碳纳米管应用于微纳器件及复合材料的研究

作     者：徐靓 

作者单位：华东理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：涂善东

授予年度：2014年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：碳纳米管制备 微纳器件 铝基复合材料 高温拉伸 热传导 

摘      要：碳纳米管具有许多特殊物理和化学性能。利用其电学性能制作微纳电子器件和综合利用其力学、热学和化学性能制造复合材料是目前最为典型的应用。 在微纳级电子器件的应用方面,其一体化的设计对于碳纳米管的制备有很大的难度。在复合材料的应用方面,如何突破使用温度的限制,提高综合力学性能和导热性能,仍有许多挑战。 针对上述问题,本文从微纳元件、材料乃至设备的多个尺度开展设计与制造问题的研究,所进行的探索性工作和主要结论如下： (1)采用等离子体化学气相沉淀法制备竖直生长的碳纳米管,研究不同基体层、阻隔层材料、催化剂颗粒大小、填埋层厚度等因素对碳纳米管生长的影响。当采用HRSi/2μm SiO2/50nm TiW作为基体材料、TiN作为阻隔层材料、Ni催化剂颗粒直径取为100-200nm、Cu填埋层厚度取20nm时,碳纳米管的生长结果较为理想。 (2)对NH3气供应量和预热时间两项生长参数进行调控,将NH3气供应量从300sccm增加至360sccm、将预热时间从3min延长至4.5min,能够对碳纳米管在微纳开关器件中的竖直生长进行逐步优化,制备得到基本符合设计需求的微纳开关器件。 (3)对碳纳米管改性的新型铝基复合材料进行高温拉伸试验,并与铝合金的抗拉强度进行对比。结果表明由于碳纳米管作为增强体,在300℃的高温下,复合材料的抗拉强度为150MPa,是相应温度下铝合金抗拉强度的3.5倍。基于代表体积单元(RVE)模型,采用有限元分析软件对碳纳米管改性铝基复合材料的弹性模量进行计算,通过分析得到其弹性模量为73.1GPa,与试验结果基本相符。 (4)采用闪光法测量了碳纳米管增强铝基复合材料的导热性能,测得常温下导热系数为332.786W/(m-K),并采用代表体积单元(RVE)模型进行了模拟,模拟分析得到的导热系数,与试验结果较为接近。 (5)将碳纳米管增强铝基复合材料运用于高温小型回热器的设计中,基于计算流体力学方法模拟分析该回热器的传热与阻力性能,并与同工况不锈钢制回热器进行对比,在保持良好的综合换热性能的同时,可以降低65.3%的回热器重量。