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，因此實現(xiàn)碳納米線圈的大量合成對于其廣泛應(yīng)用來說是至關(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床法的氧化鋁小球襯底來高效合成碳納米線圈的方法及其生長機(jī)制，為其實際應(yīng)用打下了良好基礎(chǔ)。此外還對得到的碳納米線圈/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。實驗發(fā)現(xiàn)，復(fù)印紙襯底在工業(yè)制造過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尺寸的顆粒。同時，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，提高了復(fù)印紙襯底上合成碳納米線圈的產(chǎn)率。通過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高效合成碳納米線圈。其成長結(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。通過在竹纖維襯底上沉積氯化鈣顆粒來增強(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床法。本論文研究了以適用于流動床法的氧化鋁小球作為襯底，在其上沉積鐵錫催化劑來大量合成碳納米線圈的實驗方法。由于碳納米線圈的成長需要適宜的碳層厚度，過薄的碳層不能夠給線圈螺旋成長提供足夠的支撐，而過厚的碳層則會大大降低線圈的產(chǎn)率。因此通過調(diào)整鐵錫催化劑前驅(qū)體溶液的濃度以及鐵錫摩爾比來調(diào)控碳層的厚度和碳納米線圈的產(chǎn)率。實驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)催化劑中

6、鐵錫摩爾比為60∶1，30∶1和10∶1的時候，在氧化鋁小球上可以成長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隨之減小，從而導(dǎo)致碳納米線圈產(chǎn)率的降低。通過增大催化劑的濃度來提高較小尺寸小球上碳層的厚度，可以實現(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，并對其電磁波吸收特性進(jìn)行了研究。實驗發(fā)現(xiàn)，二者均表現(xiàn)出了優(yōu)異的電磁波吸收特性。對于提純的碳納米線圈摻雜的樣品，當(dāng)摻雜量為8％的時候，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，可以實現(xiàn)很好的寬頻吸收。這是因為一方面由于碳納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