炭纤维表面原位生长碳纳米纤维、螺旋碳纤维及其机理研究

摘要

炭纤维是一种比强度、比模量高，高温性能良好的材料，用于制备高性能复合材料，广泛应用于航天航空等高科技领域。炭纤维表面原位生长碳纳米纤维或螺旋碳纤维（微螺旋碳纤维和螺旋碳纳米纤维）可以进一步提高复合材料的性能或赋予其特殊的功能，但至今未见炭纤维表面原位生长螺旋碳纤维的报导。本论文采用催化化学气相沉积法，以天然气或丙烯为碳源，在炭纤维表面原位生长出碳纳米纤维，以乙炔为碳源，在炭纤维表面原位生长螺旋碳纤维。较系统的研究化学气相沉积工艺参数对不同碳源气生长碳纳米纤维或螺旋碳纤维的影响。
　　1)采用天然气可以在炭纤维表面生长碳纳米纤维，这有望降低碳纳米纤维的生产成本。天然气流量为0.8 l/min、氢气流量为1.0l/min、温度为750℃、反应时间为45min时能得到纯度较高，直径较均匀的碳纳米纤维;
　　2)丙烯流量为0.3 l/min、氢气流量为1.5 l/min、生长时间为30min的工艺条件下，控制生长温度为650℃和添加浓度为4％的噻吩时能得到直径更细小、更均匀，纯度较高的层片状碳纳米纤维;
　　3)首次在炭纤维表面原位生长了微螺旋碳纤维，其较佳的CVD工艺为:温度680℃、乙炔1.0 l/min、氢气2.0 l/min、氮气1.0 l/min、噻吩浓度16％、生长时间60min，采用分时间段通入乙炔气体的工艺方法还可以在炭纤维表面得到近似阵列生长的微螺旋碳纤维;
　　4)首次在炭纤维表面原位生长了螺旋碳纳米纤维，其较佳的CVD工艺为:温度650℃、乙炔0.8 l/min、氢气1.2 l/min、噻吩浓度8％、硝酸镍浓度0.1 mol/l、生长时间60min;
　　初步探讨了炭纤维表面原位生长碳纳米纤维或螺旋碳纤维的机制，碳纳米纤维和螺旋碳纤维都以顶部模式在炭纤维表面生长，螺旋碳纤维的生长与多面体催化剂颗粒的形成有关。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 碳纳米纤维

1．1．1 碳纳米纤维的制备

1．1．2 碳纳米纤维的形成机理

1．1．3 碳纳米纤维的结构与形貌

1．1．4 碳纳米纤维的性能

1．1．5 碳纳米纤维的应用研究

1．2 螺旋碳纤维

1．2．1 螺旋碳纤维的制备

1．2．2 螺旋碳纤维的生长机理

1．2．3 螺旋碳纤维的性能与应用

1．2．4 螺旋炭纤维的研究方向

1．3 炭纤维表面原位生长碳纳米纤维

1．4 原位生长碳纳米纤维在C／C复合材料中的应用

1．5 选题背景及意义

1．6 主要研究内容

第二章 实验方法

2．1 引言

2．2 主要设备

2．3 主要原料与试剂

2．4 碳纳米纤维与螺旋碳纤维的制各

2．5 碳纳米纤维与螺旋碳纤维的形貌与结构观察

第三章 以天然气和丙烯为碳源在炭纤维表面生长碳纳米纤维

3．1 天然气为碳源原位生长碳纳米纤维

3．1．1 温度对碳纳米纤维生长形貌的影响

3．1．2 时间对碳纳米纤维生长形貌的影响

3．1．3 碳／氢比对碳纳米纤维生长形貌的影响

3．2 天燃气与纯甲烷为碳源生长碳纳米纤维的比较研究

3．3 丙烯为碳源原位生长碳纳米纤维工艺研究与结果讨论

3．3．1 温度对碳纳米纤维生长形貌的影响

3．3．2 添加噻吩对碳纳米纤维生长形貌的影响

3．4 典型碳纳米纤维的结构

3．5 本章小结

第四章 以乙炔为碳源在炭纤维表面生长微螺旋碳纤维／螺旋碳纳米纤维

4．1 微螺旋碳纤维生长工艺研究

4．1．1 温度对微螺旋碳纤维生长形貌的影响

4．1．2 催化剂对微螺旋碳纤维生长形貌的影响

4．1．3 氢气对微螺旋碳纤维生长形貌的影响

4．1．4 氮气对微螺旋碳纤维生长形貌的影响

4．1．5 噻吩浓度对微螺旋碳纤维生长形貌的影响

4．1．6 时间对微螺旋碳纤维生长形貌的影响

4．1．7 分时间段通入乙炔对微螺旋碳纤维生长形貌的影响

4．2 螺旋碳纳米纤维生长工艺研究

4．2．1 温度对螺旋碳纳米纤维生长形貌的影响

4．2．2 时间对螺旋碳纳米纤维生长形貌的影响

4．2．3 碳／氢比对螺旋碳纳米纤维生长形貌的影响

4．2．4 噻吩浓度对螺旋碳纳米纤维生长形貌的影响

4．3 本章小结

第五章 炭纤维表面原位生长碳纳米纤维或螺旋碳纤维的机制

5．1 炭纤维表面生长碳纳米纤维的机制

5．2 炭纤维表面生长螺旋碳纤维的机制

5．2．1 螺旋碳纤维的生长模式

5．2．2 催化剂颗粒在碳纤维生长过程中的形状

5．2．3 螺旋碳纤维生长过程中的形状改变

5．3 炭纤维表面生长螺旋碳纤维的生长机制的讨论

5．4 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

硕士论文期间发表的文章