炭纤维表面化学气相沉积制备碳纳米管及其机理研究

论文摘要

随着材料科学科技的发展，复合材料的应用已经深入到我们现代社会的各个领域。炭纤维增强复合材料作为近些年来发展的一种高性能结构材料，被大量应用在航空航天等尖端科技领域。碳纳米管（Carbon nanotubes, CNTs）具有各方面的优异性能，用其原位复合炭纤维（Carbon fiber）可以制得比传统复合材料性能更优异的纳米复合材料。本文采用化学气相沉积（Chemical vapor deposition, CVD）法，采用丙烯和乙炔为碳源，用镍作为催化剂，在CFs表面原位生长CNTs。讨论了CVD工艺及催化剂对CNTs生长的影响，并对生长机理做了一定程度的分析。本文首次探究了在CF表面定向生长CNTs。1)采用电镀的方法在炭纤维表面制备镍催化剂颗粒。研究了不同镀镍时间对镀镍层的影响，分析了镀镍层的形貌、生长方式和生长机理等。当电镀时间为510min时，能在炭纤维表面沉积较均匀的催化剂颗粒，且尺寸比较适宜，而且在催化裂解丙烯和乙炔时表现出较好的活性，能在炭纤维表面催化生长出碳纳米管。2)催化剂颗粒在CNTs的生长过程中起到了关键的作用。电镀镍过程中，Ni最初以Frank-van der Merwe （F-M）模式生长，金属镍颗粒先在CF表面能量合适的位置沉积，形成细小微晶；之后，随着电镀时间的延长，镍催化剂颗粒逐渐增加聚集，形成岛状晶。由于预处理后的CFs表面的特殊形貌，从而诱导Ni催化剂颗粒形成树枝微晶，在CVD生长CNTs的过程中起到了至关重要的作用。3)采用CVD法在CFs表面原位生长CNTs。分别以丙烯和乙炔为碳源，讨论了催化剂状态、沉积温度和反应时间等工艺参数对CNTs生长的影响。当以丙烯为碳源时，采用电镀时间为5min的试样，沉积温度为900℃，反应时间为4h，C3H6,H2,N2流量分别为30、200和400ml/min时，得到的CNTs较理想。以乙炔为碳源时，反应温度为650℃，沉积时间15min，各气体流量为乙炔/氢气/氮气=30/400/400sccm时，能获得表面比较光滑的CNTs。4)通过对催化剂颗粒的长成机制及CVD过程中各因素对CNTs生长产生的影响的分析，提出了本实验CVD生长CNTs的生长机理。5)首次对CFs表面定向生长CNTs进行了初步探究，通过改进反应工艺，采用气流控制和CNTs本身重力作用，可以实现CNTs一定的取向生长，从而获得了“森林”形貌的CNTs。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 炭纤维
• 1.3 碳纳米管的介绍
• 1.3.1 碳纳米管的结构与分类
• 1.3.2 碳纳米管的性能
• 1.3.3 碳纳米管的制备
• 1.3.4 碳纳米管的应用研究
• 1.4 炭纤维表面生长碳纳米管及机理研究进展
• 1.5 研究背景及意义
• 1.6 研究思路和主要研究内容
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验方案
• 2.2 实验内容
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 实验仪器
• 2.2.3 实验过程
• 2.2.4 测试与表征
• 第三章 炭纤维表面加载镍催化剂颗粒
• 3.1 引言
• 3.2 炭纤维预处理效果
• 3.3 炭纤维表面电镀镍
• 3.3.1 电镀镍反应原理
• 3.3.2 电镀镍形貌分析
• 3.3.3 电镀镍化学成分分析
• 3.4 电镀镍催化剂颗粒生长机制
• 3.4.1 电镀镍颗粒的初始生长机制
• 3.4.2 电镀镍颗粒生长模型
• 3.5 本章小结
• 第四章 以丙烯和乙炔为碳源在炭纤维表面生长碳纳米管及机理研究
• 4.1 丙烯为碳源生长 CNTs 的研究
• 4.1.1 反应温度对 CNTs 生长的影响
• 4.1.2 沉积时间对 CNTs 生长的影响
• 4.1.3 碳源气体流量对 CNTs 生长的影响
• 4.2 镍催化剂对 CNTs 生长的影响
• 4.3 乙炔为碳源在 CFs 表面生长 CNTs 的研究
• 4.3.1 反应温度对 CNTs 生长的影响
• 4.3.2 沉积时间对 CNTs 生长的影响
• 4.4 CNTs 生长机理
• 4.4.1 理论分析
• 4.4.2 生长模型建立
• 4.5 本章小结
• 第五章 炭纤维表面定向生长碳纳米管研究
• 5.1 工艺改进
• 5.2 定向生长实验
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与课题延伸
• 参考文献
• 个人简历 在读期间发表的学术论文
• 致谢