多壁纳米碳管和螺旋炭纤维的微观结构与输运性能

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	多壁纳米碳管和螺旋炭纤维的微观结构与输运性能
	吴法宇
学位类型	博士
导师	成会明
	2006-06-22
学位授予单位	中国科学院金属研究所
学位授予地点	金属研究所
学位专业	材料学
关键词	纳米碳管螺旋炭纤维高温处理微观结构输运性能
摘要	理论和实验研究均表明：作为一维炭材料在尺寸上的延伸和形态上的扩展，纳米碳管和螺旋炭纤维具有多样、奇异的结构和多方面的优异性能，但研究结果也因此存在着许多模糊性和离散性。为了能够充分利用这些新型炭材料，并不断研制和开发新的相关产品，准确掌握它们不同的微观结构及其相对应的基本物性参数是十分重要的。本文以输运性能为主线系统研究纳米碳管和螺旋炭纤维的结构、性能及结构-性能的相互关系。系统地对比分析了不同平均直径（10～100nm）多壁纳米碳管的X射线衍射谱和Raman光谱，结合电子显微观察，得到了高温处理前后不同直径纳米碳管的结构信息。经高温处理的纳米碳管层间距d002减小、微晶尺寸Lc增大，有序度提高。随着管径的减小，高温处理后的纳米碳管层间距增大，而反映层间距分布大小的结构应变εc有所减小，表明径向的石墨化程度是不均匀的，管径越小，石墨化过程也越难以进行。高温处理前纳米碳管的热膨胀行为更接近石墨的a向热膨胀行为，且其系数随着管径增大而增大；高温处理后纳米碳管的热膨胀增大，更接近石墨的c向热膨胀，50nm的碳管相对其它管径碳管有较小的热膨胀系数。这是因为高温处理使得纳米碳管在拓扑构形上有所改变：原始态的纳米碳管为带有大量缺陷的同心圆柱套叠结构，且管径越大，存在的缺陷越多；高温处理后，小直径纳米碳管倾向于采用类卷轴的结构降低体系自由能，而大直径碳管则表现为明显的多边化石墨化，50nm是多边化热力学及动力学条件得到满足的临界值。测量和分析了多壁纳米碳管/高密度聚乙烯复合物的热输运性能。结果表明：多壁纳米碳管/高密度聚乙烯复合物的热扩散率随温度升高而降低，且温度越高其下降幅度越大；纳米碳管的加入改善了基体的热输运性能，且随碳管体积含量的增加，复合物的热扩散率单调增加，没有出现类似该复合物体系电学性能的“渗流”现象。以基于多散射理论的有效介质法为模型，对复合物热扩散率进行了系统的分析，据此对纳米碳管的预处理和复合工艺进行了改进，取得了更佳的增强效果。并且从有效介质模型对实验数据的解析中，具有统计意义地推演出单根多壁纳米碳管的热导率，其值在40～60Wm-1K-1范围内，微晶尺寸小、缺陷多、结构无序是纳米碳管样品热导值不高的主要原因。电子显微分析表明：制备态螺旋炭纤维具有类似年轮状结构的近圆形横截面，在纵截面上体现为鲱鱼骨结构，其石墨微晶尺寸小、取向度差；高温处理后，其三维结构可理想地看作是由石墨微晶以具有锥角的多面柱体形式沿螺旋方向堆叠而成，表观上炭纤维显示为尺寸均匀的多面柱体形貌。X射线衍射和Raman散射结果也分别从宏观量级上体现出样品微观尺度有序度的提高。以气相生长的平直炭纤维为参照，对比研究了螺旋型炭纤维的微观结构特征。实验结果表明：整体上，螺旋炭纤维的微观结构要比平直炭纤维的结构更加无序；但螺旋炭纤维的外层结构较为有序。与中孔分布广、孔容低的平直炭纤维不同，螺旋炭纤维的中孔主要分布在3-4nm范围内，且有着较高的孔容，其比表面积几乎是平直炭纤维的10倍。螺旋炭纤维的结构特性使得其在抗氧化、电化学电容及锂离子电池储能等方面都体现出超越平直炭纤维的优势和应用潜力。采用双带模型分析了螺旋炭纤维的电导特性。实验结果表明：高温处理前后螺旋炭纤维的电阻率均随螺径减小而增大；随温度降低而升高。高温处理后螺旋炭纤维晶格趋于完整，在载流子传导机制中，边界散射不再占主导地位，载流子的移动度明显增加，伴随载流子浓度的提高，其室温电阻率从原始制备态的1.14×10-5Ω•m降低一个数量级到1.24×10-6Ω•m。由于内部的辐射传导，在高温段，螺旋炭纤维的表观热扩散率随温度升高而升高，其关系近似服从三阶多项式函数；推演的制备态螺旋炭纤维的室温热导率为32Wm-1K-1，其与电导率的洛伦兹比表明，螺旋炭纤维的导热载流子是声子，而导电载流子是电子（和空穴），但两者的主控输运机制相似，共同体现了螺旋炭纤维的无序结构。
页数	137
语种	中文
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/16883
专题	中国科学院金属研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	吴法宇. 多壁纳米碳管和螺旋炭纤维的微观结构与输运性能[D]. 金属研究所. 中国科学院金属研究所,2006.