碳納米線圈的高效經(jīng)濟(jì)制備及其吸波特性研究.pdf

1、在碳材料的諸多形態(tài)中，具有三維螺旋結(jié)構(gòu)的碳納米線圈引起了研究者們的特別關(guān)注。碳納米線圈作為一種螺旋的碳納米管，不僅具有與碳納米管相近的導(dǎo)電特性和高強(qiáng)度，還具有更加突出的機(jī)械和電磁等特性，因此有望應(yīng)用于微納米機(jī)電系統(tǒng)之中，包括電磁波吸收體，場(chǎng)發(fā)射裝置，感應(yīng)線圈，納米彈簧，力電傳感器以及紅外響應(yīng)器等。在宏觀應(yīng)用方面，碳納米線圈有望制成高強(qiáng)度彈性復(fù)合材料以及電磁波吸收材料，因此實(shí)現(xiàn)碳納米線圈的大量合成對(duì)于其廣泛應(yīng)用來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。本論文重點(diǎn)

2、研究了使用經(jīng)濟(jì)環(huán)保的植物纖維襯底材料以及可用于流動(dòng)床法的氧化鋁小球襯底來(lái)高效合成碳納米線圈的方法及其生長(zhǎng)機(jī)制，為其實(shí)際應(yīng)用打下了良好基礎(chǔ)。此外還對(duì)得到的碳納米線圈/碳化植物纖維和提純的碳納米線圈樣品進(jìn)行了電磁波吸收特性的測(cè)試和研究。
　　首先，采用復(fù)印紙為襯底，在其上沉積鐵錫催化劑，成功地合成了碳納米管和碳納米線圈;而采用純紙為襯底，在同樣方法下僅得到碳納米管。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，復(fù)印紙襯底在工業(yè)制造過(guò)程中所添加的碳酸鈣顆?？梢詭椭r底吸附

3、更多的催化劑，促使其凝聚成為適合碳納米線圈生長(zhǎng)尺寸的顆粒。同時(shí)，復(fù)印紙襯底上含有的硫元素含量的增加也促進(jìn)了碳納米管和碳纖維的螺旋成長(zhǎng)，提高了復(fù)印紙襯底上合成碳納米線圈的產(chǎn)率。通過(guò)在純紙中人為添加碳酸鈣顆粒的方法同樣可以獲得高產(chǎn)率的碳納米線圈。
　　在紙質(zhì)襯底的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)由植物纖維構(gòu)成的衛(wèi)生紙、棉布和竹纖維襯底同樣可以用來(lái)高效合成碳納米線圈。其成長(zhǎng)結(jié)果顯示在三種襯底上合成的碳納米線圈具有不同的形態(tài)和產(chǎn)率。通過(guò)觀察三種襯底的纖維結(jié)構(gòu)

4、發(fā)現(xiàn)，構(gòu)成衛(wèi)生紙襯底的碳纖維直徑較粗且成扁平狀，構(gòu)成棉布襯底的碳纖維排列較緊密，這樣的構(gòu)成特點(diǎn)使這兩種襯底更加容易吸附催化劑，從而提升催化劑的聚集來(lái)獲得高產(chǎn)量的碳納米線圈。相比之下，構(gòu)成竹纖維襯底的碳纖維直徑較小且排列比較疏松，導(dǎo)致僅有少量的催化劑沉積在碳纖維上，這樣形成的催化劑顆粒尺寸較小，相互孤立，更適合于碳纖維和碳納米管的合成。通過(guò)在竹纖維襯底上沉積氯化鈣顆粒來(lái)增強(qiáng)碳纖維吸附催化劑的能力，從而提高了碳納米線圈在竹纖維襯底上合成的產(chǎn)

5、率。
　　上述襯底只適合于經(jīng)濟(jì)高效合成碳納米線圈的固定床法，而不適合于連續(xù)大量合成碳納米材料的流動(dòng)床法。本論文研究了以適用于流動(dòng)床法的氧化鋁小球作為襯底，在其上沉積鐵錫催化劑來(lái)大量合成碳納米線圈的實(shí)驗(yàn)方法。由于碳納米線圈的成長(zhǎng)需要適宜的碳層厚度，過(guò)薄的碳層不能夠給線圈螺旋成長(zhǎng)提供足夠的支撐，而過(guò)厚的碳層則會(huì)大大降低線圈的產(chǎn)率。因此通過(guò)調(diào)整鐵錫催化劑前驅(qū)體溶液的濃度以及鐵錫摩爾比來(lái)調(diào)控碳層的厚度和碳納米線圈的產(chǎn)率。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)催化劑中

6、鐵錫摩爾比為60∶1，30∶1和10∶1的時(shí)候，在氧化鋁小球上可以成長(zhǎng)出大量的碳納米線圈。此外，隨著氧化鋁小球直徑的下降，碳產(chǎn)物中碳層的厚度也會(huì)隨之減小，從而導(dǎo)致碳納米線圈產(chǎn)率的降低。通過(guò)增大催化劑的濃度來(lái)提高較小尺寸小球上碳層的厚度，可以實(shí)現(xiàn)碳納米線圈產(chǎn)率的提升。
　　碳納米線圈由于其獨(dú)特的三維螺旋結(jié)構(gòu)有望獲得較好的電磁特性，在高效吸波材料方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。本論文將衛(wèi)生紙及其上合成的碳納米線圈和提純的碳納米線圈以不同的重量

7、百分比分別與石蠟混合制成復(fù)合材料，并對(duì)其電磁波吸收特性進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，二者均表現(xiàn)出了優(yōu)異的電磁波吸收特性。對(duì)于提純的碳納米線圈摻雜的樣品，當(dāng)摻雜量為8％的時(shí)候，在13.92 GHz處的反射損失可達(dá)到-37.15 dB，且反射損失在-10 dB以下的頻帶寬度為8.4 GHz，可以實(shí)現(xiàn)很好的寬頻吸收。這是因?yàn)橐环矫嬗捎谔技{米線圈自身具有的螺旋結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生交叉極化，另一方面又與其周圍的線圈和石蠟形成LCR回路，從而增強(qiáng)了吸波材料的介電損