一种检测金属基碳纳米复合材料中增强材料含量的方法技术

本发明专利技术公开了一种电化学沉积法制备的金属基碳纳米复合材料中增强材料含量的测定方法。采用高频红外碳硫分析仪对金属基碳纳米复合材料中的碳含量进行测定，测定精度可达1 ppm，并且可以测多种金属与多种碳纳米复合材料中的碳增强材料含量。本方法操作简单、快速、精确度高、重复性好，以及测量范围广，是一种理想的直接精确测试金属基复合材料碳纳米增强材料含量的方法，可广泛应用于实际工程和实验室的金属基碳纳米复合材料领域。

Method for detecting content of reinforcing material in metal base carbon nano composite material

The present invention discloses a method for determining reinforcing material content in metal matrix carbon nano composite material prepared by electrochemical deposition method. Using high frequency infrared carbon sulfur analyzer on the carbon content of metal based carbon nano composite materials were determined by precision can reach 1 ppm, and can measure a variety of metal and carbon nano composite material of carbon reinforced material content. The method is simple, rapid, high accuracy, good repeatability, and wide measurement range, is a kind of ideal direct and accurate testing of metal matrix composites of carbon nano materials content enhancement method, which can be widely used in practical engineering and laboratory metal based carbon nano composite material field.

【技术实现步骤摘要】
一种检测金属基碳纳米复合材料中增强材料含量的方法
本专利技术涉及金属基碳纳米复合材料的
，具体涉及一种电化学沉积(电镀)法制备的金属基碳纳米复合材料中碳增强材料含量的测定方法。
技术介绍
碳纳米材料(主要包括石墨烯、碳纳米管、碳纤维、C60等)具有良好的力学、电学及化学性能而被人们广泛研究，特别是对于具有大比表面积、高电导率和良好生物相容性的碳纳米管、碳纳米纤维和石墨烯更是研究的热点。这些新型碳材料具有许多优异的物理和化学特性，被广泛地应用于诸多领域。将碳纳米材料作为增强材料与金属材料复合可以显著提高金属的多种性能，如：硬度、弹性模量、抗拉强度、耐蚀性、耐磨性和导热、导电性能等。研究表明，碳纳米材料添加量的不同对金属基复合材料的力学、物理和化学性能有很大的影响。目前，与碳纳米材料复合的金属材料主要有不锈钢、金、铂、银、镍、钛、镁、铝、铜等。采用最多的制备方法是粉末冶金法，该方法是通过碳纳米材料和金属粉末混合后，然后通过热压烧结获得复合材料。由于该方法中的碳纳米增强材料含量可以预先进行设定，故其复合材料中增强材料的含量变化，及其对复合材料性能的影响之间可以获得准确的对应关系。然而，当利用电化学沉积(电镀)法制备金属基碳纳米复合材料时，碳纳米增强材料一般是添加到电解液中，然后在电化学系统中通过金属与碳纳米材料的共沉积，在基板上获得不同厚度的金属基碳纳米复合材料膜层。这时，进入复合材料中的碳纳米材料的含量是不可控的，也就是说，由于受到电压、电流、搅拌强度、各种添加剂的相互作用等电镀条件的影响，进入复合材料中的碳纳米材料的准确含量是不可预知的，那么也就很难获得碳纳米增强材料含量与复合材料性能之间的对应关系。目前，在研究中大家采用的都是“间接法”，即：1)通过研究电解液中碳纳米增强材料的添加含量，来间接地判断其对金属基碳纳米复合材料的影响，并获得与性能之间的关系。2)利用扫描电镜图像分析程序和有效平均场分析等间接方法来确定复合材料中碳纳米增强材料的体积分数。例如，Pavithra等人(C.L.Pavithra,B.V.Sarada,K.V.Rajulapati,T.N.RaoandG.Sundararajan,SciRep,2014,4,4049.)分别采用直流和脉冲电沉积方法制得的铜基石墨烯复合材料；与纯铜相比，其硬度提高了96％，弹性模量提高了30％。该文章通过调节电解液中氧化石墨烯(GO)浓度从0.1-1.0g/L变化，来确定所对应的性能变化，得到最佳GO浓度为0.5g/L。Xie等人(G.Xie,M.ForslundandJ.Pan,ACSApplMaterInterfaces,2014,6,7444-7455.)将浓度从0.1-0.5g/L的氧化石墨烯(GO)添加大电解液中，并对其进行了循环伏安测试，确定了较佳的铜基石墨烯复合材料的沉积条件，比较了抛光后的纯铜箔、铜基石墨烯复合材料及电沉积铜箔的电阻率和电活性，结果显示，铜基石墨烯复合材料的电阻率最低。Huang等人(G.Huang,H.Wang,P.Cheng,H.Wang,B.Sun,S.Sun,C.Zhang,M.ChenandG.Ding,MicroelectronEng,2016,157,7-12.)也是通过在电解液中加入不同浓度的石墨烯(0.05g-0.3g/L)，采用脉冲电沉积工艺制得了导电性和电解铜箔相当的铜基石墨烯复合材料，其屈服强度和抗拉强度比电解铜箔分别提高了39.1％和21.1％。另外，对于其他类型的金属基碳纳米复合材料也有较多研究，例如：Araid等人(Arai,S.,T.Saito,andM.Endo,Cu–MWCNTCompositeFilmsFabricatedbyElectrodeposition.JournalofTheElectrochemicalSociety,2010.157(3):p.D147.)研究了铜基碳纳米管复合材料。他们通过将电沉积复合材料溶解在硝酸溶液中，过滤、洗涤、干燥，称量未溶物的质量来确定复合材料中碳纳米管的含量，为了测量准确，样品质量不能低于8g。Guo等人(Guo,C.,etal.,Effectsofsurfactantsonelectrodepositionofnickel-carbonnanotubescompositecoatings.SurfaceandCoatingsTechnology,2008.202(14):p.3385-3390.)研究了镍基碳纳米管复合材料。他们通过配在扫描电镜(SEM)上的能谱仪(EDS)对电沉积复合材料中的碳纳米管含量进行测定，由于碳纳米管在金属中的横向和纵向分散不均，所以该法测量存在较大误差。Liu等人(LiuC,SuF,LiangJ.Producingcobalt–graphenecompositecoatingbypulseelectrodepositionwithexcellentwearandcorrosionresistance[J].AppliedSurfaceScience,2015,351:889-896.)制备了钴基石墨烯复合材料，他们是通过能谱分析放大器和SEM图像分析技术测量复合材料中的石墨烯的含量，也是属于间接测量。张兴普(张兴普.石墨烯-纳米晶镍基复合材料的制备及性能研究[D].吉林大学，2015)研究了镍基石墨烯复合材料，他也是通过研究电解液中的还原氧化石墨烯浓度对复合材料性能的影响。诸利达等人(诸利达,丁桂甫,吴惠箐,等.镍基碳纳米管复合薄膜的电沉积技术[J].材料科学与工程学报,2008,26(4):506-510.)制备了镍基碳纳米管复合材料，他们也是通过SEM图像分析技术间接测定碳纳米管的体积分数。由以上研究可以看出，都是从加入电解液中的增强材料石墨烯(或者氧化石墨和碳纳米材料)的含量(或者最佳含量)，来确定所获得的最佳的复合材料性能。但是实际进入到复合材料中的石墨烯(或者氧化石墨和碳纳米材料)的含量并不知道。显然这种分析不能真实反映出增强材料在复合材料中的作用和影响。因此，在实际应用中，最好是能够知道复合材料中碳纳米增强材料的准确含量，并以此来测定其对复合材料的力学和电学性能的影响。也就是说，在电化学法制备金属基碳纳米复合材料中，有两个重要的问题需要解决，即：1)电解液中碳纳米材料添加量与进入复合材料中碳纳米增强材料含量之间的对应关系；2)金属基碳纳米复合材料中碳纳米增强材料含量的直接和准确测定。这些问题的解决对于碳纳米增强材料在复合材料中的应用具有重要的理论意义和应用价值。
技术实现思路
本专利技术利用电化学沉积法制备了金属基碳纳米复合材料薄膜，提出通过采用一种在钢铁冶金成分分析中常用的具有高灵敏度的高频红外碳硫分析仪(精度为1ppm)，1)对复合材料中的碳含量进行直接准确的测定，来确定在电化学共沉积(电镀)过程中，进入到复合材料中的碳纳米增强材料的准确含量；2)获得电解液中的碳纳米材料的添加量与共沉积进入复合材料中的碳纳米增强材料含量之间的对应关系。该方法具有简单、快速、精确高、测量范围广、重复性好等优点，可广泛应用于实际工程和实验室的金属基碳纳米复合材料领域。本专利技术的目的通过下述技术方案实现：(1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种检测金属基碳纳米复合材料中的碳纳米增强材料含量的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)调试检查高频红外碳硫分析仪，使仪器处于正常稳定状态，设定仪器的分析时间和比较水平；(2)称取若干份标准含碳量的钢铁标样，每份Y g，精确到0.0001g，作为碳标准系列；(3)将称好的钢铁标样置于铺有纯铁粉的预先处理过的坩埚中，再覆盖上锡粉和钨粉，然后利用高频红外碳硫分析仪测定每份钢铁标样的碳信号，绘制碳的标准曲线；(4)在电解液中加入Z g碳纳米增强材料，采用沉积法制备金属基碳纳米复合材料；(5)将金属基碳纳米复合材料加工成粉末；准确称取Y g金属基碳纳米材料粉末，精确到0.0001g，采用与步骤(3)相同的条件和操作测定Y g金属基碳纳米复合材料中的碳含量；(6)通过计算得到电解液中碳纳米增强材料的添加量与进入金属基碳纳米复合材料中的碳纳米增强材料含量之间的对应关系。

【技术特征摘要】
1.一种检测金属基碳纳米复合材料中的碳纳米增强材料含量的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)调试检查高频红外碳硫分析仪，使仪器处于正常稳定状态，设定仪器的分析时间和比较水平；(2)称取若干份标准含碳量的钢铁标样，每份Yg，精确到0.0001g，作为碳标准系列；(3)将称好的钢铁标样置于铺有纯铁粉的预先处理过的坩埚中，再覆盖上锡粉和钨粉，然后利用高频红外碳硫分析仪测定每份钢铁标样的碳信号，绘制碳的标准曲线；(4)在电解液中加入Zg碳纳米增强材料，采用沉积法制备金属基碳纳米复合材料；(5)将金属基碳纳米复合材料加工成粉末；准确称取Yg金属基碳纳米材料粉末，精确到0.0001g，采用与步骤(3)相同的条件和操作测定Yg金属基碳纳米复合材料中的碳含量；(6)通过计算得到电解液中碳纳米增强材料的添加量与进入金属基碳纳米复合材料中的碳纳米增强材料含量之间的对应关系。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的金属基碳纳米复合材料为铜、锡、镍、锌、钴...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘春旭，宋贡生，杨延鹏，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42