碳纳米管及其复合材料的新合成方法与性能研究

论文摘要

碳纳米管由于其独特的一维管状结构,优异的物理化学性能和潜在的应用前景,成为了材料科学、微电子、化学、物理等诸多领域研究的热点。同时,由于碳纳米管在一维纳米空间的量子限域效应,具有纳米结构填充的碳纳米管复合材料,不仅能优化碳纳米管本身的一些性能,而且能对填充的纳米结构的性能进行调变。本论文采用化学气相沉积法（CVD）主要研究了实验合成条件对碳纳米管生长的影响,尤其是在生长过程中对碳纳米管的产量和形貌的影响；并对原位填充纳米结构到碳纳米管的内腔中进行了研究,探索了其生长机制并对其性能进行了分析。主要研究结果如下：1.采用Fe/MgO为催化剂催化裂解二甲硫醚制备了碳纳米管,通过SEM、Raman、XRD、TEM等表征方法研究了实验合成条件对碳纳米管的形貌和微结构的影响。结论表明：当合成温度为1000℃时比较利于反应的进行,且碳纳米管生长的氩气流量的适宜范围为1200～1800 sccm。同时,碳纳米管产物中有Y型碳纳米管的生成,在纳米器件领域具有较好的应用潜力,并对Y型碳纳米管的生长机理进行了研究与讨论。2.采用CVD法,以乙醇为碳源,二茂铁为催化剂前驱物,对二氯苯为添加剂制取了碳纳米管,通过SEM、TGA、XRD、TEM表征方法研究了实验合成条件对碳纳米管产物的形貌和微结构的影响。结论表明：合成碳纳米管的最适宜的温度为850℃,且在不同氩气流量和不同二茂铁含量下制备了样品,并进行了电磁测试分析,研究了反射率和频率的关系,进而研究了样品的微波吸收性能,表明当二茂铁与乙醇的质量体积百分数为2%时制备的碳纳米管的微波吸收性能比较好,且当涂层厚度为2 mm时,反射率衰减达到24.52 dB；随着涂层厚度的增加,反射衰减向低频方向移动。3.采用改进的CVD法,以乙醇为碳源,二茂铁为催化剂前驱物,对二氯苯为添加剂,原位制取了Fe/Fe3C纳米线填充的薄壁碳纳米管,并通过SEM、XRD、TGA、HRTEM等分析方法对碳纳米管产物的形貌和微结构进行了测试,研究了实验合成条件对产物的影响。实验结果表明,对二氯苯对碳纳米管的填充起决定作用,产物中Fe/Fe3C纳米线填充率高。对Fe/Fe3C纳米线填充碳纳米管复合材料的电磁性能进行了测试,研究了该复合材料的微波吸收性能,结果表明：吸波涂层在厚度为2 mm时,在频率为4.5 GHz时有强吸收峰,且随着厚度的增加吸收峰往低频方向移动,表明这种材料有望在低频段实现对电磁波的有效吸收。4.直接以不锈钢为催化剂和基底,二甲硫醚为碳源,采用CVD法原位制备了金属硫化物纳米线填充的碳纳米管复合材料,由于二甲硫醚提供碳纳米管生长的碳源,和金属硫化物的硫源,因此二甲硫醚的浓度是影响金属硫化物纳米线填充碳纳米管复合材料原位生长的关键。实验结果表明：能实现金属硫化物纳米线原位填充碳纳米管的二甲硫醚的最佳浓度范围为2.69%-3.86%。对金属硫化物纳米线原位填充碳纳米管的生长机制进行了研究探讨,金属硫化物纳米线是通过毛细作用原位填充进碳纳米管的内腔中的。对金属硫化物纳米线填充的碳纳米管复合材料的电磁性能进行了测试,对其微波吸收性能进行了研究,结果表明：当涂层厚度为2mm时,复合材料在14.80 GHz具有较大的反射率衰减为-29.58dB；且随着涂层厚度的增加,反射率的最大损失值向低频方向移动,这对材料在低频段的微波吸收性能是有利的；最重要的是复合材料出现了双频吸收。这为碳纳米管在雷达材料和隐身材料方面的应用提供了更大的应用领域。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 碳纳米管简介
• 1.2.1 碳纳米管的发现及研究现状
• 1.2.2 碳纳米管的结构和分类
• 1.2.3 碳纳米管的制备
• 1.3 碳纳米管的性能和应用
• 1.4 碳纳米管的填充
• 1.4.1 两步法填充碳纳米管
• 1.4.2 一步法填充碳纳米管
• 1.5 本课题的来源、研究意义、内容和特色
• 第二章 实验方案
• 2.1 实验主要原料和设备仪器
• 2.1.1 实验主要材料试剂
• 2.1.2 实验中所用的主要设备
• 2.1.3 产物的表征所用分析仪器
• 2.2 实验部分
• 2.3 表征和性能测试
• 第三章 铁催化裂解二甲硫醚制备碳纳米管的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 催化剂的制备
• 3.2.2 碳纳米管的制备
• 3.2.3 表征和性能测试
• 3.3 结果和讨论
• 3.3.1 温度的影响
• 3.3.2 氩气流量的影响
• 3.3.3 二甲硫醚浓度的影响
• 3.3.4 拉曼光谱（Raman）分析
• 3.3.5 XRD分析
• 3.3.6 TEM分析
• 3.3.7 Y型碳纳米管的生长机制
• 3.3.8 碳纳米管的PL表征
• 3.4 本章小结
• 第四章 流动催化热分解法制备碳纳米管及性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 碳纳米管的制备
• 4.2.2 产物的表征
• 4.3 结果和讨论
• 4.3.1 氩气流量的影响
• 4.3.2 二茂铁含量的影响
• 4.3.3 SEM表征
• 4.3.4 XRD表征分析
• 4.3.5 TGA热重分析
• 4.3.6 样品Ⅲ的TEM分析
• 4.3.7 样品Ⅲ微波吸收性能分析
• 4.3.8 二茂铁含量对微波吸收性能的影响
• 4.4 本章小结
• 3C填充的碳纳米管的制备及性能研究'>第五章 Fe/Fe₃C填充的碳纳米管的制备及性能研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 3C填充的碳纳米管的制备'>5.2.1 Fe/Fe₃C填充的碳纳米管的制备
• 5.2.2 产物的表征
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 SEM表征分析
• 5.3.2 XRD表征分析
• 5.3.3 TEM表征分析
• 5.3.4 TGA分析
• 5.3.5 生长机制探索
• 5.3.6 复合材料的电磁性能
• 5.3.7 样品的微波吸收性能
• 5.3.8 复合材料的电学性能
• 5.3.9 碳纳米管复合材料的场发射性能
• 5.4 本章小结
• 第六章 金属硫化物纳米线填充的碳纳米管复合材料的制备和性能研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 不锈钢片的预处理
• 6.2.2 碳纳米管复合材料的制备
• 6.2.3 产物的表征
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 基底的预处理对产物的影响
• 6.3.2 碳纳米管复合材料的Raman表征
• 6.3.3 复合材料的XRD表征
• 6.3.4 复合材料的TEM表征
• 6.3.5 金属硫化物填充碳纳米管的生长机制
• 6.3.6 复合材料的电磁性能
• 6.3.7 金属硫化物填充碳纳米管复合材料的微波吸收性能
• 6.3.8 不同氩气流量下制备的复合材料的微波吸收
• 6.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果及发表的论文