石的粒度在0.5μm至10μm之间，碳纳米管纤维的直径在100μm至200μm之间，碳纳米管纤维的长度在0.5cm至10cm之间。
3.根据权利要求1所述的一种金刚石与碳纳米管纤维复合材料的制备方法，其特征在于：所述溶剂包括水及酒精。
4.根据权利要求1所述的一种金刚石与碳纳米管纤维复合材料的制备方法，其特征在于：所述的金刚石溶液浓度在0.0005wt.％至0.01wt.％之间。
5.根据权利要求1所述的一种金刚石与碳纳米管纤维复合材料的制备方法，其特征在于：所述电泳共沉积方法使用的电压为2V至30V，沉积时间为20s-300s。
6.根据权利要求1所述的一种金刚石与碳纳米管纤维复合材料的制备方法，其特征在于：所述的金刚石与碳纳米管纤维固结烧化过程具体在氩气的保护气体下，将粘附有金刚石的碳纳米管纤维放入石英管中，高频感应电流设置为60A，感应时间为40s至70s，得到金刚石碳纳米管纤维复合材料。
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