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火焰合成纳米碳纤维研究 鲍桥梁1潘春旭2 3) 1(武汉理工大学材料科学与工程学院武汉43006 2(武汉大学物理科学与技术学院武汉430072) 摘要：本文提出了一种合成纳米碳纤维的新方法，即在大气气氛中，通过燃烧碳一氢化台物获得纳 米碳纤维的火焰合成法。与传统的气相生长法相比，该方法不但制备工艺简单、廉价，合成的纳米 碳纤维的结构完整，尺寸在IOOmn以下。 关键词；纳米碳纤维 纳米碳管 气相生长纳米碳纤缎 I 前言 碳材料蕴藏着无穷的生命力，它几乎包括了地球上所有物质的所有性质：如最硬一最软、绝缘 体一半导体一良导体、绝热一良导热、全吸光一全透光等。因而一些发达国家如美国将碳材料为战 现了碳纳米管口J，为科学界开辟了一个崭新的领域，这一类一维碳材料的特殊的物理性能和力学性 能更是引起了材料科学家们的广泛兴趣。 早在19世纪末，人们在研究烃类热裂解及一氧化碳歧化反应时，在催化剂表面生成的结碳中发 现了碳纤维。到了上世纪70年代初，日本信州大学的小山恒夫教授才系统研究了这种碳纤维，并命 carbon 名为气相生长碳纤维(Vapor-grownfiber，VGCF)。随后，曰本等一些国家的科研院所相继研 发了此类高性能、高附加值的非连续短微型碳纤维，并在制备技术、生长机理、机构特征、性能和 应用等方面取得了长足进展州。从“六五”计划开始，我国也支持了一些单位攻关研究高性能碳纤 维[41。 一般认为，纳米碳纤维直径尺度为10nm～500nm，介于普通气相生长碳纤维与纳米碳管之间， 因而纳米碳纤维的结构和性能处于普通碳纤维和纳米碳管之间的过渡状态，它既有普通气相生长碳 纤维的低密度、高比模量、高比强度、高导电性等性能，又有纳米碳管的比表面积大、导电性能好、 结构缺陷少等优点p】。因而，纳米碳纤维既可用作高性能复合材料的增强体(增强橡胶、增强塑料、 增强陶瓷、增强金属等)，又可作为高附加值的功能性材料(如吸附材料、燃料电池的储氢材料、锂 离子二次电池负极电极材料、电磁屏蔽材料、高传热材料等)Ⅳl。 通常用气相生长法制备纳米碳纤维，所得产物为气相生长纳米碳纤维。在传统方法中，无论 是基体法，还是流动催化剂法，无一例外都需要在高温保护性气氛中进行，而且必须另外加 入纳米量级的催化剂颗粒【8，9】。本文介绍的是利用碳．氢化合物燃烧火焰合成纳米碳纤维的新 方法，其主要特点是；合成过程在大气中进行，无需额外保护，也不用额外添加催化剂颗 粒，就能制备出纯度很高的直径在100nm以下的纳米碳纤维。因而该方法显示出了低成本、 大批量生产的广阔应用前景。 2 实验方法 将碳素钢基板抛光后，用强酸腐蚀不同时间。然后将抛光面朝下放入碳一氢化合物燃烧火焰中 物就是纳米碳纤维块体。火焰温度场和基板表面温度用直径lrnm的铂一铑K分度级热电偶测量。 200kV。 3 实验结果与讨论 3．1火焰合成纳米碳纤维的微观形貌特征 将基板直接放入扫描电镜(SEM)中观察发现，基板上的褐色附着物为纤维状生成物，生长取 向上杂乱无章，并在某一个局部范围内还是会有一定的团簇倾向，如图1所示。在透射电镜(TEM) 下，纤维状生成物为实心，直径在30nm～70nm之间，每根纤维上都会有一个黑点，其大小与纤维 直径接近，如图2所示。与前期研究中(10，11)，在火焰中观察到的纳米碳管相比，其形态有明显 的不同，因此认为是一种纳米碳纤维(Carbonnanofiber)物质。 与气相生长纳米碳纤维过程一样，在火焰中合成的纳米碳纤维的也需要催化剂颗粒，这些颗粒 是通过在基板表面进行强酸腐蚀时产生的。一般来说，Fe、co、Ni单质被认为是合成纳米碳纤维时 最有效催化剂【l”。但是在大气中火焰合成纳米碳纤维时，起催化作用的并不是Fe的单质。因为相对 于气相生长法中的还原性保护气氛而言”…，大气是氧化性气氛。Baker等在研究了各种Fe的氧化物 和碳化物的反应活性之后认为渗碳体没有催化活性ll…。因此认为火焰合成纳米碳纤维过程中起催化 作用的是Fe的氧化物(10,1110 圉1纳束发纤堆的扫描电镜(SEM)形貌 图2蚋米炭纤维的扫描电镜(TEM)形貌