单根超细多壁碳纳米管大尺寸弹性形变过程原位纳米力学研究

本文利用原位透射电子显微镜技术,研究了单根超细(直径20 nm)多壁碳纳米管(MWCNT)在轴向载荷下形貌和结构的演化过程,并对同步获取的多壁碳纳米管力-位移(F-D)曲线进行了分析.有趣的是,经历过15次轴向压缩循环后,MWCNT在形貌和结构上都几乎保留了原始形态.大尺寸的弹性形变过程表明,碳纳米管具有良好的柔韧性和抗压缩性能.根据F-D曲线拟合得出的碳纳米管的杨氏模量约为0.655 TPa.     

三元复合材料PANI/Ag/MWNT的电化学行为和比电容

通过原位聚合的方式在银纳米粒子/多壁碳纳米管(Ag/MWCNT)复合材料的表面成功聚合苯胺单体制备了聚苯胺/银纳米粒子/多壁碳纳米管(PANI/Ag/MWCNT)三元复合材料苯．通过对三元复合材料的结构以及表面形貌进行分析,表明聚苯胺层完全包覆了Ag/MWCNT复合材料,形成了核壳式结构．同时银纳米粒子则以单质晶体的形态存在于多壁碳纳米管与聚苯胺层之间．三元复合材料电极在1 mol/L的KOH溶液中具有极低的阻抗,而与聚苯胺电极相比,这些复合材料电极则表现出更低的电阻、更高的电化学活性和更好的循环稳定性．尤其是当苯胺和Ag:MWCNTs质量比为5:5时,该复合材料电极在0.25 A/g的电流密度下表现出最大的比电容值为160 F/g．     

不同参数多壁碳纳米管的拉曼光谱研究

拉曼光谱是进行碳材料结构与性质研究的有力手段,为了研究多壁碳纳米管(MWCNT)的管径和长度对其拉曼光学性质的影响,本研究对一系列不同管径和长度的多壁碳纳米管进行拉曼光谱的测试和分析。研究发现: 与高取向的石墨相比,多壁碳纳米管一阶拉曼光谱的G峰中心和D峰中心都会向低波数发生不同程度的红移;MWCNT两个主要特征峰(G峰和D峰)峰强在其他条件相同的情况下,与MWCNT的管径成正比,与长度成反比;G峰的频移与MWCNT的管径和长度两个因素密切相关,与管径成反比关系(这与单壁碳纳米管的径向呼吸模有着一致的结果),与管长成正比关系,而D 峰的频移受MWCNT的管径和长度的影响很弱,并对此现象进行了初步分析。在此基础上,我们以MWCNT的长径比为横坐标,G峰频移为纵坐标作图,进行线性拟合,得到了G峰频移与长径比成一定的线性递增关系。采用同样的分析方法,我们将G峰和D峰强度分别对MWCNT的长径比作图,进行线性拟合,得到了G峰和D峰强度分别与MWCNT的长径比成一定的线性递减关系。     

不同参数多壁碳纳米管太赫兹谱特性

探索不同管径和长度的多壁碳纳米管(MWCNT)的太赫兹(THz)谱特性,采用透射型太赫兹时域光谱系统研究了5个不同管径和长度的MWCNT样品的太赫兹吸收谱和折射率谱,并对比和分析了它们的差异。结果表明:在0.2~2.0THz内,多壁碳纳米管太赫兹吸收没有特征吸收峰,吸收强度随着频率的增加而增加,并可以拟合为不同斜率的直线,且MWCNT在THz波段的吸收强度与管径和长度成正比。折射率随着频率的增加呈指数衰减,同时,管径是影响其折射率的一个重要因素,而长度对其影响不大。     

碳纳米管端口的场蒸发

将单根多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotube,MWCNT)组装在W针尖上并送入超高真空场发射/场离子显微镜(Ultrahigh Vacuum Field-emission/Field-Ion microscope,UHV-FEM/FIM)进行场蒸发及场发射研究.结果表明,场蒸发可以降低MWCNT的逸出功,从而增强其场发射能力.估算MWCNT的蒸发场低于1.3×10⁸V·cm^-1,且在此场强下的平均蒸发速率为9.4nm·min^-1.定性讨论了MWCNT的蒸发场大大低于C的理论值的原因.首先,通过场解吸获得的清洁端口上有较多悬挂键,平均每个C原子的配位数较小,所以升华热较低.其次,可能存在于MWCNT中的H原子会在强场下碰撞端口的C原子,使其更易蒸发.以上结果显示了利用场蒸发剪短碳纳米管从而改善其场发射特性的可行性. 关键词： 碳纳米管 场蒸发 场发射     

多壁碳纳米管与金属表面间接触行为的分子动力学模拟

碳纳米管与金属表面间的界面接触行为对碳基电子器件的性能研究具有重要意义.本文利用分子动力学模拟方法研究了端部开口和闭口的多壁碳纳米管与金属表面间的界面接触构型和粘着强度.模拟结果表明,多壁碳纳米管在金属表面上的位置和形状变化是因为减少的范德瓦耳斯能转变成碳纳米管的内能;多壁碳纳米管与金属表面的结合能为负值,表明两者存在粘着作用;多壁碳纳米管水平地接触金属表面时的粘着强度受初始间距、接触长度和金属种类影响,即范德瓦耳斯能作用的初始间距阈值约为1 nm且最终平衡状态时的两者间距约为0.3 nm;随着两者接触长度增加,粘着强度增大,铂与碳纳米管的粘着强度比钨和铝的大;端部开口和闭口的碳纳米管与金属表面垂直接触时的粘着强度都比水平接触时的小,两端开口的碳纳米管在金属表面上发生径向压缩变形,最终形成带状结构;而两端封闭的碳纳米管在金属表面上发生轴向压缩变形;在碳纳米管场效应晶体管中,两端开口的多壁碳纳米管与单壁碳纳米管一样变形成带状结构,并且各个管壁之间以及最外层管壁与金属电极之间的间距相当,该原子尺度的间距(约0.34 nm)保证电子从金属隧穿到最外层管壁,并在内层管壁之间径向迁移.     

单壁氮化硼纳米管压缩特性的分子动力学模拟

采用分子动力学方法,分别模拟完好的和含有缺陷的(7,7)扶手椅型氮化硼纳米管的轴向压缩过程.原子间的相互作用采用Tersoff多体势函数来描述.为验证结果的可靠性,同时针对(7,7)扶手椅型碳纳米管进行对比计算.结果表明,氮化硼纳米管的压缩失效模式同碳纳米管相同,均表现为管壁的局部屈曲.发现纳米管的压缩强度,如临界轴向内力在低温下受温度影响明显,并且和应变率的大小有关.然而,应变率对纳米管的弹性变形没有影响.另外,还发现空位缺陷降低了纳米管的力学性能.与完好的纳米管相比,含有缺陷的纳米管轴向压缩强度对于温度的影响并不敏感.     

聚苯胺/碳纳米管复合体的制备及其三阶非线性光学性能研究

通过原位吸附-受限生长聚合法成功制备了聚苯胺/碳纳米管(PANI/MWCNT)复合体.红外光谱和拉曼光谱证实了在碳纳米管(MWCNT)表面的包覆层为聚苯胺(PANI).紫外—可见吸收光谱表明随着MWCNT含量的增加PANI的吸收发生红移且强度提高.扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察发现，PANI/MWCNT复合体直径为40—70nm，其中PANI的包覆层厚度约为15—20nm.利用四波混频方法测试它们的三阶非线性光学系数，结果发现PANI/MWCNT复合体的三阶非线性光学系数比纯PANI大，这说明在MWC 关键词： 碳纳米管 聚苯胺 复合体 三阶非线性光学系数     

乙炔/空气预混火焰法合成多壁碳纳米管的实验研究

本文利用乙炔-空气预混火焰研究了多壁碳纳米管(MWCNTs)的合成,采用涂覆有二茂铁或硝酸镍催化剂的探针在预混火焰中采样,用扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)对碳纳米材料(CNTs)的形貌和结构进行了表征.结果表明在乙炔-空气预混火焰中,二茂铁和硝酸镍均能够成功合成竹节状多壁碳纳米管,严物中处发现了碳纤维(CNF)、巴基葱(bucky onion)和碳黑等物质.二茂铁催化生成的碳纳米管管径大于硝酸镍催化生成的碳纳米管的管径;在乙炔-空 气散火焰和甲烷-空气扩散火焰中硝酸镍所催化合成的碳纳米管管径相近,说明碳纳米管的管径受催化剂颗粒尺寸的影响较大.研究表明探针在火焰中停留的时间和保护气体也会影响碳纳米管的合成.     

多壁碳纳米管膜湿敏特性的研究

研究了多壁碳纳米管(MWNTs)薄膜的湿敏特性，实验所用的多壁碳纳米管是用热灯丝化学气相沉积法(CVD)合成的.分别对未修饰和修饰的多壁碳纳米管膜温度和湿度特性进行研究后发现，修饰的多壁碳纳米管对温度和湿度非常敏感，且对湿度的响应时间和恢复时间短，重复性好.而未修饰的多壁碳纳米管对温度和湿度不太敏感.对修饰多壁碳纳米管的湿敏特性进行了理论分析，给出了其理论表示式. 关键词： 多壁碳纳米管 化学修饰 湿敏特性 物理吸附     

多壁碳纳米管热物性参数的理论计算

本文计算了多壁碳纳米管的声子色散关系,分析了多壁碳纳米管的声子振动模式和热物理性质.结果表明:多壁碳纳米管的层间相互作用使得声子频率升高,因而使得比热容和热导率降低.在极低温区层间相互作用对热物性参数的影响明显.对于(5,5)@(10,10)管,不考虑层间相互作用时热导率的计算值在10 K处可相差60%.随着层数的增加,多壁管热导率值降低,并且趋向定值.     

多壁碳纳米管长度对导热硅脂导热性能的影响

本文以多壁碳纳米管为添加材料用于改善导热硅脂的导热性能,分别研究了碳纳米管长度和碳管表面改性对硅脂热性能的影响。结果表明碳管长度对硅脂的热性能有明显影响,硅脂的导热性能会随着添加的MWCNT长度的增加而降低,只有当MWCNT的长度小于一定值后,才能有效提高硅脂的导热性能,否则可能会产生相反的效果。碳管表面的功能化处理能提高硅脂的导热性能。透射电子显微镜分析表明,经过表面改性的MWCNT表面发生明显变化,功能团的附着使得碳管之间的分散性增强,从而使添加了改性后的MWCNT/硅脂导热系数增大,热阻降低。     

金/多壁碳纳米管复合材料的合成及其三阶非线性光学性质

通过化学吸附法制备了金/多壁碳纳米管复合材料.采用X射线衍射仪、透射电子显微镜和紫外可见光谱仪对复合材料进行表征,制备的金纳米颗粒平均粒径为6nm,且均匀分散在碳纳米管表面.在脉冲宽度为30ps、波长为532nm的激光光源激发下,运用Z扫描技术分别研究金/多壁碳纳米管复合材料和多壁碳纳米管的三阶非线性光学性质.实验结果表明:金/多壁碳纳米管复合材料呈现正的非线性折射效应和饱和吸收性质,其三阶非线性极化率χ(3)为1.89×10-12 esu,比多壁碳纳米管高2.6倍.     

不同应变率和碳纳米管掺量下混凝土的力学性质与能量演化特征

为研究应变率(加载速率)和多壁碳纳米管掺量对碳纳米管混凝土试样力学性质、能量演化规律及损伤破坏特征的影响,采用RMT-150B岩石力学试验系统,对不同应变率下不同碳纳米管掺量的混凝土试样开展了系列单轴压缩试验。试验结果表明：碳纳米管混凝土试样的延性随着多壁碳纳米管掺量的增加而增大;当应变率恒定时,多壁碳纳米管掺量为0.1%的改性碳纳米管混凝土的单轴抗压强度最大;当多壁碳纳米管掺量恒定时,应变率为5×10^-3 s^-1(0.5 mm/s)时碳纳米管混凝土试样的单轴抗压强度最大;当应变率较大时,在试样峰值应力处,碳纳米管混凝土的能量耗散值占总能量的28.29%;当应变率较小时,试样峰前阶段的能量耗散现象显著,峰值应力处耗散能占比平均高达37.34%;当应变率和多壁碳纳米管掺量均较小时,碳纳米管混凝土在破坏前所吸收的能量大量转化为耗散能,峰后试样能量释放率较小,表现为局部张拉与剪切混合破坏特征;当应变率和多壁碳纳米管掺量均较大时,碳纳米管混凝土在破坏前所吸收的能量主要储存为可释放弹性应变能,在破坏时混凝土试样的能量释放速率较高,碳纳米管混凝土试样破坏...     

气相爆轰法合成含铁多壁碳纳米管

以甲烷和氧气为前驱体,二茂铁为催化剂,采用气相爆轰法在密闭反应管中合成多壁碳纳米管。运用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜、Raman光谱等手段对多壁碳纳米管进行形貌表征和物相、成分分析。结果表明:所制备的多壁碳纳米管呈弯曲缠绕状,管径分布在20~50nm,长度达数微米,具有优异的管状结构,并且石墨化程度较高;碳纳米管中除含碳元素外,还包含少量纳米铁颗粒,且产物中含有少量碳化铁。XRD分析表明,爆轰反应发生后催化剂被分解、还原为金属单质。根据实验结果和理论分析,提出了气相爆轰法合成碳纳米管的机理。     

多壁碳纳米管储氢的物理吸附特性

采用巨正则蒙特卡罗方法 ,模拟常温、1 0MPa下氢在扶手椅型多壁壁碳纳米管中的物理吸附过程 .氢分子之间、氢分子与碳原子之间的相互作用采用Lennard Jones势能模型 .研究了双壁碳纳米管外 (内 )径固定而内 (外 )径改变时的物理吸附储氢情况 ,发现氢分子主要储存在双壁碳纳米管的管壁附近 ,当双壁碳纳米管的内外管壁间距由 0 .34nm增大到 0 .6 1或 0 .88nm时可有效增加物理吸附储氢量 ,并给出了相应的理论解释 .在此基础上 ,计算了管壁间距为 0 .34、0 .6 1和 0 .88nm时的三壁碳纳米管的物理吸附储氢量 ,并与相同条件下单壁和双壁碳纳米管的物理吸附储氢量作了比较 ,发现多壁碳纳米管的物理吸附储氢量随碳管层数的增加而减小 .     

基于HRTEM和Raman分析定向多壁碳纳米管阵列的生长机理

以二茂铁、二甲苯为前驱体,石英为衬底,在850 oC的管式炉内采用化学气相沉积法制备出了定向碳纳米管阵列. 高分辨透射电子显微镜和拉曼光谱的结果表明：碳纳米管阵列具有良好的定向性和多壁管状结构,石墨化程度高,并且只在表面存在少量单壁碳纳米管.定向多壁碳纳米管阵列的生长模式为“底部”生长模式,即在生长的初期,当催化剂颗粒较小时,析出的碳原子生成了单壁碳纳米管或与其性质类似的多壁碳纳米管(一般层数小于5层);催化剂颗粒逐渐长大后,大量的碳原子析出后生成了普通的多壁碳纳米管,从而形成了单壁碳纳米管只存在于碳纳米管阵列膜表面和多层碳纳米管膜表面与界面的现象.     

氢在多壁碳纳米管中的吸附储存

利用巨正则系综蒙特卡罗(GCMC)的方法模拟了氢在多壁碳纳米管中的吸附,氢气分子之间、氢气分子和碳原子之间的相互作用势能采用Lennard-Jones势能模型。模拟了不同结构参数(管内径、管壁数、管壁间距)的多壁碳纳米管在77K和298K下的吸附等温线,分析了多壁碳纳米管的管内径、管壁数以及管壁间距对吸附性能的影响。模拟结果表明:多壁碳纳米管的管壁数和管壁间距对吸附性能的影响较明显;管壁数越少,管壁间距越大,其吸附性能越好;多壁碳纳米管的管内径对其吸附性能的影响甚微。     

可溶性高聚物-多壁碳纳米管复合物的吸收光谱和光限幅性能研究

合成了三种可溶性高聚物嫁接的多壁碳纳米管复合物,包括聚乙烯基咔唑-多壁碳纳米管复合物(MWNTs-PVK),聚苯乙烯-多壁碳纳米管复合物(MWNTs-PSt)和聚甲基丙烯酸甲酯-多壁碳纳米管复合物(MWNTs-PMMA)。合成样品的TEM图显示出高聚物成功地包裹在碳纳米管外。样品的氯仿溶液UV-Vis 吸收谱显示,复合物的紫外区与纯的多壁碳纳米管不同,有一些复杂的特征吸收峰,反映了高聚物与碳纳米管共价连接的作用。利用Z扫描技术通过527 nm的纳秒激光脉冲激发研究了这三种复合物的非线性光学性质和光限幅性能。这三种复合物的氯仿溶液的光限幅性能很相似,并且优于纯多壁碳纳米管氯仿悬浮液和C60甲苯溶液。为解释观察到的结果,研究了样品的非线性折射,非线性吸收和非线性散射机制。结果显示,非线性吸收是引起样品光限幅的主要机制。     

多壁碳纳米管薄膜的压阻效应研究

对多壁碳纳米管薄膜的压阻效应进行了研究. 实验所用的多壁碳纳米管用热灯丝化学气相沉积法合成, 压阻效应用三点弯曲法测量. 研究发现: 在室温下与500微应变内, 原始的多壁碳纳米管薄膜无明显压阻效应, 而经化学修饰处理的碳纳米管膜的压阻因子最高可达120左右, 大大超过多晶硅(Si)在35°C时的压阻因子30, 并且压阻因子与制备方法密切相关. 重点讨论了多壁碳纳米管薄膜产生压阻效应的机制.