碳纳米管多维多尺度杂化结构的可控制备和形成机理研究

论文摘要

碳纳米管（CNTs）由于其独特的准一维结构和优越的物理化学特性,在很多方面都有着巨大的潜在应用。在碳纳米管的诸多应用中,将其用于加强复合材料的性能或制备多功能复合材料方面具有很大的优势,并且可以很快的实现工业化应用。但在制备碳纳米管基聚合物复合材料时,由于碳纳米管纳米级的表面特征和易于弯曲缠绕的特点,使得碳管在聚合物中不易分散,这大大影响了复合材料的性能。为了解决碳管的分散性问题同时又不破坏其本身结构,我们设计了一种基于碳纳米管的多维多尺度复合杂化结构,这种复合杂化结构不但可以在微米尺度自组装碳管,解决其分散性的问题,而且还具有很多其它的优点。多维多尺度杂化结构中碳管的形貌和结构对其改性的复合材料性能有着重要影响,因此,我们对反应条件和载体性质共同塑造杂化结构的机理进行了研究,实现了多维多尺度杂化结构中碳管形貌和组织模式的可控制备。此外,我们还将几种特殊结构杂化粒子用于复合材料中,研究了杂化粒子的引入对复合材料性能的影响以及相应的结构-性能关系。本论文的主要工作如下：（1）对制备杂化结构过程中涉及到的几种碳氢化合物的化学气相沉积过程进行了实验研究。分别研究了反应条件对碳氢化合物热裂解以及催化剂与载体的相互作用对碳氢化合物催化裂解过程的影响。结果表明：H2对不同碳氢化合物热裂解有着不同的作用,而且几种碳氢化合物的成碳机理也不尽相同,但其成碳过程中都会有C6H6产生。（2）对基于A1203微球颗粒的CNTs/Al2O3多尺度杂化粒子的可控制备和形成机理进行了研究。制备了三种不同结构的杂化粒子,研究了反应条件和微球颗粒的表面性质对杂化粒子形貌和结构的影响以及各种结构的形成机理。制备了堆栈结构的CNTs/Al2O3纳微米杂化粒子,准原位的研究碳管的生长过程以及堆栈结构中界面的形成机理。将制备的CNTs/Al2O3杂化粒子用于改性水性聚氨酯/丙烯酸酯涂料（PUs）涂料,可使PUs涂料的导电、导热和硬度等多方面的性能得到加强,这种CNTs/Al2O3-PUs复合涂料在航空航天等领域有着重要的应用前景。（3）对基于板状SiC颗粒的CNTs/SiC多尺度杂化粒子的可控制备和形成机理进行了研究。制备了两种不同结构的杂化粒子,研究了反应条件和板状颗粒的表面性质对杂化粒子形貌和结构的影响以及各种结构的形成机理。将制备的杂化粒子用于改性聚偏氟乙烯（PVDF）聚合物复合材料,研究CNTs/SiC-PVDF复合材料的电学和热学性能,结果表明：杂化粒子的引入可有效的提高复合材料的电学和热学性能,并使其性能具有各向异性的特点,通过改变杂化粒子的含量可以调节此各向异性的差异。对复合材料结构性能关系进行研究表明：在微米范围自组织的CNTs/SiC杂化粒子,可以通过特殊制备的过程,使其在复合材料里宏观取向排列,在水平和垂直方向上形成了不同类型的导通网络,这种导通网络的差异决定了不同方向上性能的差异。（4）对基于石墨烯（GNs）的CNTs/GNs多维杂化结构的可控制备和形成机理进行了研究。研究了石墨烯的比表面积和反应条件对此多维杂化结构的影响,得到了制备CNTs/GNs多维杂化结构的最佳实验条件。这种CNTs/GNs多维杂化结构可以有效的防止GNs在复合材料里的聚集和堆栈,使得其在改性锂离子电池负极材料和多功能复合材料领域有着潜在的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 碳纳米管简介
• 1.2.1 碳纳米管的结构
• 1.2.2 碳纳米管的性质
• 1.2.3 碳纳米管的应用
• 1.3 碳纳米管的制备及相应的生长机理
• 1.3.1 电弧放电法
• 1.3.2 激光消融法
• 1.3.3 化学气相沉积法
• 1.3.4 CVD法制备碳纳米管的生长机理
• 1.4 基于碳纳米管的复合杂化结构材料
• 1.5 本论文选题的目的和意义
• 第二章 碳氢化合物化学气相沉积过程的实验研究
• 2.1 实验部分
• 2.1.1 实验材料
• 2.1.2 实验仪器装置和CVD过程简介
• 2.1.3 表征方法简介
• 2.2 碳氢化合物热裂解过程的实验研究
• 2.2.1 乙炔的热裂解
• 2.2.2 二甲苯的热裂解
• 2.2.3 甲苯的热裂解
• 2.3 碳氢化合物催化裂解过程的实验研究
• 2.3.1 二茂铁的引入对乙炔裂解的影响
• 2O₃的同时引入对乙炔裂解的影响'>2.3.2 二茂铁和Al₂O₃的同时引入对乙炔裂解的影响
• 2.3.3 乙炔和二甲苯混合碳源的催化裂解
• 2.3.4 二茂铁的裂解及乙炔对其裂解的影响
• 2.4 本章小结
• 2O₃微球纳微米多尺度杂化结构的可控制备和形成机理'>第三章 CNTs和Al₂O₃微球纳微米多尺度杂化结构的可控制备和形成机理
• 2O₃纳微米杂化粒子'>3.1 CNTs/Al₂O₃纳微米杂化粒子
• 2O₃杂化粒子形貌和组织模式的影响'>3.1.1 温度对CNTs/Al₂O₃杂化粒子形貌和组织模式的影响
• 2比例对CNTs/Al₂O₃杂化粒子形貌和组织模式的影响'>3.1.2 H₂比例对CNTs/Al₂O₃杂化粒子形貌和组织模式的影响
• 2O₃纳微米杂化粒子的形成机理'>3.1.3 CNTs/Al₂O₃纳微米杂化粒子的形成机理
• 2O₃纳微米杂化粒子'>3.2 堆栈状CNTs/Al₂O₃纳微米杂化粒子
• 2O₃纳微米杂化粒子的制备和形成模式'>3.2.1 堆栈状CNTs/Al₂O₃纳微米杂化粒子的制备和形成模式
• 2O₃纳微米杂化粒子的形成机理'>3.2.2 堆栈状CNTs/Al₂O₃纳微米杂化粒子的形成机理
• 2O₃纳微米杂化粒子'>3.2.3 特殊结构的CNTs/Al₂O₃纳微米杂化粒子
• 2O₃纳微米杂化粒子的应用'>3.3 CNTs/Al₂O₃纳微米杂化粒子的应用
• 2O₃-PUs涂料薄膜的表面形貌'>3.3.1 CNTs/Al₂O₃-PUs涂料薄膜的表面形貌
• 2O₃-PUs涂料薄膜的导电特性'>3.3.2 CNTs/Al₂O₃-PUs涂料薄膜的导电特性
• 2O₃-PUs涂料薄膜的表面硬度'>3.3.3 CNTs/Al₂O₃-PUs涂料薄膜的表面硬度
• 2O₃-PUs涂料薄膜的导热特性'>3.3.4 CNTs/Al₂O₃-PUs涂料薄膜的导热特性
• 3.4 本章小结
• 第四章 CNTs和板状SiC颗粒纳微米多尺度杂化结构的可控制备和形成机理
• 4.1 反应条件对CNTs/SiC杂化结构的影响
• 4.1.1 反应温度的影响
• 2比例的影响'>4.1.2 H₂比例的影响
• 4.1.3 催化剂前驱体溶液浓度的影响
• 2H₂流速的影响'>4.1.4 碳源C₂H₂流速的影响
• 4.2 载体的表面性质对CNTs/SiC杂化结构的影响和作用机理
• 4.2.1 SiC表面特性与"单枝状"结构杂化粒子的关系
• 4.2.2 "多枝状"结构杂化粒子的形成机理
• 4.3 CNTs/SiC多尺度纳微米杂化粒子的应用
• 4.3.1 CNTs/SiC纳微米杂化粒子改性PVDF复合材料的制备
• 4.3.2 CNTs/SiC-PVDF复合材料的电学性能
• 4.3.3 CNTs/SiC-PVDF复合材料的热学性能
• 4.3.4 CNTs/SiC-PVDF复合材料的结构-性能关系
• 4.4 本章小结
• 第五章 CNTs和石墨烯1D/2D多维杂化结构的可控制备和形成机理
• 5.1 石墨烯的制备
• 5.1.1 石墨烯制备的实验过程
• 5.1.2 石墨烯样品的表征
• 5.2 CNTs/GNs多维杂化结构的制备
• 5.2.1 GNs本身结构的影响
• 2比例的影响'>5.2.2 H₂比例的影响
• 5.2.3 温度的影响
• 5.3 本章小结
• 总结
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 作者简介