一种检测金属基碳纳米复合材料中增强材料含量的方法与流程

本发明涉及金属基碳纳米复合材料的技术领域，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。

背景技术：

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.Rao and G.Sundararajan,Sci Rep,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.Forslund and J.Pan,ACS Appl Mater Interfaces,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.Chen and G.Ding,Microelectron Eng,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,and M.Endo,Cu–MWCNT Composite Films Fabricated by Electrodeposition.Journal of The Electrochemical Society,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.,et al.,Effects of surfactants on electrodeposition of nickel-carbon nanotubes composite coatings.Surface and Coatings Technology,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(Liu C,Su F,Liang J.Producing cobalt–graphene composite coating by pulse electrodeposition with excellent wear and corrosion resistance[J].Applied Surface Science,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。

技术实现要素：

本发明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。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

(1)采用电化学沉积(电镀)工艺制备金属基碳纳米复合材料。主要包括电解液的配制、电化学沉积参数的控制等。

(2)将金属基碳纳米复合材料试样加工成粉末；采用高频红外碳硫分析仪测定复合材料中的碳含量，也就是获得复合材料中的碳纳米增强材料的含量。

具体技术方案如下：

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，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。

所述的金属基碳纳米复合材料为铜、锡、镍、锌、钴、镉、金、银、铬中的一种或两种的合金与碳纳米增强材料形成的复合材料。

所述的合金为银钴合金、镍钴合金、镍钼合金、镍锌合金、镍磷合金、镍钨合金、铜锡合金、铜锌合金、铜镍合金、钴铜合金、钴钼合金、钴钨合金中的一种。

所述的碳纳米增强材料为C₆₀、碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯、炭黑中的一种或几种。

所述的碳纳米管为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管。

所述的石墨烯为氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、石墨烯或掺杂石墨烯。

所述的沉积法为直流电沉积、脉冲电沉积或化学沉积。

仪器的分析时间设定为20～40秒，比较水平设定为1。

钢铁标样的含碳量为0.0500wt％-1.0000wt％。

碳硫分析仪的工作原理是：载气(氧气)经过净化后，导入燃烧炉(电阻炉或高频炉)，样品在燃烧炉高温下通过氧气氧化，使得样品中的碳和硫氧化为CO₂、CO和SO₂，所生成的氧化物通过除尘和除水净化装置后被氧气载入到硫检测池测定硫。此后，含有CO₂、CO、SO₂和O₂的混合气体一并进入到加热的催化剂炉中，在催化剂炉中经过催化转换CO→CO₂，SO₂→SO₃，这种混合气体进入到除硫试剂管后，导入碳检测池测定碳。残余气体由分析器排放到室外。该仪器可有效检测ppm级的碳硫含量。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明可以直接、准确地测量金属基碳纳米复合材料中的碳含量(也就是获得复合材料中的碳纳米增强材料的含量)，尤其对于电化学沉积(电镀)法制备的碳纳米增强材料含量含很低的复合材料；

(2)本发明操作简单、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。

附图说明

图1为实施例1所用的样品的SEM照片；图1(a)为氧化石墨烯的SEM图；图1(b)为铜基石墨烯复合材料薄膜(HCl+FeCl₃腐蚀剂)的SEM图；图1(c)为图1(b)对应的高倍图；图1(d)为纯铜薄膜(HCl+FeCl₃腐蚀剂)的SEM图。

图2为实施例1制备的铜基石墨烯复合材料中石墨烯增强材料含量与电解液中氧化石墨烯(GO)浓度的关系曲线。

图3为实施例1制备的铜基石墨烯复合材料的纳米压痕测试结果；图3(a)为应力-位移曲线；图3(b)为图3(a)的局部放大图；图3(c)为材料弹性模量与电解液中GO含量的关系曲线；图3(d)为材料硬度与电解液中GO含量的关系曲线。

图4为实施例1制备的铜基石墨烯复合材料的拉伸试验测试结果；图4(a)为应力-应变曲线；图4(b)为材料拉伸强度与电解液中GO含量的关系曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步阐述，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之内。

仪器：电化学沉积设备一套(包含电源、电解槽、阴阳极板等)，高频红外碳硫分析仪一套(包含：高频炉系统、气路系统、电路系统、检测系统等)。

试剂：氧气、氮气、纯铁粉、锡粉、钨粉、钢铁标样、待测样品等。

实验步骤：

(1)调试检查仪器，使仪器出于正常稳定状态，并将仪器的分析时间定为20～40秒，比较水平设定为1；

(2)称取含碳量在(0.0500％—1.0000％)范围内的一种钢铁标样物质，将助熔剂和标样以一定的加入量和加入顺序置于预先处理过的坩埚中，重复测定十一次(允许剔除1至2个双方认可的异常值)，按下式计算标准偏差及相对标准偏差。

式中：δ_x——标准偏差，(％)；

n——测定次数；

χ_i——第i次测量值，(％)；

——n次测量算术平均值，(％)；

δ_XR——相对标准偏差，(％)

要求相对标准偏差δ_XR满足：C≤0.5％，S≤1.0％。

(3)在电解液中加入碳纳米增强材料，采用沉积法制备金属基碳纳米复合材料；准确称量金属基碳纳米复合材料粉末试样，精确到0.0001g，以试样替换钢铁标样，采用与步骤(2)相同的条件、程序、操作进行测量，得到金属基碳纳米复合材料中的碳含量，也就是获得复合材料中的碳纳米增强材料的含量。

结合应用实例对本发明作进一步说明如下：

实施例1

将直流电沉积法制备的铜基石墨烯复合材料加工成粉末，过200目筛孔，校准仪器后，称取0.1000g钢铁标样，置于预先处理过的并铺有0.4g纯铁粉坩埚中，再覆盖上0.3g锡粉和1.5g钨粉，作为碳标准系列。然后测量配制的碳的标准系列，每次测量前均要手动输入0.1000g的称样量，检查校准后的线性关系，如必要，还可进一步校准工作曲线。准确称量0.1000g铜基石墨烯复合材料代替钢铁标样，测量10次，得到铜基石墨烯复合材料中的碳(石墨烯增强材料)含量。

实施例2

碳的标准系列测定同实施例1。将化学沉积法制备的铜基碳纳米管复合材料加工成粉末，过300目筛孔，校准仪器后，称取0.05g铜基碳纳米管复合材料，置于铺有0.3g纯铁粉的坩埚中，再覆盖上0.2g锡粉和1.0g钨粉，测量15次，得到铜基碳纳米管复合材料中的碳(碳纳米管增强材料)含量。

实施例3

碳的标准系列测定同实施例1。将脉冲电沉积法制备镍基石墨烯复合材料加工成粉末，过200目筛孔，校准仪器后，称取0.05g镍基石墨烯复合材料，置于铺有0.3g纯铁粉的坩埚中，再覆盖上0.2g锡粉和1.0g钨粉，测量10次，得到镍基石墨烯复合材料中的碳(石墨烯增强材料)含量。

实施例4

碳的标准系列测定同实施例1。将脉冲电沉积法制备的锌镍合金基石墨烯复合材料加工成粉末，过300目筛孔，校准仪器后，称取0.0500g锌镍合金基石墨烯复合材料，置于铺有0.3g纯铁粉的坩埚中，再覆盖上0.2g锡粉和1.0g钨粉，测量10次，得到锌镍合金基石墨烯复合材料中的碳(石墨烯增强材料)含量。

实施例5

碳的标准系列测定同实施例1。将脉冲电沉积法制备的锡镍合金基碳纳米管复合材料加工成粉末，过300目筛孔，校准仪器后，称取0.0500g锡镍合金基碳纳米管复合材料，置于铺有0.3g纯铁粉的坩埚中，再覆盖上0.2g锡粉和1.0g钨粉，测量10次，得到锡镍合金基碳纳米管复合材料中的碳(碳纳米管增强材料)含量。

实施例6

碳的标准系列测定同实施例1。将直流电沉积法制备的锌基碳纳米管复合材料加工成粉末，过300目筛孔，校准仪器后，称取0.0500g锌基碳纳米管复合材料，置于铺有0.3g纯铁粉的坩埚中，再覆盖上0.2g锡粉和1.0g钨粉，测量10次，得到锌基碳纳米管复合材料中的碳(碳纳米管增强材料)含量。

实施例7

碳的标准系列测定同实施例1。将脉冲电沉积法制备的钴基石墨烯复合材料加工成粉末，过300目筛孔，校准仪器后，称取0.0500g钴基石墨烯复合材料，置于铺有0.3g纯铁粉的坩埚中，再覆盖上0.2g锡粉和1.0g钨粉，测量10次，得到钴基石墨烯复合材料中的碳(石墨烯增强材料)含量。

表1为各种金属/碳纳米材料中碳含量(质量分数)的测定结果，取平均值。

从上表可以看出，本方法测定的金属基碳纳米材料中的碳含量准确、精确，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。