電熱法CVD熱解碳及CCVD生長納米碳的研究.pdf

1、炭/炭復(fù)合材料（C/C復(fù)合材料）作為新一代高性能的復(fù)合材料有著無限廣闊的應(yīng)用前景，隨著 C/C復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，更加苛刻的使用環(huán)境對其性能及生產(chǎn)效率等的提高提出了更高的要求。
　　本文采用了一種新的 C/C復(fù)合材料的制備方法即電熱法，即利用炭纖維自身的導(dǎo)電性對其直接通電加熱，再利用化學(xué)氣相沉積（CVD）的方法沉積熱解碳（PyC），研究了熱解碳的結(jié)構(gòu)、形成機(jī)理及其對炭纖維表面微晶結(jié)構(gòu)的影響，并通過催化化學(xué)氣相沉積（CCVD）的

2、方法在炭纖維表面生長了納米碳，研究了不同電鍍工藝和C C VD工藝下納米碳的形態(tài)、生長機(jī)理及其影響因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：
　?。?）較高的加熱功率下（50W），熱解碳有兩種沉積模式。沉積初期，熱解碳主要以小球狀分子沉積生成球狀微晶組織的生長方式生長，隨著沉積時間延長為60min，大片狀分子沉積的生長方式占主導(dǎo)地位。
　?。?）降低初始加熱功率（30W），即降低沉積溫度，熱解碳的沉積方式主要為大片狀的分子沉積生成層狀微晶，且沉積

3、1h后形成了結(jié)構(gòu)致密的C/C復(fù)合材料。
　?。?）在大的氣流作用下，電熱法生成的熱解碳沿垂直于纖維軸向方向定向生長。
　?。?）CVD熱解碳會優(yōu)先在炭纖維表面的刻蝕點(diǎn)、孔洞等更大的活性點(diǎn)生長，形成一些無序堆疊的細(xì)小碳原子團(tuán)，使炭纖維表面微晶結(jié)構(gòu)的有序度降低，而碳原子團(tuán)會組裝形成一些小的石墨微晶，故而使炭纖維表面的平均微晶尺寸降低。
　　（5）不同電鍍時間下生成的納米碳可能是顆粒狀、木耳狀、竹節(jié)狀、樹枝狀等，也可能是 C

4、NT/CNF。合適的電鍍時間下，電鍍鎳顆粒分布均勻，尺寸合適，有利于生長出 CNT/CNF，電鍍時間過長，幾乎不能生成 CNT/CNF。可以通過控制電鍍時間來控制鎳顆粒的數(shù)量、形態(tài)和分布等，并進(jìn)一步控制生成的納米碳的形態(tài)。單晶的鎳顆粒催化生長出較直的 CNT/CNF或螺旋狀的 CNT/CNF，多晶的鎳顆粒催化生成木耳狀、竹節(jié)狀、樹枝狀或顆粒狀的納米碳。本實(shí)驗(yàn)最佳電鍍時間為3 min。
　?。?）CCVD生長CNT/CNF后，炭纖維

5、的晶化程度和表面平均微晶尺寸都增大。
　?。?）CCVD工藝3下生長的 CNT/CNT晶粒尺寸更大，石墨化度更高。本實(shí)驗(yàn)最佳氣體流量為：C2H2=80mL/min，N2=200mL/min。
　　（8）沉積時間對CNT/CNF的影響主要有兩個階段。第一階段為沉積初期，CNT/CNF和熱解碳（PyC）的沉積同時進(jìn)行，前者速率大且 CNT/CNF的形貌由鎳顆粒的大小和分布決定；第二階段為沉積后期，鎳顆粒失去活性，CN T/CNF