碳纳米纤维在纳米催化剂上的不同生长形态

利用纳米镍、酒石酸铜催化剂,通过碳的化学气相沉积法(CVD)分别制备出并列形态和"V"形态生长的碳纳米纤维,并通过透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)对其进行了观察研究,发现生长在催化剂粒子上的碳纳米纤维在初始生长时的生长方向与催化剂粒子形状之间有密切关系.我们分析认为,在碳纳米纤维的生长过程中,碳在催化剂粒子中的扩散速度是控制步骤,并且决定催化剂粒子晶面上不同生长点的纤维生长速度.     

平直碳纳米纤维与螺旋碳纳米纤维的共同生长

研究了采用乙醇催化燃烧法制备的碳纳米纤维的形貌和结构，并且讨论了平直碳纳米纤维与螺旋碳纳米纤维分别对应的生长机制。分析结果表明在特定的实验条件下，可以制备出平直碳纳米纤维与螺旋碳纳米纤维的共生材料。螺旋碳纳米纤维的生长机制是基于催化剂颗粒的各向异性。本实验方法具有制备工艺简单，碳源无毒性，制备过程无环境污染等特点，因而有望实现大量生产。     

碳纳米纤维制备的研究进展

讨论了碳纳米纤维与碳纳米管的本质区别;介绍了多种碳纳米纤维制备的研究方法和化学气相沉积(CVD)法制备碳纳米纤维的研究进展;并对各种制备方法的优缺点进行了评述;同时讨论了影响气相生长碳纳米纤维的各种因素.     

镍催化热解乙炔制备碳纳米纤维

在较低温度(450-800℃)下以氧化铝基板负载的镍为催化剂,催化热解乙炔合成碳纳米纤维.扫描电镜和透射电镜观察表明,反应温度决定碳纳米纤维的尺寸和结构,在550℃下制备的碳纳米纤维一般具有类似弹簧状的结构,而在700℃下制备的碳纳米纤维则偏向于片状堆积结构,并介绍了片状堆积结构的生长机理.     

一维纳米碳在碳基体上生长的研究进展

综述了采用化学气相沉积法在各种碳质基体上生长一维纳米碳的制备方法,阐述了基体的预处理、催化剂、碳源、生长温度等各种因素对产物的影响,简要介绍了在碳基体上生长一维纳米碳的性能和应用.     

多元醇法合成高比表面积纳米碳颗粒

提出了一种多元醇法敞开体系下制备具有高比表面积的非晶态纳米碳颗粒的方法.以三甘醇作为高沸点溶剂溶解溴化铵,将溶解有二茂铁的无水乙醇在200℃有氧气氛下滴入三甘醇中,利用溴化铵与二茂铁在溶剂中反应制备尺寸均匀的纳米碳颗粒.通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和氮气吸附-脱附等温线对纳米碳颗粒的微观结构进行了表征.结果表明碳颗粒近似为等轴状,尺寸分布在30～70nm之间,是完全的非晶态结构,比表面积为578.68m2/g,孔容为0.39cm3/g.反应物在三甘醇中的均匀溶解、反应是生成尺寸均一的纳米碳颗粒的主要因素.     

碳纤维衬底上定向碳纳米片阵列的制备

以乙炔(C2H2)为碳源,N2为载气,二茂铁为催化前驱物,采用浮动催化法,在碳纤维衬底上制备了垂直定向的碳纳米片阵列.利用SEM,EDX和Raman光谱对所得产物进行了表征.结果表明经十二烷基磺酸钠(SDS)和二茂铁的丙酮溶液煮沸和浸泡处理后的碳纤维表面所生长的碳纳米片长度约为600 nm,宽度约为50 nm.Raman光谱分析表明所制备的碳纳米片为石墨结构.碳纤维的预处理不仅活化了表面,而且避免了催化剂向其内部的渗透和吸收.基于以上结果,碳纤维/碳纳米片在场发射领域很可能有重要的应用.     

催化裂解甲烷制备-维纳米网状碳材料

通过沉淀法和相转移法的结合制备纳米催化剂.采用该催化剂催化裂解甲烷反应制备出了一维纳米网状碳材料,此类碳材料的比表面积为286m2/g.预计该材料具有良好的储氢、吸附性能.     

纳米纤维素修饰的碳纳米纤维制备及其疏水性研究

为拓展碳纳米纤维在环境清洁领域的应用，提高碳纳米纤维的水接触角，改善膜表面的疏水性能，获得疏水性较好的碳纳米纤维薄膜，利用静电纺丝法将纳米纤维素(CNFs)与碳纳米纤维前驱体复合，获得具有低表面能和良好疏水性能的纳米碳纤维/纳米纤维素复合纤维膜。通过对纳米纤维素含量进行调控，经预氧化和碳化处理后得到一系列具有规则三维空间网络结构的复合纤维膜，并探究不同纳米纤维素含量对复合纤维膜疏水性能的影响。结果表明：纳米纤维素修饰复合纤维膜随着碳化程度的提高其表面能呈现逐渐降低的趋势，其对水的接触角也逐渐增大，疏水效果得到较大幅度提升。随着纳米纤维素含量继续增加，复合纤维膜的水接触角呈上升趋势，未添加前接触角为36.13°,当纳米纤维素添加质量为20%时，水接触角最大为132.14°,提高了366%。     

退火温度对碳氮薄膜的纳米力学和纳米摩擦性能的影响

采用微波电子回旋共振化学气相沉积技术制备了氮含量不同的碳氮薄膜，采用真空退火技术对碳氮薄膜进行了退火处理，并且利用Laser Raman谱仪和Hysitron纳米力学测试系统对碳氮薄膜的结构、纳米力学以及纳米摩擦特性进行了研究。结果表明：随着退火温度的升高，碳氮薄膜中的sp^2含量降低，sp^2含量增加，而薄膜的纳米力学性能如纳米硬度和弹性模量则随之明显下降。在栽荷相同的条件下，不同氮含量的沉积态碳氮薄膜均表现出基本相同的摩擦系数值。但退火处理会显著改变碳氮薄膜的摩擦系数，氮含量相同时，退火温度越高，摩擦系数越大。但是，摩擦系数随退火温度增大的程度与薄膜中氮含量有关。     

二维树状分叉碳纤维的浮动催化法制备

采用两段加热卧式浮动催化法合成了二维树状分叉碳纤维。讨论了制备条件如:催化剂(二茂铁)、催化促进剂(噻吩)以及它们在碳源溶液中的含量、苯／氢的比例、氢气的流量等对生长二维树状分叉碳纤维的影响。二维树状分叉碳纤堆的分叉纤堆相互平行排列,直径与母体纤维接近,部分分叉碳纤维与其它碳纤维交叉相连。提出了二维树状分叉碳纤维的生长机理和交叉结构可能的生长模式;二维树状分叉碳纤维的生长符合气相生长碳纤堆的生长机理,是纳米碳纤维在反应管高温区继续生长的结果。可以预测,控制一定的条件,可以用两段加热卧式浮动催化法合成二维碳纤维网状结构,在复合材料等领域有潜在的应用价值。     

自由碳的脱除对SiC纤维微观结构和性能的影响

采用加氢烧成法脱碳, 制备了不同自由碳含量的连续SiC纤维。通过元素分析、红外、X射线衍射和拉伸试验等手段对纤维的脱碳过程、元素组成、微观结构和性能进行了分析。结果表明: 加氢烧成通过抑制脱H₂反应、促进脱CH₄反应而实现有效脱碳, 且氢气浓度越高, 纤维中的碳含量越低。纤维芯部元素分布均匀, 表明该方法可以实现均匀脱碳, 但表面出现很薄的富碳层, 这是纤维经氢气处理后表面吸附氧形成的富氧层在高温烧成时分解所致。自由碳的脱除引起纤维晶粒长大, 密度增加, 孔隙率降低, 电阻率升高, 拉伸强度与拉伸模量提高。近化学计量SiC纤维具有优异的综合性能。     

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。     

电化学处理对碳纤维表面加载碳纳米管的影响机理

利用电化学阳极氧化法改性碳纤维表面,开发了在连续碳纤维表面简单、高效、均匀地加载催化剂涂层的工艺。通过系统研究电化学改性强度对碳纤维表面物理与化学特性、催化剂颗粒与CNTs形貌、多尺度增强体拉伸强度及其增强复合材料层间剪切强度的影响,优化了碳纤维表面电化学改性工艺。结果表明:催化剂颗粒的形貌与分布不仅影响碳纤维表面沉积的CNTs的形貌,而且影响最终碳纤维表面生长CNTs多尺度增强体及其复合材料的力学性能。     

沉积条件对CVD碳纤维生长的影响

用CH4、H2或包含NH3的混合气体为反应气体,利用负偏压增强热丝化学气相沉积方法在沉积有过渡层(Ta或Ti)和催化剂层(NiFe)的Si衬底上制备碳纤维,并用扫描电子显微镜研究了它们的生长和结构,结果发现不同的沉积条件对碳纤维的生长和结构有很大的影响。在无辉光放电的条件下,衬底温度较低时碳纳米管或纤维生长困难;提高衬底温度,能够弯曲生长;在辉光放电的条件下,则呈现定向生长的特点。     

催化裂解天然气于碳毡内低成本合成碳纳米管

基于制备碳/碳(C/C)复合材料的等温化学气相渗透(ICVI)技术,在1010～1100℃用Fe催化裂解工业天然气可在碳毡内原位合成出碳纳米管(CNTs).扫描电镜(SEM)观察结果表明,1060℃合成的CNTs具有较好的覆盖形貌和均匀管径(110～120nm)且纯净度高.高分辨率透射电镜(HRTEM)和Raman光谱测试结果进一步表明,该温度下合成的CNTs结晶度高,与碳纤维间结合力强.     

Advances in Insight of Radial Heterogeneous Microstructure and Its Relevance to Mechanical Properties of Polyacrylonitrile-Based Carbon Fibers

Polyacrylonitrile-based carbon fibers (CFs) have demonstrated unparalleled physical and mechanical properties and are considered a promising material for aerospace, transportation, medical devices, and other applications. However, the current understanding of the heterogeneous structure of carbon fiber is still vague, and the relationship between the heterogeneous structure and the mechanical properties of carbon fiber is also unclear. In this review, the literature on the radial heterogeneous structure of CFs is summarized from four points of view: morphological structure, physical properties and chemical structures, mechanical properties, and structural models by combining different characterization tools such as nanoindentation, nanoscale infrared spectroscopy, and synchrotron wide-angle X-ray diffraction. First, the size and orientation of graphite microcrystalline, the degree of graphitization, density distribution, modulus distribution, chemical functional group distribution, and other physical and chemical properties of carbon fiber cross-sectional structures are discussed. Afterward, the relationship between the mechanical properties of carbon fiber and the heterogeneous structure is analyzed. Finally, the currently accepted models of the heterogeneous structure of carbon fibers are summarized and made some suggestions for research on the heterogeneous structure of carbon fibers.     

环己烷浮游催化法在碳纤维表面生长碳纳米管

以环己烷为碳源、二茂铁为催化剂前躯,采用浮游催化法成功的在碳纤维表面生长了碳纳米管(CNT),制备了多尺度杂化材料CNTs/CF。实验重点考察了反应温度、二茂铁浓度、载气等参数对CNT在纤维表面生长的影响,通过扫描电镜(SEM)、投射电镜(TEM)研究了CNTs/CF的形貌及产物CNT的微观结构。当固定反应温度为820℃、二茂铁-环己烷浓度为2g/100mL时,随着氢气在载气中含量在0～100%范围内变化,产物CNT直径亦有86nm降低至39nm。通过单丝拉伸测试发现,相比初始碳纤维,不同长度的CNTs/CF单纤维强度下降幅度均在10%以内。     

Formation of carbon fiber florets using copper tartrate catalyst precursors

A novel method was investigated to synthesize carbon fiber florets using copper tartrate catalyst precursors by catalytic chemical vapor deposition at 300 °C. Samples were obtained for different growth periods. On the basis of electron microscopy and X-ray diffraction characterizations, a growth model for the formation of fiber florets was proposed as well as the branching of fibers nearby copper catalyst particles. These findings could facilitate the understanding of the catalytic growth process of different carbon materials including carbon nanotubes and graphene under different reaction parameters.     

催化剂加载对连续碳纤维表面生长碳纳米管的影响

通过化学气相沉积(CVD)在碳纤维表面还原得到均匀细小的催化剂颗粒并在碳纤维表面催化生长了均匀、规整的碳纳米管(CNTs)。系统研究了催化剂种类以及浓度对碳纳米管产量和微观组织结构的影响,探究了碳纤维的浸润性能和单丝强度的变化。结果表明,Ni的催化活性最高,Co的催化活性适中,产生的CNTs较为均匀、规整,当催化剂浓度为0.02mol/L时,碳纤维表面生长CNTs多尺度增强体的拉伸强度最大。碳纤维表面生长CNTs,促使碳纤维的表面粗糙度增加,与树脂之间的结合变强,从而提高了碳纤维与环氧树脂之间的浸润性。