碳微米管的合成及其性能研究.pdf

1、作為一種新型的碳材料，碳微米管具有微米量級的管徑和超薄的管壁，擁有碳納米管和石墨烯的獨(dú)特物理和化學(xué)性能。然而與它們相比，有關(guān)碳微米管的報(bào)道卻很少，到目前為止，還有沒有關(guān)于碳微米管性能方面的研究報(bào)道，這就嚴(yán)重的制約了碳微米管的研究和應(yīng)用，限制這些的主要因素是目前還缺少可行和可靠的制備方法。因此，高質(zhì)量碳微米管的可控生長和規(guī)模化制備，是急需解決的瓶頸問題。本文采用一種新型的氣壓輔助化學(xué)氣相沉積方法，以廉價(jià)易得的尿素為主要原料，成功的制備出量

2、大、高純和石墨化程度良好的碳微米管，詳細(xì)的研究了工藝參數(shù)對產(chǎn)物的影響，提出生長模型，解釋生長機(jī)理，并系統(tǒng)的研究了碳微米管的物理和化學(xué)性能。本文的主要成果概括如下。
　　以尿素和乙二醇為原料，采用氣壓輔助化學(xué)氣相沉積法制備出一種新型的碳微米管材料，在制備的過程中沒有使用任何的金屬催化劑，所制備的碳微米管的直徑為1微米左右，厚度在5～20納米之間，長度達(dá)到厘米量級。經(jīng)過詳細(xì)的研究結(jié)果表明，碳微米管的直徑可以通過爐內(nèi)的氣氛壓力來控制，當(dāng)

3、壓力為0.2MPa時(shí)，碳管的直徑為100納米左右，隨著氣氛壓力的增大，碳管的直徑也隨著增大，當(dāng)達(dá)到0.5MPa時(shí)，碳管的直徑為1微米左右，當(dāng)氣氛壓力提高到1.5MPa時(shí)，碳微米管的直徑大約為1.5微米；在研究中還發(fā)現(xiàn)，在低溫時(shí)，只用尿素為基本原料，可以制備出氮摻雜的碳微米管材料，碳微米管中氮原子的含量隨著制備溫度的升高而顯著的減小，在1000℃下合成的碳微米管中氮原子的含量為7.89％，當(dāng)溫度提高到1250℃時(shí)，氮原子的含量降低到3.2

4、%，隨著溫度繼續(xù)提高到1400℃時(shí)，其中氮原子的含量下降到0；在制備過程中還可以通過控制原料的加入量，可以獲得厚度分布均勻、光學(xué)透明的超薄碳微米管薄膜和厚度為80微米左右、柔韌性良好的二維碳微米管布材料。
　　原料熱重-質(zhì)譜分析結(jié)果表明，在250℃左右時(shí)，尿素分解放出一氧化碳；當(dāng)溫度達(dá)到850℃時(shí)，一氧化碳發(fā)生歧化反應(yīng)，開始形核產(chǎn)生碳的微晶；從晶體成核和生長理論方面研究表明，系統(tǒng)的碳?xì)夥帐紫仍谯釄宓娜毕萏幮魏?，然后逐漸長成晶粒子，

5、晶粒子通過二維擴(kuò)散、遷徙和重排形成了石墨層狀結(jié)構(gòu)。然后再根據(jù)碳微米管的結(jié)構(gòu)特征，提出了一個(gè) Vapor-Solid(VS)生長機(jī)制，建立了生長機(jī)理模型。并且解釋了氣氛壓力對碳微米管的管徑和產(chǎn)量的影響機(jī)制。
　　理論計(jì)算碳微米管的密度為0.16~0.18g/cm3。單根碳微米管的電學(xué)和力學(xué)測試表明，它的平均電導(dǎo)率和折減彈性模量分別為(1.37±0.23)×107 S/m和0.53±0.16TPa；碳微米管布的熱學(xué)性能研究表明，碳微米

6、管布在室溫下沿著軸向和縱向的熱導(dǎo)率分別為5.516W/(m·K)和0.033W/(m·K)；碳微米管布的場發(fā)射性能測試表明，當(dāng)陽極與試樣的距離為200μm時(shí)，電流開始的電場強(qiáng)度為1.35Vμm-1，此時(shí)的電流密度為1.8mAcm-2，當(dāng)電場強(qiáng)度增加到1.75 Vμm-1時(shí)，電流密度達(dá)到最大為8.8 mAcm-2，并且能在電流密度為1 mAcm-2下保持20個(gè)小時(shí)而沒有大的衰減，表明具有穩(wěn)定的場發(fā)射性能；碳微米管布的拉伸和四點(diǎn)探針測試表明

7、，它的比強(qiáng)度和電導(dǎo)率分別為20～28 MPa g-1cm3和2.7×104 S/m；電化學(xué)性能測試表明，當(dāng)制備溫度為1000℃時(shí)，碳微米管的首次嵌鋰容量為2374mAh/g，脫離容量為579mAh/g，首次庫倫效率為24%，經(jīng)歷40個(gè)循環(huán)之后，碳微米管的容量依然保持在534mAh/g，循環(huán)效率達(dá)到90%以上，碳微米管的容量隨著制備溫度的升高而逐漸下降，庫倫效率會隨著制備溫度的升高而提高。用其制備超級電容器的電極材料時(shí)，碳微米管的循環(huán)曲線

8、隨著掃描速度的增加對稱性下降，在1mA的恒流電流下，碳微米管的比容量為23.1F/g，隨著電流的增加，比容量逐漸下降，充放電時(shí)間變短。
　　復(fù)合材料的厚度為2mm，碳微米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0wt%和1.5wt%時(shí)，電磁波的吸收最強(qiáng)，在2-18GHz范圍內(nèi)最低反射率分別為-23.1dB和-24dB，<-10dB的帶寬分別為6.5GHz和2.4GHz。因此，碳微米管含量為1.0wt%時(shí)綜合吸波性能最佳。吸波復(fù)合材料的吸波機(jī)理主要以電導(dǎo)損