微纳米炭材料的电弧等离子体选控制备及性能

题名:微纳米炭材料的电弧等离子体选控制备及性能
作者:李振涛
学位授予单位:大连理工大学
关键词:电弧等离子体;;煤;;微纳米炭材料;;制备;;光谱诊断
摘要:
 微纳米炭材料尺度和形貌多样,具有独特的光、电、磁和机械性能,在功能材料领域展现出
广阔的应用前景。规模化、低成本、尺度和形态可控制备是实现微纳米炭材料实际广泛使用的基本
前提条件。本论文根据煤的组成和结构Magnetic lifter特征,采用“分子剪裁”的技术策略,借助电弧等离子体及其
耦合化学气相沉积技术手段,实现了多种功能性微纳米炭材料的选控制备,主要研究内容和成果如下
：
 1.自行研制一套多功能电弧等离子体实验装置、煤基炭棒炭化装置并实现等离子体原位光
谱诊断。电弧等离子体实验装置阴极卡套设进气管,不同种类的碳氢气体可直接进入电弧等离子体
区域；通过发射光谱,对炭材料的制备过程进行检测和分析。
 2.以煤为碳源,通过电弧等离子体
法实现煤基一维纳米炭材料—单壁碳纳米管(SWCNTs)及双壁碳纳米管(DWCNTs)的大量制备,建立了
适于SWCNTs纯化的技术方法。以Y2O3和Ni为催化剂,在氦气条件下制得大量的SWCNTs,其产率在10%
以上放电过程的原位光谱诊断结果显示,电弧等离子体中存在C2和CN物种,电弧区域温度为3150 K,
通过氧化性酸处理与空气氧化,SWCNTs纯度可达近90wt.%；使用FeS催化剂,在氦气和氢气混合气氛
中制备了大量的DWCNTs,其生成速率可达25 mg/min,光谱诊断发现其生长过程中存在C2和CH物种,电
弧区域温度为3050 K。
 3.以煤基炭棒为阳极,将有机气体引入等离子体区域,实现电弧等离子体
技术和化学气相沉积技术的耦合,通过调节催化剂用量等条件选控制备了零维纳米炭材料—纳米洋
葱状富勒烯(NOLFs)和碳包覆磁性金属纳米颗粒(CEMNs)。NOLFs石墨层数可以达到数十甚至数百层,
呈现同心圆状,具备良好的洋葱状结构；CEMNs具有较窄的直径分布和良好的石墨化程度,在室温下
具有铁磁性、高磁响应性和抗酸腐蚀性。
 4.以煤基炭棒为阳极,利用电弧等离子体耦合化学气
相沉积技术,通过调节反应条件如催化剂种类及用量和气氛种类及压力等,实现多种功能性微米炭材
料—碳带、螺旋炭纤维、炭微米树以及分级结构炭材料的选控制备。碳带的宽厚比为7.5-50,长度
可以达到几百微米乃至毫米量级,碳带尺度由催化剂尺寸决定,放电气氛是影响碳带形貌的关键因素
；螺旋炭纤维由单根炭纤维规则地螺旋卷合而成,螺旋方向有左旋和右旋两种形式,存在交叉螺旋现
象；制备的炭微米树具有实心结构、良好的石墨http://www.999magnet.com/化程度和与碳纳米管相接近的弹性模量,其生长的
关键性因素是铁催化剂和有机气体的使用；碳纤维阵列呈现锥状结构,由直径50-200 nm的纳米碳纤
维组装构成,通过对煤基炭棒的预处理,实现了分级结构炭材料形貌的可控调变,基本结构单元变为
顶部填充金属的荆棘状碳纤维。
学位年度:2010