一種氧化鋁-碳納米管復合粉體材料的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明具體涉及一種在氧化鋁陶瓷粉體生成碳納米管的方法，屬于材料加工工程領域。
【背景技術】
[0002]氧化鋁、氧化鋯等氧化物陶瓷是目前使用非常廣泛的陶瓷材料，具有耐腐蝕、抗氧化、比表面積大等特點，可用作吸收劑、催化劑載體、復合材料增強物、高速切削刀具、醫(yī)用材料和抗磨部件等。碳納米管具有比表面積大、超高模量、高強度、導電性好等諸多優(yōu)點，在高性能復合材料、醫(yī)用材料、電子場發(fā)射器件等多個領域具有廣闊的應用前景，也可以用于氧化鋁的增強體，提高其電導率、催化活性等性質。但由于碳納米管具有一維納米結構特點，長徑比大，同時由于碳納米管之間較大的范德華引力以及巨大的比表面積，因此容易以糾纏團聚體狀態(tài)存在。要發(fā)揮碳納米管優(yōu)異性能，如何在氧化鋁粉體中制備及分散碳納米管成為關鍵因素。
[0003]目前，碳納米管的制備方法較多，包括催化裂解法、化學氣相沉積法、模板法等。制備氧化鋁和碳納米管復合粉體時，一般是先將催化劑金屬納米粒子與氧化鋁等混合，然后再通入甲烷、乙炔等含碳氣體，通過熱分解形成碳納米管。Lee等人通過化學氣相沉積方法在碳納米管內部填充氧化鋁以及氧化鋁表面覆蓋碳納米管，制備了氧化鋁納米線和碳納米管[Lee J et al.Journal of Crystal Growth, 2003,254 (4):443-448]。也有研究者將碳納米管制備或者購置后，直接與氧化鋁分散混合獲得復合粉體。例如，Ahma等人購置獲得商用碳納米管，然后將多壁碳納米管采用H2SO4-HNO3混合酸溶液進行化學改性，進而加入表面活性劑，同時加入Y-Al2O3進行超聲分散，然后干燥備用。(Ahma et al.，MaterialsCharacterizat1n，2015，99:210-219)。武璽旺等人公開的專利中(中國發(fā)明專利公開號:CN 103979942 A)，將碳納米管、氧化鋁粉加入熔融的熱塑性高分子熔體中攪拌混合；將混合料加入雙螺桿擠出機或單螺桿擠出機中擠出分散至穩(wěn)定；將擠出料高溫脫脂，去除高分子材料得到碳納米管-氧化鋁復合粉體。原位生成法具有制備簡便、成本低等優(yōu)點，引起了廣泛關注。張幸紅等人發(fā)明了一種原位合成碳納米管改性超高溫陶瓷雜化粉體的方法(中國發(fā)明專利授權公告號:CN 104016685 B)，首先將催化劑充分分散在有機聚合物先驅體中得到混合粉體；其次將得到的混合粉體放在方形上部敞口的模具中，在管式爐中加熱裂解，直至達到有機聚合物先驅體完全陶瓷化溫度1450°C?1550°C，保溫時間為0.5h?2h ;然后自然降溫到20°C?25°C，即得到碳納米管改性超高溫陶瓷雜化粉體。但仍然存在步驟復雜、處理溫度高等問題。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種氧化鋁-碳納米管復合粉體材料的制備方法，為一種在氧化鋁陶瓷粉體表面負載碳納米管的方法，通過金屬有機前驅體的分解在氧化鋁粉體表面生成鎳、鐵、鈷等金屬納米粒子催化劑，藉此將金屬有機前驅體存在的碳以及甲烷等氣體中存在的碳分解催化生成碳納米管，通過改變有機原料供應量、旋轉速率、反應溫度等多個因素來控制碳納米管的長度、直徑和微觀形貌，由于減少了先行制備碳納米管的步驟而縮短制備周期并降低成本，提高碳納米管分散的均勻性和有效性。
[0005]為實現(xiàn)上述技術目的，本發(fā)明提出的氧化鋁-碳納米管復合粉體材料的制備方法，包括如下步驟:
[0006](I)將氧化鋁粉體進行干燥和過篩預處理，然后將處理好的氧化鋁粉體放置于化學氣相沉積反應室內，抽真空至5?20Pa，預熱至反應溫度；
[0007](2)旋轉化學氣相沉積反應室，轉速15?60rpm ；
[0008](3)將金屬有機前驅體作為原料，在蒸發(fā)器中加熱至100?200°C，得到原料混合氣體，金屬有機前驅體與氧化鋁粉體的質量比為I?3: 5 ;
[0009](4)打開蒸發(fā)器閥門，將原料混合氣體引入化學氣相沉積反應室內，同時引入氬氣，使金屬有機前驅體分解，從而將金屬納米粒子沉積到氧化鋁粉體上；
[0010](5)在步驟(4)進行的同時，向旋轉的化學氣相沉積反應室內通入含碳氣體以提供額外碳源，借助金屬納米粒子的催化作用以及含碳氣體的分解生成碳納米管，所述的碳納米管分散于氧化鋁和金屬納米粒子表面，得到包覆后的粉末；
[0011](6)反應結束后，停止化學氣相沉積反應室的旋轉，關閉蒸發(fā)器的閥門，冷卻至室溫，取出包覆后的粉末；
[0012](7)將步驟(6)得到的粉末進行過篩處理。
[0013]具體地，步驟(I)中，預熱至溫度為400?800°C。
[0014]優(yōu)選地，步驟(I)中，所述的氧化鋁粉體的平均粒徑為0.1?ΙΟΟμπι，純度大于
95%。
[0015]步驟(3)中，所述的金屬有機前驅體為金屬有機化合物，如異辛酸鎳、二茂鎳、二茂鐵、醋酸鐵中的任意一種。
[0016]優(yōu)選地，步驟(5)中，所述的含碳氣體為甲烷或乙炔中的任意一種或兩種的混合物。
[0017]優(yōu)選地，步驟(I)和步驟(6)中，所述的粉體均過50?200目過篩3?4次。
[0018]步驟⑷中，氬氣氣體流量為50?lOOsccm。
[0019]步驟(5)中含碳氣體的氣體流量為10?10sccm
[0020]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明提供了一種氧化鋁-碳納米管粉體材料的制備方法，使用旋轉化學氣相沉積技術，使金屬催化納米顆粒直接沉積在Al2O3支撐體上，同時金屬有機前驅體分解的含碳鏈以及甲烷等含碳氣體的分解可以生成碳納米管。通過改變有機原料和甲烷反應的實驗參數，來控制獲得的復合材料的顆粒尺寸和微觀形貌，使碳納米管和金屬粒子在氧化鋁支撐體上分散均勻，使材料的利用率、產品的可靠性得到大大提高，制備周期短、且制備方法中沒有使用溶液，避免了廢液的處理問題，環(huán)境友好，生產成本顯著降低，從而具有良好的產業(yè)前景。
【附圖說明】
[0021]圖1為實施例1所述實驗參數下獲得的氧化鋁-碳納米管粉體復合材料的透射電鏡圖；
[0022]圖2為實施例1所述實驗參數下獲得的氧化鋁-碳納米管粉體復合材料的X射線衍射圖譜。
【具體實施方式】
[0023]以下為本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，僅用于解釋本發(fā)明，而非用于限制本發(fā)明，且由該說明所作出的改進都屬于本發(fā)明所附權利要求所保護的范圍。
[0024]實施例1
[0025]本實施例提供了一種氧化鋁-碳納米管粉體復合材料的制備方法，制備步驟如下:
[0026](I)將氧化鋁粉體(粉體平均直徑:10 μ m，純度大于95% )進行干燥，過200目篩3次，以打破粉體在長時間放置產生的硬團聚，然后將處理好的氧化鋁粉體5g放置于化學氣相沉積反應室內，抽真空至5Pa，預熱至600°C ；
[0027](2)旋轉化學氣相沉積反應室，轉速15rpm ;
[0028](3)將Ig金屬有機前驅體二茂鎳(Ni (C5H5)2)作為原料，在蒸發(fā)器中加熱至150°C，得到原料混合氣體；
[0029](4)打開蒸發(fā)器閥門，將步驟(3)所述的原料混合氣體引入化學氣相沉積反應室內，同時引入氬氣氣體，氬氣氣體流量為lOOsccm，使金屬有機前驅體分解，金屬納米粒子沉積到氧化鋁粉體上，沉積時間為2小時；
[0030](5)在步驟(4)進行的同時，向旋轉的化學沉積反應室內通入甲烷氣體，甲烷氣體流量為30SCCH1，借助金屬納米粒子的催化作用以及甲烷等氣體的分解生成碳納米管，分散于氧化鋁和金屬納米粒子表面；
[0031](6)反應結束后，停止化學氣相沉積反應室的旋轉，關閉蒸發(fā)器閥門，冷卻至室溫，取出包覆后的粉末；
[0032](7)將步驟(6)得到的粉末進行過篩處理。
[0033]將取出的氧化鋁-碳納米管復合粉體材料進行分析觀察。
[0034]結果如圖1和圖2所示。圖1表明，直徑約50nm，長度約I?2 μπι的碳納米管在Ni納米粒子的催化作用下，垂直生長于Al2O3粉體表面。而圖2檢測出了生成的Ni納米粒子的特征峰，由于碳納米管為非晶態(tài)，因此沒有碳的X射線特征峰出現(xiàn)。
[0035]實