气相生长炭纤维

0 前言 炭纤维(CF)是近几十年来发展非常迅速的新型材料,它具有高强度、高模量、高导电、导热、密度小、耐腐蚀等特性,是一种重要的工业材料。自从一九五九年美国联合碳化物公司(UCC)第一次用人造丝生产出工业碳纤维,继而日本分别于1961年、1969年研制成功聚丙烯腈基炭纤维(PAN--CF)和沥青基炭纤维(Pitch—CF),成为当今世界碳纤维产量最大的国家。随后,英、法等国也兴起生产CF热,从而极大地促进了CF的发展。     

气相生长炭纤维

本文在参阅大量文献资料的基础上，系统地阐述了气相生长炭纤维的发展方向、制备方法（基极播种法、气相流动法）、生长机理（扩散控制机理、两步生长机理、碳化物机理、三步生长机理）、特性及用途。     

气相生长纳米炭纤维的研究进展

综述了当前气相生长纳米炭纤维的研究现状,对纳米炭纤维的制备方法、结构特征、性能和应用前景进行了概述,并简述了本研究小组采用改进流动催化剂法制备的纳米炭纤维。     

气相生长炭纤维的制备方法——基板播种法

本文在简介用基板播种法制备气相生长炭纤维的基础上，提出了一种新型的且比较有发展前途的基板播种法—金属原子溅射沉积。     

制备温度对热解炭包覆磷酸铁锂/气相生长炭纤维复合正极材料的影响

采用微波化学气相沉积法一步合成了热解炭包覆磷酸铁锂/气相生长炭纤维复合正极材料. 借助X射线衍射仪、场发射扫描电子显微镜、高分辨透射电镜和电化学测试仪等测试手段研究了不同制备温度对材料晶体结构、显微形貌和电化学性能的影响. 结果表明, 当制备温度由500℃升至600℃时, 磷酸铁锂主晶相的颗粒尺寸没有发生明显变化, 而原位VGCF的网络程度却明显增加, 材料的放电比容量随之提高; 当制备温度进一步升高到700℃时, 磷酸铁锂颗粒异常生长现象加剧, VGCF直径较大且粗细不均, 材料的电化学性能变差. 研究发现, 当温度为600℃时, 材料表现出较优的电化学性能, 25℃在0.2C、0.5C、1C和3C倍率下的放电比容量分别可达163、159、153和143mAh/g.     

甲烷催化裂解制备毛线状炭纤维及其微观结构

以甲烷为碳源，硫酸亚铁为催化剂前驱体，通过化学气相沉积在石墨基板上制得毛线状炭纤维。扫描电子显微镜观察得知所制炭纤维具有毛线状结构，由许多直径更小的子纤维交叉合并而成。单束毛线状炭纤维的直径为4μm-8μm。高分辨透射电子显微镜显示构成纤维的碳层排列不平直，存在偏转角，有序排列的碳层被分割成许多有序微晶区域。进一步采用X射线衍射和激光拉曼光谱等分析手段对其微观结构进行表征，表明毛线状炭纤维中碳层排列有序度较高，石墨微晶尺寸较大（La≈5nm），层间距较小（d002=0．340nm）。推测毛线状炭纤维生长机理符合“吸附-扩散-析出”过程，形成毛线状结构主要由催化剂颗粒直径决定。     

乙炔热裂解沉积对PAN基炭纤维性能的影响

利用有机溶剂去除PAN基炭纤维表面的集束剂与染剂.然后通过乙炔热裂解沉积对其进行表面改性,以期获得兼具高机械强度和优良导电性的高性能PAN基炭纤维.采用SEM、AFM、XRD、Raman等方法对PAN基炭纤维在改性前后的微观结构、结晶性、抗拉强度、弹性模量、导电性等进行了分析.研究结果表明采用化学气相沉积法可以提高或者明显改善石墨化处理后的PAN基炭纤维的力学性能(抗拉强度为2GPa,弹性模量为270GPa)和导电性(5×10-4Ω·cm).     

乙烯催化裂解法选择性合成纳米炭纤维

通过采用不同金属催化剂进行乙烯催化裂解制备了具有不同微观结构的纳米炭纤维。利用纳米二氧化硅负载的铁、镍以及铁镍合金催化剂在适当的反应条件下分别制备了管状、实心鱼骨状以及空心鱼骨状的纳米炭纤维。由于金属催化剂与纳米二氧化硅间的强相互作用导致在低反应温度下也能达到高的反应活性，所以能够合成出高收率、小直径而且分布均匀的纳米炭纤维。不同结构的纳米炭纤维归因于金属催化剂的不同分散性以及不同的生长机理。通常利用铁催化剂进行乙烯裂解制备纳米炭纤维需要高于650℃，但是在我们的实验中发现500℃低温下利用纳米二氧化硅负载的铁催化剂进行乙烯裂解就能够合成出管状纳米炭纤维。     

改进化学气相沉积法在炭纤维表面生长碳纳米管(英文)

采用一种改进的化学气相沉积法在炭纤维表面制备碳纳米管。为了提高炭纤维表面的润湿性能,炭纤维在浸渍之前先在CVD设备中在真空下973 K的高温处理,然后在硝酸和浓硫酸体积比为3∶1的混合酸中酸处理30 min。而改进的化学气相沉积法关键在于让催化剂的还原步骤和碳纳米管的生长步骤同时进行。这样通过减小过渡金属元素与炭纤维之间的接触时间从而降低了它们之间的相互扩散,在确保了炭纤维本身的力学性能下降程度明显小于用普通化学气相法制备的情况下生长出长且茂密的碳纳米管阵列。另外,经过对工艺参数的优化发现当用乙醇作溶剂,Fe(NO3)3.9H2O溶度为100 mmol/L,氢气和碳源气体比值为4/1,而生长时间为30 min时得到最好的碳纳米管阵列。     

微螺旋炭纤维结构性能的研究

微螺旋炭纤维因其特殊的三维手性结构,具有多种优异性能.综述了微螺旋炭纤维的微观形貌、力学性能、电性能、热性能、吸波性能和储气性能,并展望了螺旋炭纤维的应用前景,同时也总结了螺旋炭纤维研究中存在的问题.     

Carbon nanotubes from catalytic pyrolysis of deoiled asphalt

High purity and uniform carbon nanotubes with about 35 nm in diameter were produced by pyrolysis of deoiled asphalt in the presence of ferrocene in an atmosphere of hydrogen and argon at 1000 °C. Characterization of carbon nanotubes was carried out by field emission scanning electron microscopy (FESEM), high resolution transmission electron microscopy (HRTEM), X-ray energy dispersive spectroscopy (EDS), Raman spectroscopy and X-ray diffraction (XRD). The carbon nanotubes were highly graphitized with amorphous carbons covering the outside wall. The influence of temperature on the preparation of carbon nanotubes was also discussed.     

Porous carbons prepared from deoiled asphalt and their electrochemical properties for supercapacitors

Porous carbon was prepared from deoiled asphalt by conventional NaOH activation process and by the combination of nano-sized MgO template method and NaOH activation process. The electrochemical properties used as supercapacitors electrode material were evaluated in 7 M KOH aqueous solution. Porous carbon sample obtained by NaOH activation possessed more micropores and higher specific surface area, resulting in a higher specific capacitance of 235 F g^− 1 at low charge-discharge current of 50 mA g^− 1. For the combination method, the resultant carbons possessed higher capacitance and good capacitance maintaining at high current, with a capacitance of nearly twice as that of the former at current density of 10 A g^− 1, due to their abundant mesopores.     

沉积条件对碳纤维表面碳纳米管生长的影响

采用化学气相沉积(CVD)法在碳纤维(CF)表面原位生长碳纳米管(CNTs)。考察了不同催化剂、沉积温度、氢气流量以及样品距进气口距离等工艺参数对CNTs-CF生长的影响。利用SEM和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)对CNTs-CF形貌和微结构进行了表征和分析。结果表明:在CF表面原位生长的CNTs为多壁结构,其中以Ni为催化剂得到的CNTs直径小、分布均匀;在600~750℃温度范围内,随着温度的升高,CNTs直径和长度减小,产量降低;随着氢气流量的增加,CNTs直径和长度均增加;距进气口30cm,在CF表面得到的CNTs覆盖率高、直径小且分布窄,有利于制备高质量CNTs。     

气相生长碳纤维的催化技术进展

本文介绍了当前气相生长碳纤维的研究状况 ,对气相生长碳纤维的制备方法和生长机理进行了概述 ,并论述了其催化技术的影响因素。     

螺旋形碳纤维手性吸收剂的制备及其生长过程研究

用基板法以乙炔为碳源，镍板为催化剂，PCI3为助催化剂，通过化学气相沉积制备螺旋形碳纤维手性吸收剂，反应设备为卧式气相沉积炉。制备的工艺参数为：反应温度650~700℃，氩气流量20~40ml／min，乙炔气流量20~30ml／min，氢气流量50~70ml／min，PCI3流量为0．03～0．05ml／min。为了研究螺旋形碳纤维的生长过程和生长机理，详细研究了螺旋形碳纤维不同生长阶段的微观结构和形貌，探讨了螺旋形碳纤维的生长机理，螺旋形碳纤维是一种非常有发展前景的手性吸收剂和吸波材料。     

Odako growth of dense arrays of single-walled carbon nanotubes attached to carbon surfaces

A novel process is demonstrated whereby dense arrays of single-walled carbon nanotubes (SWNT) are grown directly at the interface of a carbon material or carbon fiber. This growth process combines the concepts of SWNT tip growth and alumina-supported SWNT base growth to yield what we refer to as “odako” growth. In odako growth, an alumina flake detaches from the carbon surface and supports catalytic growth of dense SWNT arrays at the tip, leaving a direct interface between the carbon surface and the dense SWNT arrays. In addition to being a new and novel form of SWNT array growth, this technique provides a route toward future development of many important applications for dense aligned SWNT arrays. Electronic Supplementary Material  Supplementary material is available for this article at and is accessible for authorized users. This article is published with open access at Springerlink.com     

炭纤维表面生长碳纳米管

采用化学气相沉积工艺在炭纤维表面生长了碳纳米管,并观察了它的微观形貌,且对其影响因素进行了初步研究.结果表明:纤维表面的纵向沟槽可以负载催化剂粒子,是生长碳纳米管的物理基础;催化剂的浓度太高,金属粒子容易团聚长大,所得碳纳米管的管径较大;而催化剂浓度太低,则不能在炭纤维整个表面均匀生长碳纳米管;最佳的催化剂溶液的浓度是0.05mol/L的硝酸钴.比较了铁、钴、镍三种过渡金属催化剂,从形成的碳纳米管的质量来看,钴催化剂最佳.     

气相生长碳纤维增强水泥基复合材料的制备及性能

研究了脱油沥青(De-oiled asphalt)基气相生长碳纤维(VGCFs)增强水泥基复合材料的制备方法及其性能。以脱油沥青作原料,采用化学气相沉积法(CVD)制备出气相生长碳纤维,以此纤维制备水泥基功能复合材料。结果表明:低含量VGCFs的碳纤维增强水泥基复合材料具有良好的抗压强度和导电性能,在VGCFs的掺量由0增至0.6 %范围内,随着VGCFs掺量的增加,碳纤维增强水泥基复合材料的电阻率下降,抗压强度提高。当VGCFs为0.4 %时,VGCFs水泥基复合材料电阻率降低2个数量级,从3.25 ×105 Ω·cm 降为1.49 ×103 Ω· cm ,抗压强度提高28.8 %,为最佳掺量。      

化学气相沉积与渗透过程中热解炭织态结构生成机理研究

为研究热解炭织态结构的生成规律，采用不同压强的甲烷为碳源，在1100℃条件下进行了化学气相沉积和化学气相渗透实验。化学气相沉积以具有不同表面积／自由体积比（[A／V]值）的直通方形多孔陶瓷为基体；化学气相渗透实验在直径为1mm细直孔内表面沉积和对炭纤维体积分数为7％的炭毡进行致密化。借助正交偏光显微镜（消光角）和透射电子显微镜（定向角）对在不同实验条件下制备的热解炭进行分析和定量表征。研究发现：热解炭的织态结构可以在两种不同的沉积条件下形成。当甲烷压强较低时为化学生长阶段；当甲烷压强较高时为物理形核阶段。在化学生长控制阶段，热解炭的织态结构可以利用之前提出的“颗粒填充模型（P-F模型）”加以解释。该模型假设高织构热解炭的沉积一定对应于气相中存在具有合适比例的芳香化合物（例如苯）和线性小分子（主要是C2H2），当二者的浓度比偏离该最优比（或者偏大，或者偏小），均将导致中织构甚至低织构热解炭的生成。在化学生成控制阶段，化学气相沉积和化学气相渗透对热解炭织态结构影响的差别，除了[A／V]值而外，还有氢气的作用。在化学气相渗透过程中，基体内部生成的氢气快速扩散至基体表面，使内外沉积速率和织态结构均发生较大变化。