線織等級孔網(wǎng)碳納米超結(jié)構(gòu)的原位轉(zhuǎn)換制備與性能研究

本項目使用有機高分子和天然生物質(zhì)兩類前驅(qū)體，選取靜電紡絲和溶劑提取兩條途徑，采用原位裂解、原位碳化以及原位復合等原位技術(shù)，制備出20余種骨架保持且具有等級孔網(wǎng)的線織微納米超結(jié)構(gòu)碳（復合）材料。其中，荷葉、燈心草、火龍果、分心木、花生內(nèi)膜、蛋殼內(nèi)膜等制成的碳材料 不僅具有奇異的立體編織結(jié)構(gòu)，而且具有大孔-介孔-微孔等多級孔道；而由靜電紡絲法編織的孔網(wǎng)碳材料則體現(xiàn)出形貌可變、結(jié)構(gòu)可調(diào)、孔徑可控等特點；再者，通過有機小分子轉(zhuǎn)化的球碳、夾碳和超結(jié)構(gòu)碳也是豐富多彩各有特色。這一系列構(gòu)造新穎的超結(jié)構(gòu)碳材料，在生物大分子的分離純化、染料廢水的吸附處理、電池.電容器的充放電過程等諸多方面體現(xiàn)出明顯的性能優(yōu)勢；將它們與金屬或半導體氧化物納米粒子復合后，均表現(xiàn)出優(yōu)異的光電催化性質(zhì)，尤其對富氫高能難分解的硼烷類化合物表現(xiàn)出極高的釋氫催化活性，這無論對于生命醫(yī)藥與環(huán)境保護難題的解決，還是對于便捷能源和清潔能源未來的發(fā)展，都具有十分重要的意義。

本項目擬瞄準國際前沿研究領(lǐng)域中的熱點和難點，使用有機高分子和天然生物質(zhì)兩類前驅(qū)體，選取靜電紡絲和溶劑提取兩條途徑，采用原位裂解、原位碳化、原位石墨化以及原位納米管化等原位技術(shù)，制備一系列骨架保持的、具有等級孔網(wǎng)的、線織微納米碳網(wǎng)絡超結(jié)構(gòu)材料。對其結(jié)構(gòu)進行表征，對其性能進行研究，對其形成機理進行探索。它不僅能構(gòu)建出具有潛在應用價值的新物質(zhì)、新結(jié)構(gòu)、新材料，而且在復雜納米結(jié)構(gòu)的原位合成方面具有方法學上的意義，因而將會對科學、技術(shù)和生產(chǎn)的發(fā)展作出突出貢獻。

考察了納米SiO₂/PMMA復合體系的耐磨損性。采用原位本體聚合方法制備納米SiO₂/PMMA復合板，使用掃描電鏡和光學顯微鏡對納米SiO₂及其復合物進行觀察，采用砝碼質(zhì)量法測試復合物的耐磨損性。電鏡觀察結(jié)果表明：納米SiO₂較為均勻地分散在PMMA基體中，并被PMMA所包覆，包覆物的粒徑介于30～100nm之間。耐磨損性測試結(jié)果表明：納米SiO₂的加入可提高PMMA復合物的耐磨損性和耐劃痕性；當納米SiO₂用量為1.0%時，復合物的耐磨損性能提升39.7%.

耐磨損性納米SiO2含量對耐磨損性的影響

采用砝碼質(zhì)量法對不同納米SiO₂含量的試樣耐磨損進行測試，可見，純PMMA板的砝碼質(zhì)量為63g；隨著納米SiO₂含量的增加，PMMA板耐磨損性能提高；在約1.0%處達到最大值：砝碼質(zhì)量88g,耐磨損性能提升了39.7%.此后，耐磨損性略有降低。

耐磨損性納米復合材料的耐磨損性和耐劃痕性

依據(jù)物理化學作用增強增韌機理，由于納米材料具有小尺寸效應和表面效應，納米 SiO2可以通過物理作用或化學作用，改善與PMMA基體之間的相容性。因而提升了納米SiO₂/PMMA復合材料的耐磨損性和耐劃痕性。依據(jù)微裂紋化增強增韌機理，當納米SiO₂含量適中時，在PMMA基體中無機相團聚的機會相對較少，并且PMMA玻璃化轉(zhuǎn)變對無機相成長的抑制作用較強，從而使納米SiO₂趨向均勻分散在PMMA基體中。在這種情況下，當基體受到外力作用時，由于剛性無機粒子的存在，會產(chǎn)生應力集中效應，容易激發(fā)周圍樹脂基體產(chǎn)生微裂紋 (或銀紋 ),吸收一定形變功，同時納米粒子之間的基體會產(chǎn)生屈服和塑性形變，吸收一部分能量。此外，由于剛性無機粒子的存在會使基體樹脂裂紋擴展受阻、鈍化，阻礙了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的大面積破壞，從而提升材料的耐磨損性、耐劃痕性。

依據(jù)裂紋與銀紋相互轉(zhuǎn)化增強增韌機理，由于納米粒子的粒徑小、比表面積大，使其可與聚合物基體充分的吸附鍵合，增強了SiO₂粒子與基體間的界面粘接力，從而提升復合物的性能。但是，當SiO₂粒子含量高于一定比例后，粒子間的團 聚機會增加，PMMA玻璃化轉(zhuǎn)變帶來的對無機相成長的抑制作用減弱，SiO₂粒子在基體中 發(fā)生團聚，團聚體會在基體中形成了大量的缺陷。由于這些缺陷的存在，基體在外力的作用下會產(chǎn)生更大、更多的銀紋或塑形形變，微裂紋會發(fā)展成為宏觀開裂，導致體系性能變差，因此隨著納米SiO₂含量的繼續(xù)增加，PMMA復合材料的耐磨損性和耐劃痕性反而降低。 2100433B

本書第1章概述了硬質(zhì)與超硬涂層的定義和特性；第2章簡單介紹

了硬質(zhì)與超硬涂層的常用制備方法和原理；第3章依次介紹了常見的過渡金屬氮化物、碳化物、硼化物和一些金屬氧化物涂層的結(jié)構(gòu)、性能、制備方法和影響涂層性能的因素；第4章依次介紹了金剛石、類金剛石、立方氮化硼、氮化碳、硼碳氮及納米多層結(jié)構(gòu)和納米晶復合涂層的結(jié)構(gòu)、性能、制備工藝；第5章介紹了硬質(zhì)與超硬涂層常見的增韌技術(shù)；第6章介紹了硬質(zhì)與超硬涂層的厚度、結(jié)構(gòu)、成分及重要性能(如結(jié)合強度、硬度、斷裂韌性、耐磨性、耐腐蝕性等)的表征方法。本書的目的是把硬質(zhì)與超硬涂層的發(fā)展過程、最新研究結(jié)果和應用現(xiàn)狀介紹給讀者，使大家進一步了解這一方向發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的問題。

第1章緒論

1.1硬質(zhì)與超硬涂層的定義

1.2硬質(zhì)涂層與超硬涂層的種類

1.2.1硬質(zhì)涂層

1.2.2超硬涂層

1.3涂層材料的特殊性

1.3.1表面效應明顯

1.3.2涂層與襯底的界面與黏附性

1.3.3涂層中的內(nèi)應力

1.3.4涂層的異常結(jié)構(gòu)和非理想化學計量比

1.3.5涂層的擇優(yōu)取向

1.3.6涂層的納米多層結(jié)構(gòu)和納米晶復合結(jié)構(gòu)

1.3.7涂層的優(yōu)異的綜合性能

參考文獻

第2章硬質(zhì)與超硬涂層的制備技術(shù)

2.1真空蒸鍍

2.1.1物質(zhì)的熱蒸發(fā)特性和真空蒸鍍原理

2.1.2常見的真空蒸發(fā)裝置

2.1.3真空蒸鍍沉積涂層的工藝

2.2濺射沉積

2.2.1基本原理和特點

2.2.2常用濺射沉積涂層設(shè)備

2.2.3濺射沉積涂層的工藝

2.2.4濺射沉積涂層的應用

2.3離子鍍沉積

2.3.1基本原理和特點

2.3.2常見的離子鍍設(shè)備和工作原理

2.3.3電弧離子鍍的工藝參數(shù)

2.3.4電弧離子鍍涂層的應用

2.4化學氣相沉積

2.4.1基本原理和特點

2.4.2常見的PECVD的裝置和工作原理

2.4.3PECVD的工藝

2.4.4PECVD涂層的應用

2.5離子束沉積

2.5.1涂層制備中離子束的應用

2.5.2離子束輔助沉積

2.5.3低能離子束沉積

2.5.4離子簇束沉積

2.6分子束外延沉積

2.6.1分子束外延的基本原理

2.6.2分子束外延生長的裝置

2.6.3分子束外延生長的工藝

2.6.4分子束外延涂層的應用

參考文獻

第3章硬質(zhì)涂層

3.1概述

3.2金屬氮化物涂層

3.2.1Ti-N系列涂層

3.2.2Cr-N系列涂層

3.2.3金屬氮化物的合金化涂層

3.2.4金屬氮化物涂層的制備技術(shù)及相關(guān)工藝

3.2.5影響金屬氮化物涂層微結(jié)構(gòu)和性能的因素

3.2.6其他金屬氮化物系列涂層

3.3金屬碳化物涂層

3.3.1TiC涂層

3.3.2W-C涂層

3.3.3Cr-C涂層

3.4金屬硼化物涂層

3.4.1Ti涂層

3.4.2ZrB2涂層

3.5金屬氧化物涂層

3.5.1Al203涂層

3.5.2ZrO涂層

3.5.3CrO涂層

3.5.4TiO2涂層

3.6其他硬質(zhì)涂層、多層結(jié)構(gòu)涂層及梯度涂層

參考文獻

第4章超硬涂層

4.1金剛石涂層

4.1.1金剛石的晶體結(jié)構(gòu)

4.1.2CVD金剛石涂層的性能及應用

4.1.3CVD全剛石涂層生長設(shè)備及工藝

4.1.4CVD金剛石涂層的形核和生長機理

4.1.5CVD金剛石涂層晶型顯露規(guī)律

4.1.6大面積金剛石涂層的生長

4.1.7織構(gòu)(高取向)金剛石涂層的生長

4.1.8金剛石涂層品質(zhì)評價方法

4.2類全剛石(DLC)涂層

4.2.1類金剛石涂層的相結(jié)構(gòu)

4.2.2類金剛石涂層的性能

4.2.3類金剛石涂層的制備方法和相關(guān)工藝

4.2.4類金剛石涂層的生長機理

4.2.5類金剛石涂層的質(zhì)量評定和結(jié)構(gòu)檢測

4.2.6類金剛石涂層的應用領(lǐng)域

4.3立方氮化硼(cBN)涂層

4.3.1氮化硼的異構(gòu)體

4.3.2立方氮化硼(c-BN)的正四面體結(jié)構(gòu)

4.3.3立方氮化硼涂層的性能和應用前景

4.3.4立方氮化硼涂層的制備技術(shù)和相關(guān)工藝

4.3.5立方氮化硼涂層的生長機理

4.3.6立方氮化硼涂層的研究現(xiàn)狀及面臨的問題

4.4氮化碳CN涂層

4.4.1氮化碳CN的晶體結(jié)構(gòu)

4.4.2氮化碳CN涂層的合成技術(shù)

4.4.3氮化碳CN涂層性能及應用前景

4.4.4小結(jié)

4.5硼碳氮(BCN)涂層

4.5.1硼碳氮(BCN)的結(jié)構(gòu)

4.5.2硼碳氮(BCN)涂層的制備技術(shù)及相關(guān)工藝

4.5.3硼碳氮(BCN)涂層的性能及表征

4.6納米多層結(jié)構(gòu)涂層和納米晶復合涂層

4.6.1納米多層結(jié)構(gòu)涂層

4.6.2納米晶復合涂層

4.6.3納米多層結(jié)構(gòu)涂層和納米晶復合涂層的界面

4.6.4小結(jié)

參考文獻

第5章硬質(zhì)與超硬涂層的增韌技術(shù)

5.1概述

5.2韌性相增韌

5.3納米晶結(jié)構(gòu)增韌

5.4成分或結(jié)構(gòu)梯度增韌

5.5多層結(jié)構(gòu)增韌

5.6碳納米管增韌

5.7相變增韌

5.8壓應力增韌

5.9復合增韌

5.10小結(jié)

參考文獻

第6章硬質(zhì)與超硬涂層的表征

6.1涂層厚度的測量方法

6.1.1光學測量法

6.1.2稱重法

6.1.3石英晶體振蕩儀法

6.1.4輪廓儀(觸針)法

6.1.5斷面測量法

6.1.6成分法

6.2涂層結(jié)構(gòu)的表征方法

6.2.1掃描電子顯微鏡

6.2.2透射電子顯微鏡

6.2.3掃描隧道顯微鏡

6.2.4原子力顯微鏡

6.2.5X射線衍射方法

6.2.6低能電子衍射和反射式高能電子衍射

6.2.7紅外吸收光譜和拉曼光譜

6.3涂層成分的表征方法

6.3.1電子探針顯微分析

6.3.2X射線光電子能譜

6.3.3俄歇電子能譜

6.3.4二次離子質(zhì)譜

6.3.5盧瑟福背散射技術(shù)

6.4涂層結(jié)合強度的表征方法

6.4.1劃痕法

6.4.2壓痕法

6.4.3刮剝法

6.4.4拉伸法

6.4.5抗剪強度檢測法

6.4.6激光剝離法

6.4.7彎曲法

6.4.8其他測量方法

6.5涂層硬度表征方法

6.5.1顯微硬度測試

6.5.2納米壓痕硬度測試

6.6涂層韌性測量

6.6.1彎曲法

6.6.2彎折法

6.6.3劃痕法

6.6.4壓痕法

6.6.5拉伸法

6.7涂層耐磨性表征方法

6.7.1磨損實驗方法

6.7.2耐磨性的評價

6.8涂層耐腐蝕性能表征方法

6.8.1電化學表征法

6.8.2涂層高溫氧化性能測量

參考文獻