几种低维材料的制备、微结构与性能

论文摘要

当人们所熟知的块体材料至少有一维缩小到纳米尺度时，材料本身的性能，如电学、力学、光学、磁学以及化学性质便产生奇异的变化。因此低维材料的制备、微结构及其性能的研究一直是材料领域、凝聚态物理和材料化学等领域的前沿课题和研究热点。本文以多功能碳材料为代表，研究了零维热解碳球、一维纳米碳管以及碳的其它纳米结构的制备、微结构及其性能。二维材料选取了具有高导电性和低电迁移性的金属铜薄膜以及计算机硬盘用镍—磷非晶薄膜作为研究对象，研究了薄膜材料在单向和循环加载下的力学性能及其尺寸效应。 在不使用催化剂的条件下热解四氢呋喃，制备出表面光滑、圆整度高、球形度高、分散性好的实心碳球。同时研究选用芳香族化合物和具有介于芳香族和脂肪族化合物之间特征的液态化合物作为液体碳源，控制作为载气和稀释气体的种类、流量和混合比例，在不同的热解温度下合成出直径为100 nm～1 μm的热解碳球，并对这类碳球的微结构进行了系统的研究。研究表明：碳球的表面和心部分别具有两种不同的结构，碳球心部是由不发达的螺旋壳核心组成，其表面是不连续的略带弯曲的石墨烯碎片近似同心堆叠而成的结构。经2100℃石墨化处理后，心部不发达的螺旋结构转变成发达的螺旋壳结构，X射线衍射谱图在26.42°的肩膀头峰证实了心部特殊晶体结构的存在，热重分析和高分辨电镜观察证实了心部螺旋壳结构的存在，经2900℃高温石墨化处理后，螺旋壳核心转变成连续封闭的多面体次生壳，而碳球表面不连续的石墨烯碎片转变成不连续的多面体表面壳。通过热力学计算获得了碳球石墨化处理后发生微结构演化所遵循的尺寸效应，发现石墨化后转变的多面体壳距离核心越近，壳的厚度越薄；当碳球的半径大于临界半径时，碳球发生多面体转变在能量上是有利的，对于次生壳来说，任何尺寸的核心转变成六边形在能量上都是有利的。同时尝试将热解碳球及其石墨化后碳球作为锂离子电池负极材料进行了实际充放电实验，发现石墨化后的碳球有望作为锂离子电池负极材料使用。 通过对制备条件进行优化，选择原料液体中二茂铁最佳浓度为1.995wt％的乙醇溶液，通过流动催化法制备出被填充碳管比率高且管壁石墨化度高的管内填充一维铁单晶的纳米导线。从高分辨电镜像测量发现：管内填充的一维铁单晶纳米线的最密排面的晶面间距为0.198±0.001 nm，与公式计算的铁(101)面的面间距最为接近，同时X射线衍射分析结果也表明该铁单晶纳米线具有<101>晶体学方

论文目录

• 声明
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 零维／准零维材料—球形碳
• 1.2.1 与球形碳相关的碳的同素异构体
• 1.2.1.1 石墨烯
• 1.2.1.2 富勒烯
• 1.2.2 球形碳的分类与制备研究进展
• 1.2.2.1 笼碳与碳葱的发现与制备
• 1.2.2.2 碳球的制备
• 1.2.2.3 碳珠的制备
• 1.2.3 碳球的性质与潜在应用
• 1.2.3.1 在锂离子电池材料中的潜在应用
• 1.2.3.2 在其它方面的潜在应用
• 1.3 一维材料—纳米碳管
• 1.3.1 纳米碳管的独特结构定义
• 1.3.2 纳米碳管内填充物质的发现
• 1.3.3 纳米碳管内填充材料的制备方法
• 1.3.3.1 毛细管作用诱导填充
• 1.3.3.2 湿化学技术
• 1.3.3.3 熔盐电解法
• 1.3.3.4 电弧放电法
• 1.3.3.5 热解法
• 1.3.3.6 模板法
• 1.3.4 纳米碳管内填充外来材料的应用前景
• 1.3.5 纳米碳管的力学性能
• 1.3.5.1 纳米碳管的成键机制
• 1.3.5.2 纳米碳管力学性能的理论研究
• 1.3.5.3 纳米碳管力学性能的实验研究
• 1.3.5.4 纳米碳管力学性能的潜在应用
• 1.4 二维材料—金属薄膜
• 1.4.1 金属薄膜的制备
• 1.4.2 金属铜薄膜的力学性能
• 1.5 本研究的意义和内容
• 参考文献
• 第二章 一种热解碳球的制备、微结构与电池性能
• 2.1 引言
• 2.2 实验
• 2.2.1 实验原料
• 2.2.2 实验装置
• 2.2.3 制备方法的特点
• 2.2.4 制备过程
• 2.3 样品的表征与分析测试方法
• 2.3.1 样品的形貌观察方法
• 2.3.2 样品的微结构分析方法
• 2.4 样品的微观观察结果与讨论
• 2.4.1 形貌观察与成分
• 2.4.2 影响碳球尺寸的因素
• 2.4.2.1 碳源液体对碳球尺寸的影响
• 2.4.2.2 载气和稀释气体种类对碳球尺寸的影响
• 2.4.3 碳球的微结构研究
• 2.4.3.1 偏光显微镜观察
• 2.4.3.2 透射电子显微镜观察
• 2.4.3.3 高分辨电子显微镜观察
• 2.5 石墨化诱导的碳球微结构变化
• 2.5.1 电子显微镜观察与分析
• 2.5.2 热重分析
• 2.5.3 激光拉曼光谱分析
• 2.5.4 X射线衍射分析
• 2.5.5 碳球微结构变化的尺寸效应
• 2.5.5.1 多面体两个相邻晶面间夹角的确定
• 2.5.5.2 与热力学计算相关的微结构分析
• 2.5.5.3 碳球微结构变化尺寸效应的热力学计算
• 2.6 碳球作为锂离子电池负极材料的电池性能
• 2.6.1 碳球活性物质的电池组装
• 2.6.2 碳球的电池性能
• 2.7 小结
• 参考文献
• 第三章 纳米碳管内填充一维铁单晶纳米线
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.2.1 实验原料
• 3.2.2 实验装置与制备过程
• 3.2.3 制备方法的特点
• 3.3 样品的形貌观察与微结构分析手段
• 3.4 样品的宏／微观形貌观察、微结构与讨论
• 3.4.1 宏观及SEM观察与讨论
• 3.4.2 样品的TEM观察与讨论
• 3.4.3 样品的微结构表征与讨论
• 3.4.3.1 HRTEM观察与分析
• 3.4.3.2 X射线衍射分析
• 3.4.3.3 激光拉曼光谱分析
• 3.5 纳米碳管的填充机制
• 3.5.1 “熔并”机制
• 3.5.2 “退缩”机制
• 3.6 SiC纳米颗粒在基体法制备一维纳米导线中的作用
• 3.6.1 催化剂的制备
• 3.6.2 一维纳米导线的制备工艺参数
• 3.6.3 纳米碳管的分散性表征
• 3.7 小结
• 参考文献
• 第四章 碳的新型结构与氢氧根的作用
• 4.1 引言
• 4.2 实验
• 4.2.1 实验原料
• 4.2.2 实验装置与制备过程
• 4.2.3 制备方法的特点
• 4.2.4 样品的表征与分析方法
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 石墨条带
• 4.3.2 类齿痕物
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 单壁纳米碳管的制备、微结构与其捻制纤维的拉伸性能
• 5.1 引言
• 5.2 实验
• 5.2.1 样品的制备
• 5.2.1.1 单壁纳米碳管的制备
• 5.2.1.2 拉伸试样的制备
• 5.2.2 拉伸实验
• 5.2.2.1 拉伸实验设备
• 5.2.2.2 拉伸实验过程
• 5.2.3 样品的表征与分析测试方法
• 5.2.3.1 样品的形貌观察分析方法
• 5.2.3.2 样品的微结构表征与分析方法
• 5.3 实验结果与讨论
• 5.3.1 膜状样品的微观观察
• 5.3.1.1 扫描电子显微镜观察
• 5.3.1.2 高分辨电子显微镜观察
• 5.3.2 膜状样品的微结构分析
• 5.3.3 单壁纳米碳管膜样品的拉伸
• 5.3.3.1 捻制单壁纳米碳管膜样品
• 5.3.3.2 拉伸断裂过程与断口
• 5.3.3.3 拉伸强度与杨氏模量
• 5.4 小结
• 参考文献
• 第六章 超薄金属薄膜的拉伸与疲劳强度的研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验
• 6.2.1 铜薄膜样品的制备与表征方法
• 6.2.1.1 铜薄膜样品的制备
• 6.2.1.2 铜薄膜的表征方法
• 6.2.2 铜薄膜的力学性能实验方法
• 6.2.2.1 铜薄膜拉伸强度的测试
• 6.2.2.2 铜薄膜疲劳强度的测试
• 6.2.3 Ni-P薄膜的制备与力学性能实验方法
• 6.2.3.1 Ni-P非晶薄膜的制备
• 6.2.3.2 Ni-P非晶薄膜的强度的测试
• 6.3 铜薄膜的实验结果与讨论
• 6.3.1 铜薄膜的微观结构
• 6.3.2 铜薄膜的拉伸性能
• 6.3.2.1 聚酰亚胺基体的拉伸性能
• 6.3.2.2 超薄铜薄膜的拉伸性能
• 6.3.2.3 超薄铜薄膜拉伸强度的尺寸效应
• 6.3.3 铜薄膜的疲劳损伤行为与疲劳强度
• 6.3.3.1 亚微米厚铜薄膜的疲劳损伤行为
• 6.3.3.2 纳米厚铜薄膜的疲劳强度
• 6.3.3.3 铜薄膜疲劳行为的尺寸效应
• 6.4 Ni-P非晶薄膜的实验结果与讨论
• 6.4.1 Ni-P非晶薄膜的强度与尺寸效应
• 6.4.2 Ni-P非晶薄膜的纳米压痕表征
• 6.4.3 Ni-P非晶薄膜的强度与压入深度的关系
• 6.5 小结
• 参考文献
• 第七章 结论
• 7.1 论文的主要结论
• 7.2 本论文的主要创新点
• 7.3 今后工作设想
• 攻读博士学位期间发表的论文目录
• 致谢
• 作者简介