CN110509199A - 一种制备长线金刚石与碳纳米管纤维复合材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制备长线金刚石与碳纳米管纤维复合材料的方法，首先配置一定浓度的金刚石溶液，超声分散使其分散均匀，然后利用慢走丝‑电泳共沉积装置，将金刚石沉积在碳纳米管纤维表面，最后将粘附金刚石的碳纳米管纤维以慢走丝方式通过管式炉进行固化烧结，得到长线金刚石与碳纳米管纤维复合材料。本发明可选用不同粒度的金刚石与不同粗细的碳纳米管纤维，通过慢走丝装置实现金刚石与长线碳纳米管纤维复合，该方法制造工艺简单、过程可控，金刚石和碳纳米管纤维以碳碳键结合，具有较高的力学性能、导电性能及反应活性，在制备超细磨料工具、切磨抛工具及电极材料等领域有良好的应用前景。

Description

一种制备长线金刚石与碳纳米管纤维复合材料的方法
技术领域
本发明涉及一种制备长线金刚石与碳纳米管纤维复合材料的方法。
背景技术
碳纳米管纤维是一种性能优异纤维材料，具有传统纤维不具备的机械特性、物理化学特性、热传导性能、电传导性能等，在能源、电子、工具器件等领域具有巨大潜力。金刚石硬度高、熔点高且耐磨性出色，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。
传统金刚石与普通纤维丝主要通过粘结剂实现，其复合材料韧性差、易断裂，表面金刚石分散性差，加工效果差；而目前文献中的金刚石与碳纳米管纤维复合大多数为短线复合，主要用于电极制作，其应用范围窄，只适合于基础实验室研究。
发明内容
本发明所要解决的主要技术问题是提供一种制备长线金刚石与碳纳米管纤维复合材料的方法，制造工艺简单、过程可控，金刚石和碳纳米管纤维以碳碳键结合，具有较高的力学性能、导电性能及反应活性，在制备超细磨料工具、切磨抛工具及电极材料等领域有良好的应用前景。
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种制备长线金刚石与碳纳米管纤维复合材料的方法，包括如下具体步骤：
(1)金刚石溶液的配置：取一定质量的金刚石配置一定浓度的金刚石溶液，通过超声分散的方式使其分散均匀；
(2)金刚石与长线碳纳米管纤维的粘附：以长线碳纳米管纤维为正极，不锈钢板为负极，利用慢走丝-电泳共沉积装置，将金刚石均匀连续的粘附在碳纳米管纤维表面；
(3)金刚石与长线碳纳米管纤维的固化：将均匀粘附金刚石颗粒的碳纳米管纤维通过慢走丝方式穿过管式炉，接通电流，进行金刚石与碳纳米管纤维的固化烧结，得到长线金刚石与碳纳米管纤维复合材料。
在一较佳实施例中：所述金刚石的粒度在1nm-5μm之间，碳纳米管纤维直径 40μm-200μm，长度20cm-1km。
在一较佳实施例中：所述金刚石溶液的溶剂为水、酒精。
在一较佳实施例中：所述金刚石溶液的浓度为0.0001wt.％-0.01wt.％。
在一较佳实施例中：所述长线碳纳米管纤维的沉积速度为1cm/min-15cm/min。
在一较佳实施例中：所述电泳共沉积方法的电压为2V-30V，沉积时间为： 20s-300s。
在一较佳实施例中：所述固化烧结过程中以氩气为保护气体。
在一较佳实施例中：所述慢走丝-电泳共沉积的方法采用慢走丝-电泳共沉积装置，该装置是将长线碳纳米管纤维缠绕在一滚轮，中间经过金刚石溶液，接通电极后实现金刚石在碳纳米管纤维表面粘附，粘附金刚石的碳纳米管纤维连在另一滚轮，通过步进电机带动滚轮转动，单轴控制器来设置不同转速实现自动化的效果。
在一较佳实施例中：所述慢走丝方式的走丝速度为4cm/min-8cm/min，管式炉的温度设置为1100-1600℃，烧结时间为5min-60min
金刚石溶液的配置：取一定质量的金刚石配置一定浓度的金刚石溶液，超声分散10分钟使其分散均匀。
本相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：
1.本发明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持续的粘附于碳纳米纤维表面，该过程节约原料，安全快速；通过管式炉烧结的方式，通以氩气为保护气体，在较短的时间实现金刚石与碳纳米管纤维的结合，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。
2.本发明采用慢走丝-电泳共沉积装置实现金刚石与长线碳纳米管纤维复合，该装置简单小巧，可以设定程序来实现自动走丝效果，通过设定走丝速度，来实现对电泳共沉积时间及烧结时间的调控。长线的金刚石与碳纳米纤维复合材料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、切磨抛工具及电极材料等领域有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明中慢走丝-电泳共沉积装置的立体图；
图2a和图2b为本发明中粘附有不同粒度金刚石的碳纳米管纤维烧结后的扫描电镜图。
具体实施方式
下文结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明：
实施例1
本实施例提供了金刚石与碳纳米管纤维复合材料的制备的方法：
1)将直径为100μm的碳纳米管纤维安装与自搭建慢走丝-电泳共沉积装置中，如图1所示，该装置是将长线碳纳米管纤维1缠绕在一滚轮2上，中间经过金刚石溶液3，接通电极后实现金刚石在碳纳米管纤维表面粘附，粘附金刚石的碳纳米管纤维连在另一滚轮4，通过步进电机带动滚轮4转动，单轴控制器来设置不同转速实现自动化的效果。利用赛多利斯电子天平称取粒径为1μm 的金刚石粉，加入到100ml蒸馏水中，配制成浓度为0.001wt.％的金刚石溶液，将金刚石溶液中超声分散10min。
2)以一铜棒5碳纤维为正极、304不锈钢6为负极，直流电压为5V，设置慢走丝装置速度为10cm/min，通过电泳共沉积方法，使金刚石均匀持续的粘附于长线碳纳米管纤维表面。取出粘有金刚石的碳纳米管纤维，干燥后穿过管式炉，通入氩气保护气体，设置慢走丝装置速度为2m/min,温度为1300℃，得到长线金刚石-碳纳米管纤维复合材料，由图2a可见，纤维的表面复合有较多金刚石颗粒，且颗粒分散均匀。
实施例2
本实施例提供了金刚石与碳纳米管纤维复合材料的制备的方法：
1)将直径为100μm的碳纳米管纤维安装与自搭建慢走丝装置中。利用赛多利斯电子天平称取粒径为3μm的金刚石粉，加入到100ml酒精溶液中，配制成浓度为0.0005wt.％的金刚石溶液，将金刚石溶液中超声分散10min。
2)以碳纤维为正极、304不锈钢为负极，直流电压为5V，设置慢走丝装置速度为7.5cm/min，通过电泳共沉积方法，使金刚石均匀持续的粘附于长线碳纳米管纤维表面。取出粘有金刚石的碳纳米管纤维，干燥后穿过管式炉，通入氩气保护气体，设置慢走丝装置速度为3m/min,温度为1400℃，得到长线金刚石与碳纳米管纤维复合材料，由图2b可见，金刚石均匀持续的复合在碳纳米管纤维表面。
上述实施例仅例示性说明本发明的具体实施方式，而非用于限制本发明的范围。任何熟悉此技术的人士在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明权利要求所保护的范围内。

Claims (9)

1.一种制备长线金刚石与碳纳米管纤维复合材料的方法，其特征在于包括如下具体步骤：
(1)金刚石溶液的配置：取一定质量的金刚石配置一定浓度的金刚石溶液，通过超声分散的方式使其分散均匀；
(2)金刚石与长线碳纳米管纤维的粘附：以长线碳纳米管纤维为正极，不锈钢板为负极，利用慢走丝-电泳共沉积的方法，将金刚石均匀连续的粘附在碳纳米管纤维表面；
(3)金刚石与长线碳纳米管纤维的固化：将均匀粘附金刚石颗粒的碳纳米管纤维通过慢走丝方式穿过管式炉，接通电流，进行金刚石与碳纳米管纤维的固化烧结，得到长线金刚石与碳纳米管纤维复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种制备长线金刚石与碳纳米管纤维复合材料的方法，其特征在于：所述金刚石的粒度在1nm-5μm之间，碳纳米管纤维直径40μm-200μm，长度20cm-1km。
3.根据权利要求1所述的一种制备长线金刚石与碳纳米管纤维复合材料的方法，其特征在于：所述金刚石溶液的溶剂为水、酒精。
4.根据权利要求1所述的一种制备长线金刚石与碳纳米管纤维复合材料的方法，其特征在于：所述金刚石溶液的浓度为0.0001wt.％-0.01wt.％。
5.根据权利要求1所述的一种制备长线金刚石与碳纳米管纤维复合材料的方法，其特征在于：所述长线碳纳米管纤维的沉积速度为1cm/min-15cm/min。
6.根据权利要求1所述的一种制备长线金刚石与碳纳米管纤维复合材料的方法，其特征在于：所述电泳共沉积方法的电压为2V-30V，沉积时间为：20s-300s。
7.根据权利要求1所述的一种制备长线金刚石与碳纳米管纤维复合材料的方法，其特征在于：所述固化烧结过程中以氩气为保护气体。
8.根据权利要求1所述的一种制备长线金刚石与碳纳米管纤维复合材料的方法，其特征在于：所述慢走丝-电泳共沉积的方法采用慢走丝-电泳共沉积装置，该装置是将长线碳纳米管纤维缠绕在一滚轮，中间经过金刚石溶液，接通电极后实现金刚石在碳纳米管纤维表面粘附，粘附金刚石的碳纳米管纤维连在另一滚轮，通过步进电机带动滚轮转动，单轴控制器来设置不同转速实现自动化的效果。
9.根据权利要求1所述的一种制备长线金刚石与碳纳米管纤维复合材料的方法，其特征在于：所述慢走丝方式的走丝速度为4cm/min-8cm/min，管式炉的温度设置为1100-1600℃，烧结时间为5min-60min。
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