基于aao模板的碳基纳米材料的制备方法
阅读说明：本技术 基于aao模板的碳基纳米材料的制备方法 (Preparation method of carbon-based nano material based on AAO template ) 是由 吴立志 张文豪 曹金乐 常仕民 郭伟 于 2019-11-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于AAO模板的碳基纳米材料的制备方法。所述方法首先利用采用二次阳极氧化法制备高度有序的多孔氧化铝模板,然后采用化学气相沉积技术在多孔氧化铝模板孔内沉积碳纳米材料,得到基于AAO模板的碳基纳米材料。本发明制得的材料在近红外波段的平均反射率为15.2％,有效提高了碳基纳米材料的激光利用率。(The invention discloses a preparation method of a carbon-based nano material based on an AAO template. The method comprises the steps of firstly preparing a highly ordered porous alumina template by adopting a secondary anodic oxidation method, and then depositing a carbon nano material in pores of the porous alumina template by adopting a chemical vapor deposition technology to obtain the carbon-based nano material based on the AAO template. The average reflectivity of the material prepared by the method in the near infrared band is 15.2%, and the laser utilization rate of the carbon-based nano material is effectively improved.)
技术领域
本发明属于激光材料技术领域，涉及一种基于多孔氧化铝(AAO)模板的碳基纳米材料的制备方法。
背景技术
由于目前激光与材料的能量耦合效率较低，为了获得最优的能量利用效率同时控制工程样机的体积，往往要求以最低的能量输入获得最高的能量输出，这就要求激光致等离子体的能量转化效率至关重要。在激光与物质的相互作用过程中，辐照到材料表面的激光一部分被材料吸收，而另一部分被材料反射和透射，材料将吸收的激光能量转化为热能，使材料表面瞬间熔化、蒸发、电离，最终产生高能量密度的等离子体微团。因此，激光与物质的相互作用实际上就是激光与等离子体的相互作用，这就使得具有高光吸收率表面的金属/非金属功能材料在激光应用领域具有重要的潜在应用价值，是提高激光诱导等离子体的能量转化效率的理想材料。
文献1(激光诱导多孔阳极氧化铝等离子体的特性[J].中国激光,2019,46(02):271-277.)采用电化学法制备了多孔氧化铝模板，在近红外波段平均反射率约60％。文献2(Precisely Controlled Reactive MultilayerFilms with Excellent EnergyReleaseProperty for Laser-Induced Ignition[J].NanoscaleReacher Letter.(2019)14:3 01)采用磁控溅射法制备了TiO2/Al，MnO2/Al，CuO/Al三种飞片，在近红外波段平均反射率分别约为72％，62％，65％。因此，现有的材料在近红外波段平均反射率还比较高，激光利用率仍有待提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高激光利用率的基于AAO模板的碳基纳米材料的制备方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：
基于AAO模板的碳基纳米材料的制备方法，先利用二次阳极氧化法制备高度有序的多孔氧化铝模板，然后采用化学气相沉积技术(CVD)在多孔氧化铝模板孔内沉积碳纳米材料，最终获得基于AAO模板的碳基纳米材料，具体步骤如下：
步骤(1)，对纯度99.999％(5N)的铝片进行切片、清洗、退火、抛光预处理；
步骤(2)，对预处理后的铝片进行一次阳极氧化；
步骤(3)，将一次阳极氧化后的铝片浸泡在5～6wt％H3PO4和1.5～4wt％CrO3的混合溶液中，浸泡温度为60～70℃，时间30～40min，溶解氧化层，该步骤通过溶解部分氧化层，使二次氧化得到的多孔分布更均匀；
步骤(4)，对溶解部分氧化层后的抛光铝片进行二次氧化，制备高度有序的AAO模板；
步骤(5)，将二次氧化后的铝片浸泡在5～6wt％H3PO4溶液中，浸泡温度为30～35℃，时间30～32min，对步骤(4)制备的AAO模板扩孔，得到孔径大小一致的AAO模板，更好的沉积碳纳米材料；
步骤(6)，采用化学气相沉积技术(CVD)在步骤(5)制备的AAO模板沉积碳纳米材料：在真空条件下，将步骤(5)制备的AAO模板置于管式炉中，先升温至450℃，通入Ar；然后升温至500～600℃时，通入H2，继续升温至600～650℃时，通入C2H2，其中Ar流量为360～400SCCM，H2流量为55～60SCCM，C2H2流量为110～120SCCM，调节真空泵阀门维持管内气压45～50kPa，反应时间60～70min。
步骤(2)和(4)中，采用的阳极氧化电解液为本领域常规使用的电解液，可以选自磷酸电解液、草酸电解液或硫酸电解液。采用磷酸电解液时，电解液的浓度为0.2～0.6mol/L，温度在0～2℃，氧化电压45～80V，时间10～20min。采用草酸电解液时，电解液的浓度为0.2～0.6mol/L，温度在0～2℃，氧化电压30～50V，时间10～20min。采用硫酸电解液，电解液的浓度为0.2～0.6mol/L，温度在0～2℃，氧化电压10～25V，时间10～20min。
优选地，步骤(6)中，升温速度为10℃/min。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)采用二次阳极氧化法制备AAO模板，得到具有高的长径比、大小均一的孔径和好的排列方向性的铝片；
(2)采用化学气相沉积技术反应可控，装置简单，无需使用催化剂，可以制备尺寸均匀，取向一致，纯度高的碳纳米材料。
(3)本发明制备的基于AAO模板的碳基纳米材料在近红外波段范围内(900nm～1700nm)光的平均反射率为15.2％，大大提高了激光吸收率，是提高激光诱导等离子体的能量转化效率的理想材料。
附图说明
图1为本发明制备方法的流程示意图。
图2为实施例1制备的基于AAO模板的碳基纳米材料断面SEM图。
图3为对比例1制备的基于AAO模板的碳基纳米材料断面SEM图。
图4为制备的基于AAO模板的碳基纳米材料在近红外波段反射率测试结果图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步详述。
结合图1，本发明制备方法的工艺流程如下：
1.选用纯度99.999％(5N)的铝片，厚度为0.50mm，进行预处理。过程主要分为铝片的清洗、退火、抛光处理。
2.对抛光处理后的铝片进行一次氧化(稳压氧化)，采用浓度0.2～0.6mol/L的磷酸电解液，温度在0～2℃，氧化电压45～80V，时间10～20min；或采用0.2～0.6mol/L的草酸电解液，温度在0～2℃，氧化电压30～50V，时间10～20min；或采用0.2～0.6mol/L的硫酸电解液，温度在0～2℃，氧化电压10～25V，时间10～20min。
3.将一次氧化的抛光铝片置于5～6wt％H3PO4和1.5～4wt％CrO4的混合溶液中，温度在70℃，时间30min，溶解部分Al2O3薄层。
4.接着进行二次阳极氧化，氧化条件与一次氧化条件相同。
5.将二次氧化的抛光铝片置于5～6wt％H3PO4溶液中，温度在30～35℃，时间30～32min，进行扩孔。
6.采用CVD法在多孔氧化铝模板沉积了碳纳米材料。首先，将上述步骤的多孔氧化铝模板放置瓷舟中并推至刚玉管的中部，刚玉管管口用不锈钢法兰封闭。通过真空泵将管内抽真空，随后以10℃/min的升温速率将炉温升至700℃。当炉温升到450℃，通入Ar；升到500～600℃时，通入H2，升到600～650℃时，通入C2H2。通过调节流量计，使Ar流量为360～400SCCM，H2流量为55～60SCCM，C2H2流量为110～120SCCM，调节真空泵阀门维持管内气压45～50kPa，反应时间60～70min。
实施例1
基于AAO模板的碳基纳米材料的制备方法如下：
1.选用纯度99.999％(5N)的铝片，厚度为0.50mm，进行预处理。过程主要分为铝片的清洗、退火、电化学抛光处理；
2.对抛光处理后的铝片进行一次阳极氧化，采用浓度0.3mol/L的草酸为电解液，温度在0～2℃，氧化电压45V，时间15min；
3.将一次氧化的铝片置于6wt％H3PO4和1.8wt％CrO4的混合溶液中，温度为70℃，时间30min，溶解部分Al2O3薄层；
4.接着进行二次阳极氧化，氧化条件与一次氧化条件相同；
5.将二次氧化的抛光铝片置于6wt％H3PO4溶液中，温度保持在30℃，时间32min，进行扩孔，得到孔径大小一致，分布均匀的AAO模板；
6.将上述步骤的多孔氧化铝模板放置瓷舟中并推至刚玉管的中部，刚玉管管口用不锈钢法兰封闭。通过真空泵将管内抽真空，随后以10℃/min的升温速率将炉温升至700℃。当炉温升到450℃，通入Ar；升到500～600℃时，通入H2，升到600～650℃时，通入C2H2。通过调节流量计，使Ar流量为400SCCM，H2流量为60SCCM，C2H2流量为120SCCM，调节真空泵阀门维持管内气压50kPa，反应时间60min。所得产物的断面图如图2所示。
对比例1
本对比例与实施例1基本相同，唯一不同的步骤6中，当炉温升到500℃，通入Ar；升到550～650℃时，通入H2，升到650～700℃时，通入C2H2。所得产物的断面图如图3所示。
从图2可以看出实施例1制得的碳纳米材料沿着AAO模板沉积，碳纳米材料尺寸均匀，取向一致。从图3可以看出，对比例1沉积的碳纳米材料受到破坏，不完整，取向不一致，不均匀。从图4可以看出，经近红外光谱仪测试系统测试后，实施例1的样品在近红外波段(900nm～1700nm)平均反射率为15.2％，而对比例1的样品在近红外波段(900nm～1700nm)平均反射率为24.6％，相比之下，实施例1的样品更能有效提高激光利用率。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：具有硬质涂层保护的晶硅微针及其制备方法