新型碳納米材料的制備、性質(zhì)及應(yīng)用研究.pdf

1、富勒烯和納米碳管是1985年和1991年發(fā)現(xiàn)的新型碳納米材料，因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和優(yōu)異的性能而引起廣泛的重視，成為納米科技中的重要分支。本文主要研究納米碳材料富勒烯和納米碳管的結(jié)構(gòu)、合成、萃取、提純、分離、性質(zhì)及其應(yīng)用。本文分為七章，在第一章中綜述了碳納米材料富勒烯和納米碳管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、一般性質(zhì)、研究方法及其應(yīng)用前景，綜述了國(guó)內(nèi)外在富勒烯和納米碳管的研究方面的最新進(jìn)展。第二章給出了用陽(yáng)極弧蒸發(fā)石墨法合成及用甲苯萃取富勒烯C60和C70的

2、技術(shù)、并用高效液相色譜法分離C60和C70的技術(shù)，研究了影響制備C60和C70的產(chǎn)率的各種因素，諸如工作氣體種類(lèi)、弧電流大小、氣壓、電弧穩(wěn)定性、陰陽(yáng)極石墨的純度等，得到其最佳制備條件，用自己研制的裝置得到產(chǎn)率高達(dá)17％的制備宏觀量的C60和C70。第三章研究了C60的衍生物和摻S薄膜的性質(zhì)。合成了C60的內(nèi)修飾衍生物L(fēng)a@C60、外修飾衍生物C60Br24及水溶性多羥基富勒醇C60(OH)n，并研究了它們的結(jié)構(gòu)性質(zhì)和質(zhì)譜、紅外吸收譜、核

3、磁共振譜、高效液相色譜等波譜性質(zhì)。制備了摻S的C60薄膜，并研究其電學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)了其半導(dǎo)體特性。在第四章給出了用陽(yáng)極弧等離子體蒸發(fā)內(nèi)含金屬催化劑(Fe，Co，Ni)的石墨棒合成單壁納米碳管的技術(shù)及其最佳實(shí)驗(yàn)條件，同時(shí)用化學(xué)氣相沉積法合成了純度高、定向排列單壁納米碳管陣列，并用TEM、SEM、TGA、XRD和Raman譜技術(shù)對(duì)所合成的納米碳管進(jìn)行了多方面的表征，表明用陽(yáng)極弧等離子體法合成的納米碳管是結(jié)構(gòu)缺陷少、準(zhǔn)直、可廣泛應(yīng)用于探針和納米

4、電子器件的優(yōu)質(zhì)單壁納米碳管及其管束，但是粗產(chǎn)物內(nèi)含大量無(wú)定型碳和金屬碳化物等雜質(zhì)粒子。用氣相氧化法、強(qiáng)酸氧化法和分部提純法對(duì)電弧放電法合成的產(chǎn)物進(jìn)行了提純，得到了高收率、高純度的單壁納米碳管。研究了催化劑種類(lèi)和含量、弧電流大小、緩沖氣體種類(lèi)、氣壓等諸多因素對(duì)納米碳管產(chǎn)率和質(zhì)量的影響，得到最佳的制備條件。提出弧電流的磁致收縮效應(yīng)是生成高質(zhì)量準(zhǔn)直單壁納米碳管及其管束的主要原因。第五章中研究了富勒烯和納米碳管的一般結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并探討了其形成機(jī)理

5、。提出碳籠的穩(wěn)定性與碳籠的對(duì)稱性相關(guān)，對(duì)稱性越高，穩(wěn)定性越高，同時(shí)其產(chǎn)率越高的理論。理論計(jì)算了單壁納米碳管的結(jié)構(gòu)，并理論推導(dǎo)和數(shù)值計(jì)算了單壁納米碳管及其管束的密度與楊氏模量隨碳管直徑變化的關(guān)系。第六章研究了納米碳管復(fù)合材料，用拉伸法合成了單壁納米碳管均勻分布并延拉伸方向定向排列的SWNT/PMMA復(fù)合材料，其電學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)具有各向異性。含3wt％納米碳管的復(fù)合材料的電導(dǎo)率比純PMMA提高了8個(gè)數(shù)量級(jí)，拉伸率從3500提高到5000,

6、碳管的加入使復(fù)合材料的熱學(xué)穩(wěn)定性明顯提高。研究了納米碳管的定向排列技術(shù)，提出了在流速梯度場(chǎng)中和用拉伸法定向排列納米碳管的技術(shù)。用陽(yáng)極弧等離子體蒸發(fā)富含磁性材料粉末的石墨棒合成了碳納米管包覆磁性納米材料。研究了具有分叉結(jié)構(gòu)、異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)缺陷的納米碳管。第七章展望了以后有關(guān)納米碳材料的研究方向，主要包括：(1)研究以C60及其衍生物和納米碳管為n型材料的有機(jī)太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)、制備和性質(zhì)。(2)研究以水溶性富勒醇C60(OH)n為高二次電