爆轟制備碳納米材料及其形成機(jī)理研究.pdf

1、上世紀(jì)80年代中期富勒烯的發(fā)現(xiàn)，以及90年代初碳納米管和碳包覆納米金屬材料的發(fā)現(xiàn)，掀起了碳材料領(lǐng)域的研究熱潮，多種制備方法應(yīng)用到碳納米材料的制備合成中，使這種古老而又新穎的材料得到了長足發(fā)展。其中，爆轟法以速度快、效率高、能耗低以及操作工藝簡單等優(yōu)勢(shì)在眾多的納米材料制備方法中獨(dú)樹一幟，成為碳納米材料制備研究所使用的新方法。本文利用爆轟法制備碳納米材料，主要是對(duì)納米金剛石、微/納米石墨、碳包覆磁性金屬的制備方法及機(jī)理進(jìn)行探討，工作內(nèi)容及成

2、果有： 1.論文中對(duì)合成納米金剛石的常用方法進(jìn)行了綜述：利用水包覆的方法爆轟制備出納米金剛石，并研究了提純工藝；通過X射線衍射(XRD)、透射電鏡(TEM)以及Raman光譜等分析方法系統(tǒng)的表征了爆轟產(chǎn)物及提純后的產(chǎn)物，證實(shí)了爆轟產(chǎn)物中含有多晶結(jié)構(gòu)的納米金剛石粉末。 2.對(duì)目前用來制備納米石墨粉的方法進(jìn)行了綜述分析，并從原材料的選取上將當(dāng)前納米石墨粉的制備方法劃分為兩類：一類是通過天然石墨制備納米石墨，另一類是由富碳材料

3、合成納米石墨。論文中提出了爆轟裂解可膨脹石墨制備石墨微粉的方法，并通過XRD、掃描電鏡(SEM)以及比表面與孔隙度分析儀等分析表征方法對(duì)爆轟產(chǎn)物進(jìn)行表征，結(jié)果證明爆轟產(chǎn)物的成分為純度較高的石墨，其直徑在1～10um之間，吸附性能提高至天然石墨粉的5倍以上：文中還提出了爆轟裂解天然石墨制備納米石墨片的方法，即：在天然石墨中加入強(qiáng)氧化性酸，形成穩(wěn)定的石墨層間化合物(Graphitelnteralation Compollllds，GICs)

4、，加入炸藥后對(duì)該爆炸性混合物進(jìn)行爆轟處理，利用XRD、TEM、Raman光譜以及比表面與孔隙度分析對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行表征，結(jié)果表明，所制備出石墨薄片的厚度分布在5~200nm之間，并隨反應(yīng)前GICs階數(shù)的高低而有所差異，爆轟后孔徑分布于3-8mm的孔數(shù)量大大增加，在4nm周圍達(dá)到最大值，而孔徑在3nm以下的孔數(shù)量有相對(duì)減少趨勢(shì)，利用該方法獲取的爆轟石墨比表面積增大至天然石墨的7~9倍以上。 3.參照Grote等人針對(duì)石墨提出的“一電子

5、模型”，利用Thomas-Fermi方程，推導(dǎo)得出石墨層片之間碳原子相互作用的力常數(shù)k的表達(dá)式，與文獻(xiàn)從實(shí)驗(yàn)中獲得的力常數(shù)值對(duì)比可知，所得表達(dá)式計(jì)算出的k值與實(shí)驗(yàn)值非常吻合，以此為基礎(chǔ)建立了HNO3GICs的結(jié)構(gòu)單元模型和體積單元模型，對(duì)GICs的裂解過程進(jìn)行分析后，提出了兩種炸藥模型用以提供石墨層片分離的驅(qū)動(dòng)力：液體炸藥模型和層間化合物炸藥模型；利用一種簡單的爆轟產(chǎn)物P-V關(guān)系，通過非線性擬合得出了YWL狀態(tài)方程的六個(gè)參數(shù)，再利用LS

6、-DYNA程序?qū)κ珜悠倪\(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行近似模擬，得到裂解時(shí)石墨層間距與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 4.在真空爆炸容器中，利用爆轟法制備出碳包覆磁性金屬材料，通過XRD、TEM、Raman光譜以及磁強(qiáng)計(jì)等表征方法，對(duì)碳包金屬進(jìn)行了系統(tǒng)表征。結(jié)果表明：碳包金屬的包覆結(jié)構(gòu)完整，經(jīng)過濃鹽酸浸泡后仍大量存在，而且在常溫下都顯示出超順磁性以及一定的軟磁特性。對(duì)碳包鐵的形成條件進(jìn)行研究后得到：爆轟壓力越高，鐵核的結(jié)晶度越好，但包覆結(jié)構(gòu)越差；對(duì)爆炸容器抽