碳納米線圈的高效經濟制備及其吸波特性研究.pdf

1、在碳材料的諸多形態(tài)中，具有三維螺旋結構的碳納米線圈引起了研究者們的特別關注。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電特性和高強度，還具有更加突出的機械和電磁等特性，因此有望應用于微納米機電系統(tǒng)之中，包括電磁波吸收體，場發(fā)射裝置，感應線圈，納米彈簧，力電傳感器以及紅外響應器等。在宏觀應用方面，碳納米線圈有望制成高強度彈性復合材料以及電磁波吸收材料，因此實現碳納米線圈的大量合成對于其廣泛應用來說是至關重要的。本論文重點

2、研究了使用經濟環(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制，為其實際應用打下了良好基礎。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行了電磁波吸收特性的測試和研究。
　　首先，采用復印紙為襯底，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，復印紙襯底在工業(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，復印紙襯底上含有的硫元素含量的增加也促進了碳納米管和碳纖維的螺旋成長，提高了復印紙襯底上合成碳納米線圈的產率。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率的碳納米線圈。
　　在紙質襯底的基礎上，發(fā)現由植物纖維構成的衛(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)和產率。通過觀察三種襯底的纖維結構

4、發(fā)現，構成衛(wèi)生紙襯底的碳纖維直徑較粗且成扁平狀，構成棉布襯底的碳纖維排列較緊密，這樣的構成特點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量的碳納米線圈。相比之下，構成竹纖維襯底的碳纖維直徑較小且排列比較疏松，導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

5、率。
　　上述襯底只適合于經濟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率。因此通過調整鐵錫催化劑前驅體溶液的濃度以及鐵錫摩爾比來調控碳層的厚度和碳納米線圈的產率。實驗發(fā)現當催化劑中

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，碳產物中碳層的厚度也會隨之減小，從而導致碳納米線圈產率的降低。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，可以實現碳納米線圈產率的提升。
　　碳納米線圈由于其獨特的三維螺旋結構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合材料，并對其電磁波吸收特性進行了研究。實驗發(fā)現，二者均表現出了優(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，當摻雜量為8％的時候，在13.92 GHz處的反射損失可達到-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構可以產生交叉極化，另一方面又與其周圍的線圈和石蠟形成LCR回路，從而增強了吸波材料的介電損