微纳米石墨球的制备及其表征

论文摘要

微纳米碳材料的结构具有多样性,如碳纳米管、碳洋葱、富勒烯、石墨烯、碳球,以及碳树等。其中石墨球具有高度有序的球状同心壳层结构,以及优异的物理化学性能,在物理、化学、生物医学等领域具有广泛的应用前景,在碳材料研究领域一直备受关注。石墨壳层具有抗腐蚀性,可以用来合成球状的碳包覆磁性颗粒材料以抵制外界环境的腐蚀氧化,这种复合材料既能保持石墨的特性又具有磁性功能,能够广泛地应用于磁记录材料、医学药物运输、锂离子负极材料等领域。另外,这种复合结构具有低密度和较好的吸波能力,有望成为新型的电磁波吸收材料,因此需要探索一种廉价、简便、大量制备球状碳包覆磁性颗粒材料的方法以满足商业大规模生产的需求。目前,制备碳球的方法主要有气相沉积法、高温裂解碳源法、催化还原法、溶剂热法等,这些方法都是采用化学反应,因此,难免产生很多难以提纯的副产物,而且需要合适的催化剂、较高的反应条件（如高温高压）以及复杂的操作等。本文通过研究石墨在金属（Ni和Fe）熔体中的生长,探索出一种新颖的方法来制备微纳米石墨球。研究发现,首先通过单辊激冷装置和球化孕育剂可以分别改变Ni-C和Fe-C合金中石墨的形貌,然后利用酸腐蚀金属基体可以制备形貌均匀的石墨球,具体研究内容如下：（1）制备共晶成分的Ni-C合金,利用单辊激冷装置（800转/分钟）将上述合金甩成丝片状并收集、酸腐蚀制备微纳米石墨球。研究发现,快速冷却能够使天然鳞片状石墨在Ni熔体中转变为石墨球；石墨球的内部结构是同心圆结构,由疏松无序的内部核心和从内到外有序排列的碳原子壳层组成的；利用分子动力学的方法模拟了石墨烯自发卷曲的过程以解释石墨球的生长机理。（2）将一定组成的Fe-C合金放置于25kg碱性中频感应炉进行熔炼,利用冲入法进行球化处理得到含有石墨球的Fe-C合金,然后分别利用稀盐酸和氢氟酸腐蚀Fe-C合金得到微米磁性石墨球。结果表明,石墨球具有铁磁性和较小的比表面积；石墨层的厚度约为10-15μmm,这样无微孔的石墨层更好地保护内部的磁性颗粒免受外界环境的侵蚀；由于具有较小的磁化强度,石墨球的μ’和μ"数值都比较小,通过模拟计算不同厚度样品的吸波曲线发现,1.8mm厚度的样品可以吸收11GHz到18GHz范围的高频波段,因此,这种复合材料在高频波段范围内具有“厚度薄、质量轻、吸收波段宽”的优势。（3）利用单辊激冷装置（800转/分钟）将上述（2）中的Fe-C合金甩成丝片状并收集、酸腐蚀得到微纳米石墨球,再利用XRD、拉曼光谱以及场发射扫描电镜等各种测试手段进行表征。结果发现,与（2）中制备的石墨球相比较,快冷的石墨球结构疏松,粒径更小、分布更窄,表面更加光滑以及球的圆整度更好,因此,较大的冷却速度是石墨在金属熔体中形成球状的的主要原因,冷却速度越大,石墨球的形貌越均匀,粒径越小。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 碳原子结构及其杂化方式
• 1.3 碳的性质
• 1.3.1 碳的物理化学性质
• 1.3.2 碳的机械性质
• 1.3.3 碳的电子性质
• 1.3.4 碳的热学性质
• 1.3.5 碳的光学性质
• 1.3.6 碳的表面性质
• 1.4 碳微球材料的研究现状
• 1.4.1 碳微球的制备方法
• 1.4.1.1 化学气相沉积法
• 1.4.1.2 高温热解碳源法
• 1.4.1.3 溶剂水热法
• 1.4.1.4 催化还原法
• 1.4.1.5 其它的制备碳球方法
• 1.4.2 碳微球的应用
• 1.4.2.1 锂离子电池负极材料
• 1.4.2.2 储氢和吸附材料
• 1.4.2.3 电化学电容器
• 1.4.2.4 碳微球的其他用途
• 1.5 碳包覆金属颗粒研究现状
• 1.5.1 碳包覆金属颗粒的制备方法
• 1.5.1.1 高温热解法
• 1.5.1.2 化学气相沉积法
• 1.5.1.3 溶剂水热法
• 1.5.1.4 电弧放电法
• 1.5.2 碳包覆金属颗粒复合材料的应用
• 1.5.2.1 在磁性材料的应用
• 1.5.2.2 在生物医学方面的应用
• 1.5.2.3 在吸波材料方面的应用
• 1.6 课题研究的意义和创新点
• 参考文献
• 第二章 实验材料和表征测试
• 2.1 实验试剂和设备
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验设备和仪器
• 2.2 实验表征测试分析
• 2.2.1 X-射线衍射分析
• 2.2.2 场发射扫描电子显微镜表征
• 2.2.3 能量分散谱表征
• 2.2.4 低倍透射扫描电镜和高倍透射扫描电镜表征
• 2.2.5 拉曼光谱分析
• 2.2.6 X射线光电子能谱分析
• 2.2.7 BET比表面积测试
• 2.2.8 磁学性质
• 2.2.9 吸波性能测试
• 2.2.10 热稳定性分析
• 2.2.11 分子动力学模拟
• 第三章 微纳米石墨球在Ni熔体中的制备及其结构研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验研究的技术路线
• 3.3 实验结果与讨论
• 3.3.1 X射线衍射分析
• 3.3.2 拉曼光谱表征
• 3.3.3 场发射扫描电子显微镜和元素成分分析
• 3.3.4 透射扫描电子显微镜分析
• 3.3.5 高倍透射电镜分析
• 3.3.6 生长机理研究
• 3.3.7 热稳定性分析
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 微米磁性石墨球的制备及其性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验研究的技术路线
• 4.3 实验结果与讨论
• 4.3.1 X射线衍射分析
• 4.3.2 拉曼光谱表征
• 4.3.3 场发射扫描电子显微镜及元素成分分析
• 4.3.4 石墨球的磁学性质
• 4.3.5 X射线光电子能谱分析
• 4.3.6 石墨球的断口形貌分析
• 4.3.7 石墨球的生长机理研究
• 4.3.8 石墨球的BET比表面积
• 4.3.9 石墨球的热稳定性分析
• 4.3.10 磁性石墨球的吸波性能
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 腐蚀快冷的Fe-C合金制备微纳米石墨球
• 5.1 引言
• 5.2 实验研究的技术路线
• 5.3 实验结果与讨论
• 5.3.1 X射线衍射分析
• 5.3.2 拉曼光谱表征
• 5.3.3 场发射扫描电子显微镜
• 5.3.4 高倍透射扫描电镜表征
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 第六章 结论
• 攻读硕士学位期间学术论文及其研究成果
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表