线织等级孔网碳纳米超结构的原位转换制备与性能研究

本项目使用有机高分子和天然生物质两类前驱体，选取静电纺丝和溶剂提取两条途径，采用原位裂解、原位碳化以及原位复合等原位技术，制备出20余种骨架保持且具有等级孔网的线织微纳米超结构碳（复合）材料。其中，荷叶、灯心草、火龙果、分心木、花生内膜、蛋壳内膜等制成的碳材料 不仅具有奇异的立体编织结构，而且具有大孔-介孔-微孔等多级孔道；而由静电纺丝法编织的孔网碳材料则体现出形貌可变、结构可调、孔径可控等特点；再者，通过有机小分子转化的球碳、夹碳和超结构碳也是丰富多彩各有特色。这一系列构造新颖的超结构碳材料，在生物大分子的分离纯化、染料废水的吸附处理、电池.电容器的充放电过程等诸多方面体现出明显的性能优势；将它们与金属或半导体氧化物纳米粒子复合后，均表现出优异的光电催化性质，尤其对富氢高能难分解的硼烷类化合物表现出极高的释氢催化活性，这无论对于生命医药与环境保护难题的解决，还是对于便捷能源和清洁能源未来的发展，都具有十分重要的意义。

本项目拟瞄准国际前沿研究领域中的热点和难点，使用有机高分子和天然生物质两类前驱体，选取静电纺丝和溶剂提取两条途径，采用原位裂解、原位碳化、原位石墨化以及原位纳米管化等原位技术，制备一系列骨架保持的、具有等级孔网的、线织微纳米碳网络超结构材料。对其结构进行表征，对其性能进行研究，对其形成机理进行探索。它不仅能构建出具有潜在应用价值的新物质、新结构、新材料，而且在复杂纳米结构的原位合成方面具有方法学上的意义，因而将会对科学、技术和生产的发展作出突出贡献。

考察了纳米SiO₂/PMMA复合体系的耐磨损性。采用原位本体聚合方法制备纳米SiO₂/PMMA复合板，使用扫描电镜和光学显微镜对纳米SiO₂及其复合物进行观察，采用砝码质量法测试复合物的耐磨损性。电镜观察结果表明：纳米SiO₂较为均匀地分散在PMMA基体中，并被PMMA所包覆，包覆物的粒径介于30～100nm之间。耐磨损性测试结果表明：纳米SiO₂的加入可提高PMMA复合物的耐磨损性和耐划痕性；当纳米SiO₂用量为1.0%时，复合物的耐磨损性能提升39.7%.

耐磨损性纳米SiO2含量对耐磨损性的影响

采用砝码质量法对不同纳米SiO₂含量的试样耐磨损进行测试，可见，纯PMMA板的砝码质量为63g；随着纳米SiO₂含量的增加，PMMA板耐磨损性能提高；在约1.0%处达到最大值：砝码质量88g,耐磨损性能提升了39.7%.此后，耐磨损性略有降低。

耐磨损性纳米复合材料的耐磨损性和耐划痕性

依据物理化学作用增强增韧机理，由于纳米材料具有小尺寸效应和表面效应，纳米 SiO2可以通过物理作用或化学作用，改善与PMMA基体之间的相容性。因而提升了纳米SiO₂/PMMA复合材料的耐磨损性和耐划痕性。依据微裂纹化增强增韧机理，当纳米SiO₂含量适中时，在PMMA基体中无机相团聚的机会相对较少，并且PMMA玻璃化转变对无机相成长的抑制作用较强，从而使纳米SiO₂趋向均匀分散在PMMA基体中。在这种情况下，当基体受到外力作用时，由于刚性无机粒子的存在，会产生应力集中效应，容易激发周围树脂基体产生微裂纹 (或银纹 ),吸收一定形变功，同时纳米粒子之间的基体会产生屈服和塑性形变，吸收一部分能量。此外，由于刚性无机粒子的存在会使基体树脂裂纹扩展受阻、钝化，阻碍了内部结构的大面积破坏，从而提升材料的耐磨损性、耐划痕性。

依据裂纹与银纹相互转化增强增韧机理，由于纳米粒子的粒径小、比表面积大，使其可与聚合物基体充分的吸附键合，增强了SiO₂粒子与基体间的界面粘接力，从而提升复合物的性能。但是，当SiO₂粒子含量高于一定比例后，粒子间的团 聚机会增加，PMMA玻璃化转变带来的对无机相成长的抑制作用减弱，SiO₂粒子在基体中 发生团聚，团聚体会在基体中形成了大量的缺陷。由于这些缺陷的存在，基体在外力的作用下会产生更大、更多的银纹或塑形形变，微裂纹会发展成为宏观开裂，导致体系性能变差，因此随着纳米SiO₂含量的继续增加，PMMA复合材料的耐磨损性和耐划痕性反而降低。 2100433B

本书第1章概述了硬质与超硬涂层的定义和特性；第2章简单介绍

了硬质与超硬涂层的常用制备方法和原理；第3章依次介绍了常见的过渡金属氮化物、碳化物、硼化物和一些金属氧化物涂层的结构、性能、制备方法和影响涂层性能的因素；第4章依次介绍了金刚石、类金刚石、立方氮化硼、氮化碳、硼碳氮及纳米多层结构和纳米晶复合涂层的结构、性能、制备工艺；第5章介绍了硬质与超硬涂层常见的增韧技术；第6章介绍了硬质与超硬涂层的厚度、结构、成分及重要性能(如结合强度、硬度、断裂韧性、耐磨性、耐腐蚀性等)的表征方法。本书的目的是把硬质与超硬涂层的发展过程、最新研究结果和应用现状介绍给读者，使大家进一步了解这一方向发展现状及面临的问题。

第1章绪论

1.1硬质与超硬涂层的定义

1.2硬质涂层与超硬涂层的种类

1.2.1硬质涂层

1.2.2超硬涂层

1.3涂层材料的特殊性

1.3.1表面效应明显

1.3.2涂层与衬底的界面与黏附性

1.3.3涂层中的内应力

1.3.4涂层的异常结构和非理想化学计量比

1.3.5涂层的择优取向

1.3.6涂层的纳米多层结构和纳米晶复合结构

1.3.7涂层的优异的综合性能

参考文献

第2章硬质与超硬涂层的制备技术

2.1真空蒸镀

2.1.1物质的热蒸发特性和真空蒸镀原理

2.1.2常见的真空蒸发装置

2.1.3真空蒸镀沉积涂层的工艺

2.2溅射沉积

2.2.1基本原理和特点

2.2.2常用溅射沉积涂层设备

2.2.3溅射沉积涂层的工艺

2.2.4溅射沉积涂层的应用

2.3离子镀沉积

2.3.1基本原理和特点

2.3.2常见的离子镀设备和工作原理

2.3.3电弧离子镀的工艺参数

2.3.4电弧离子镀涂层的应用

2.4化学气相沉积

2.4.1基本原理和特点

2.4.2常见的PECVD的装置和工作原理

2.4.3PECVD的工艺

2.4.4PECVD涂层的应用

2.5离子束沉积

2.5.1涂层制备中离子束的应用

2.5.2离子束辅助沉积

2.5.3低能离子束沉积

2.5.4离子簇束沉积

2.6分子束外延沉积

2.6.1分子束外延的基本原理

2.6.2分子束外延生长的装置

2.6.3分子束外延生长的工艺

2.6.4分子束外延涂层的应用

参考文献

第3章硬质涂层

3.1概述

3.2金属氮化物涂层

3.2.1Ti-N系列涂层

3.2.2Cr-N系列涂层

3.2.3金属氮化物的合金化涂层

3.2.4金属氮化物涂层的制备技术及相关工艺

3.2.5影响金属氮化物涂层微结构和性能的因素

3.2.6其他金属氮化物系列涂层

3.3金属碳化物涂层

3.3.1TiC涂层

3.3.2W-C涂层

3.3.3Cr-C涂层

3.4金属硼化物涂层

3.4.1Ti涂层

3.4.2ZrB2涂层

3.5金属氧化物涂层

3.5.1Al203涂层

3.5.2ZrO涂层

3.5.3CrO涂层

3.5.4TiO2涂层

3.6其他硬质涂层、多层结构涂层及梯度涂层

参考文献

第4章超硬涂层

4.1金刚石涂层

4.1.1金刚石的晶体结构

4.1.2CVD金刚石涂层的性能及应用

4.1.3CVD全刚石涂层生长设备及工艺

4.1.4CVD金刚石涂层的形核和生长机理

4.1.5CVD金刚石涂层晶型显露规律

4.1.6大面积金刚石涂层的生长

4.1.7织构(高取向)金刚石涂层的生长

4.1.8金刚石涂层品质评价方法

4.2类全刚石(DLC)涂层

4.2.1类金刚石涂层的相结构

4.2.2类金刚石涂层的性能

4.2.3类金刚石涂层的制备方法和相关工艺

4.2.4类金刚石涂层的生长机理

4.2.5类金刚石涂层的质量评定和结构检测

4.2.6类金刚石涂层的应用领域

4.3立方氮化硼(cBN)涂层

4.3.1氮化硼的异构体

4.3.2立方氮化硼(c-BN)的正四面体结构

4.3.3立方氮化硼涂层的性能和应用前景

4.3.4立方氮化硼涂层的制备技术和相关工艺

4.3.5立方氮化硼涂层的生长机理

4.3.6立方氮化硼涂层的研究现状及面临的问题

4.4氮化碳CN涂层

4.4.1氮化碳CN的晶体结构

4.4.2氮化碳CN涂层的合成技术

4.4.3氮化碳CN涂层性能及应用前景

4.4.4小结

4.5硼碳氮(BCN)涂层

4.5.1硼碳氮(BCN)的结构

4.5.2硼碳氮(BCN)涂层的制备技术及相关工艺

4.5.3硼碳氮(BCN)涂层的性能及表征

4.6纳米多层结构涂层和纳米晶复合涂层

4.6.1纳米多层结构涂层

4.6.2纳米晶复合涂层

4.6.3纳米多层结构涂层和纳米晶复合涂层的界面

4.6.4小结

参考文献

第5章硬质与超硬涂层的增韧技术

5.1概述

5.2韧性相增韧

5.3纳米晶结构增韧

5.4成分或结构梯度增韧

5.5多层结构增韧

5.6碳纳米管增韧

5.7相变增韧

5.8压应力增韧

5.9复合增韧

5.10小结

参考文献

第6章硬质与超硬涂层的表征

6.1涂层厚度的测量方法

6.1.1光学测量法

6.1.2称重法

6.1.3石英晶体振荡仪法

6.1.4轮廓仪(触针)法

6.1.5断面测量法

6.1.6成分法

6.2涂层结构的表征方法

6.2.1扫描电子显微镜

6.2.2透射电子显微镜

6.2.3扫描隧道显微镜

6.2.4原子力显微镜

6.2.5X射线衍射方法

6.2.6低能电子衍射和反射式高能电子衍射

6.2.7红外吸收光谱和拉曼光谱

6.3涂层成分的表征方法

6.3.1电子探针显微分析

6.3.2X射线光电子能谱

6.3.3俄歇电子能谱

6.3.4二次离子质谱

6.3.5卢瑟福背散射技术

6.4涂层结合强度的表征方法

6.4.1划痕法

6.4.2压痕法

6.4.3刮剥法

6.4.4拉伸法

6.4.5抗剪强度检测法

6.4.6激光剥离法

6.4.7弯曲法

6.4.8其他测量方法

6.5涂层硬度表征方法

6.5.1显微硬度测试

6.5.2纳米压痕硬度测试

6.6涂层韧性测量

6.6.1弯曲法

6.6.2弯折法

6.6.3划痕法

6.6.4压痕法

6.6.5拉伸法

6.7涂层耐磨性表征方法

6.7.1磨损实验方法

6.7.2耐磨性的评价

6.8涂层耐腐蚀性能表征方法

6.8.1电化学表征法

6.8.2涂层高温氧化性能测量

参考文献