非平衡等离子合成CNT/TiC强化多孔材料的结构研究

Porous TiC matrix composites have great prospects of applications in environmental protection, petrochemical industry, medicine and food industries due to their excellent properties of wear resistance, corrosion resistance, heat resistance and catalytic Properties. However, the low toughness and high brittleness limits the application of TiC ceramics, especialy in porous TiC with high porosity and thin walls. In this proposal, nano-TiC particles could be formed in the surfaces of multi-wall carbon nanotubes(MWCNT) at unequilibrium conditions by plasma heating. Thus, the MWCNT/TiC can strengthen and toughen the pore walls, i.e. skeletons of porous TiC matrix composites. The nano TiC layer by in-situ synthesising can effectively improve the interface bonding characters between CNT and TiC matrix. And porous TiC matrix composites are prepared by powder reactions initiated by plasma. Pores are formed during the reaction process simultaneiously. The research focuses the influences of plasma on the MWCNT surface modification and its impact on the interface structure of MWCNT/TiC, and the effects of MWCNT on microstructures,pore structures and surface morphology in small space during the porous TiC matrix composites synthesized at unequilibrium plasma heating conditions. The intention of this project is to explore appropriate interfacial structure and effective techniques to prepare porous composite ceramics reinforced by CNT and with excellent properties and multifunctions.

TiC基多孔复合材料具有耐磨、耐蚀、耐热和一定催化性能，在环保、石化、医药、食品等领域有巨大应用前景，然而TiC等陶瓷材料韧性低、脆性大，在制成高孔隙率的多孔材料时因为孔洞壁薄，这种局限性更加突出。本研究提出利用等离子非平衡加热，在多壁碳纳米管（MWCNT）表面合成纳米TiC，利用MWCNT/TiC对TiC基多孔复合材料的骨架- - "墙壁"补强、增韧，合成的纳米TiC层有效改善CNT与基体的界面结合；同时依靠等离子束引发反应，合成TiC基多孔复合材料，材料中的孔洞伴随反应过程产生。着重研究等离子束对MWCNT表面改性及其对MWCNT/TiC界面结构的影响，分析在多孔TiC复合材料的孔洞小空间内，非平衡等离子加热以及大量MWCNT对反应合成多孔复合材料组织结构、孔结构及表面结构的影响，探索碳纳米管强化陶瓷复合材料的有效界面结构及方法，为获得高性能、多功能的结构功能一体化多孔复合材料。

高性能多孔复合材料在汽车、环保、石化、药材、食品等领域的关键核心部件中有重要应用，是减排、降耗、节材的重要基础和保障。TiC-TiB2基多孔复合材料有韧性低、脆性大、孔壁易断裂等缺点，导致其在服役过程中过早失效，造成污染和材料浪费。本课题针对国内外多孔过滤体、催化剂载体综合性能不足的现状，开发了高能柔性等离子束及等离子设备，利用常压直流等离子体原位合成TiC-TiB2及TiC-TiB2-NiAl等多个体系多孔材料，得到的多孔材料孔分布均匀、孔型及孔结构可控；通过可控制备碳纳米管（CNTs）并对其进行改性和分散处理，得到分散性好、表面活性高的CNTs；以部分CNTs为碳源，合成了TiB2-TiC(CNTs)、TiC(CNTs)-NiAl、TiB2-TiC(CNTs)-NiAl、Ti2AlC-TiC(CNTs)-TiAl等多个体系多孔复合材料，均匀分散的CNTs有效细化了复合材料晶粒，以部分CNTs表面的缺陷为核心，通过原位反应生成纳米TiC晶粒，获得CNT/纳米TiC界面，在碳纳米管和TiC基体材料之间起到强力结合作用；类比于CNTs在多孔复合材料基体中起到的锚固和协同增强增韧效果，课题同时扩展研究了SiC晶须、TiB晶须等纤维材料对TiC-TiB2、Al2TiO5等多孔材料的增强增韧作用。研究表明，CNTs等纤维增强体的引入不仅提高了多孔材料的硬度、强度等力学性能，同时对多孔复合材料的孔径、孔结构有较大影响，对材料的NO的催化转化效果、光催化性能、热稳定性等具有明显的增益效果，从而实现多孔材料的结构功能一体化。课题开展过程中共发表SCI、EI收录论文37篇，获授权发明专利8项，申请发明专利5项，获得山东省技术发明一等奖1项，培养博士后1名、博士研究生3名、硕士研究生18名。相关研究成果对于丰富多孔材料理论及技术，扩大多孔材料应用，推动工业废气和废液治理，对于机动车尾气排放控制技术发展，对于减排、降耗等具有重要意义。