PAN基碳纤维在石墨化过程中的拉曼光谱

采用激光拉曼光谱研究了PAN基碳纤维在石墨化(2 000～3 000 ℃)过程中的结构变化;比较了石墨化前后纤维表面和断面拉曼光谱特征。结果表明：高温石墨化后,碳纤维的一级拉曼光谱有3个峰(D,G和D′),表征碳纤维结构有序程度的拉曼参数主要有D和G峰的半高宽(FWHM)、G峰的拉曼位移和D与G峰的积分强度比R(I_D/I_G)。随着热处理温度的提高,D和G峰的半高宽、G峰的拉曼位移和R值均逐渐减小,即使经过3 000 ℃高温处理后,D峰仍然存在,R值为0.19,说明纤维中仍存在无序结构。另外,R值与纤维中石墨微晶的基面宽度L_a成反比,石墨化后纤维取向性的增加使得表面和断面的拉曼光谱有明显的差异。因此,可利用激光拉曼光谱来定量表征碳纤维的石墨化程度和取向。     

PAN基碳纤维在表面处理中的拉曼光谱研究

采用激光拉曼光谱研究了PAN基碳纤维在表面处理中的微结构变化,分析了表面处理前后碳纤维的一级拉曼光谱特性。结果表明：拉曼光谱中主要的D峰和G峰的拉曼频移、半高宽以及各个不同拉曼频移位置对应肩峰的积分面积比是表征碳纤维物相结构变化的重要参数。经过不同的表面处理,PAN基碳纤维的一级拉曼光谱参数发生了一定程度变化,D峰和G峰的拉曼峰位向高波数偏移,表征石墨微晶尺寸的R值有所提高,这说明在表面处理后碳纤维的石墨微结构受到刻蚀,微晶尺寸有所减小,石墨微晶的边界活性增大;此外,表征碳纤维结构有序程度和缺陷多少的D峰和G峰的半高宽均有减小,表征无定型碳结构或某种有机官能团的A峰和D″峰的相对积分面积减小,这说明与乱层石墨结构相比,碳纤维中存在的无定型碳结构更容易被刻蚀,经过表面处理之后无定型碳的物相比例减小,这与碳纤维XRD图谱中表观结晶度提高的规律相一致。因此,利用激光拉曼光谱可研究碳纤维物相结构的变化规律。     

医用碳纤维的拉曼散射

本文报道了三种不同碳含量的碳纤维植入犬体前后的拉曼光谱，实验结果表明，碳化温度越高，碳纤维的石墨化程度越高，碳纤维植入犬体一年后，其表面石墨化程度降低，但碳纤维主体仍为良好的石墨结构。     

非平衡磁控溅射法制备的Cr-DLC薄膜真空退火的Raman光谱研究

利用非平衡磁控溅射法制得厚度达到2.23 μm的掺铬含氢类金刚石(Cr-DLC)碳膜。采用Raman光谱和XPS对制得的薄膜进行了结构和热稳定性等表征。结果表明：室温时,薄膜在1 544 cm-1附近的Raman“G”峰归属于石墨结构中C—C键的伸缩振动,即E_2g 模式;而1 367 cm-1附近的“D”峰归属于sp2碳环的“呼吸”振动模式,即A_1g模式;计算得到薄膜sp3键的相对含量约为48at.%。加热至300 ℃,薄膜的Raman谱图与室温时相似,表明此温度段薄膜的结构稳定,未发生明显改变;至400 ℃时,I_D/I_G值迅速增大,sp2键含量升高, 表明此时DLC膜发生了明显的结构变化,开始发生石墨化。继续升温,膜中I_D/I_G比率增加,“G”峰位向高波数方向位移,表明 sp2/sp3比率逐渐增大,薄膜石墨化程度加强,sp2键的无序度逐渐降低,最终导致薄膜的摩擦系数和磨损率等逐渐增大, 热稳定性逐渐降低。退火600 ℃时,I_D/I_G值以及sp2键含量达到最大值,DLC薄膜失效。     

X射线光电子能谱辅助Raman光谱分析类金刚石碳膜的结构细节

分别采用具有和不具有弯曲弧磁过滤器的两种真空阴极弧离子镀方法,在不同工艺参量下制备了类金刚石碳膜.采用Raman光谱和X射线光电子能谱(XPS),分析了不同工艺参量下的类金刚石碳膜的键结构,通过对Raman光谱的D峰、G峰和C1s电子结合能峰位、强度的对比,详细讨论了沉积工艺参量对类金刚石碳膜结构的影响.研究发现,不同工艺下具有高强度D峰Raman光谱的类金刚石碳膜,其C1s电子结合能却分别位于284.15,285.50eV,表明高度石墨化和高度金刚石化两种状态类金刚石碳膜,都可以形成具有高强度D峰Raman光谱曲线 关键词： 类金刚石碳膜 Raman光谱 X射线光电子能谱     

碳纤维在电化学处理中的拉曼光谱研究

采用激光拉曼光谱研究了电化学改性处理过程中聚丙烯腈基碳纤维的表面微结构变化,分析了不同处理时间下碳纤维的一级拉曼光谱特性。结果表明： 碳纤维的一级拉曼光谱可以拟合为4个峰,即D(D₁),G,D₂和D₃,表征碳纤维表面微结构变化的拉曼参数主要有D线和G线的积分面积比R(I_D/I_G),D₂线与G线的积分面积比I_D3/I_G,D₃线与G线比I_D3/I_G以及所有无序结构积分面积总和与G线积分面积的比值I_DS/I_G。电化学处理后,碳纤维表面无序度增大,D线和G线交叠度减小,R增大,I_D3/I_G增大,I_D2/I_G减小。随着处理时间的增加,I_DS/I_G不断增大,它与R值的变化趋势基本一致,并且可以更全面表征碳纤维表面结构有序性的变化。因此,利用激光拉曼光谱可以研究电化学改性处理过程中碳纤维表面的微结构变化规律。     

氧化无烟煤的谱学研究

变质程度高、碳含量高的无烟煤是生产活性炭的主要煤种。无烟煤的结构特征在其材料方向开发利用中起着决定性作用,可以通过化学氧化的方法对煤的结构进行定向优化。以云南昭通地区天然高碳低灰无烟煤为原料,采用硝酸/硫酸酸浸氧化法制备了氧化无烟煤。使用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)和衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR)对产物进行结构和谱学特征研究。结果表明, 无烟煤具有介于石墨和无定形碳之间的类石墨微晶结构;相较于烟煤和褐煤,无烟煤微晶堆叠高度(L_c)、微晶直径(L_a)较大,结构有序度介于低变质煤和石墨之间。无烟煤的氧化经过两个主要过程,微晶片层边缘被氧化卷曲破坏引起片层平均直径L_a减小。新的CO键在片层边缘生成,硫酸与硝酸进入片层边缘层间域。H₂SO₄和HNO₃作为插层剂进入无烟煤微晶碳中,层间距d₍₀₀₂₎由原煤的0.351 nm增长到了0.361 nm。原有的微晶片层被剥离开,微晶片层的堆叠层数,由6下降到4.5,Raman光谱中I_D1/I_G相较于原煤增大(1.9→2.0),G峰的半峰宽(FWHM)升高(63→68),D₂峰的强度提高(10.26→13.78)。大量新的—C—O—,CO和—NO₂键生成,富氧程度参数大幅提高(0.11→0.42)。经过混酸处理的氧化无烟煤,芳香度f_a提高,结构有序度降低,新增了大量反应活性点,在无烟煤基多孔炭材料开发等领域具有很大潜力。     

掺钽钨青铜的制备及光学性能

以TaCl₅和Na₂WO₄为原料,采用水热法在170 ℃制备性能良好的掺钽钨青铜(Ta_<i>xWO₃)纳米线。利用Ｘ射线衍射技术(XRD)、扫描电镜(SEM)、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis)及拉曼光谱(Raman)等分析手段,对该材料的结构、形貌及光谱性能进行表征。XRD结果表明：Ta_xWO₃纳米材料为六方相结构氧化钨,当Ta_xWO₃中Ta/W摩尔比小于0.04时,晶胞参数随着掺杂量的增大而逐渐增大,当掺杂量达到大于0.04后保持基本不变。UV-Vis光谱表明,随着钽掺杂量的增大,紫外吸收峰发生红移,即能隙逐渐减小。Raman光谱显示：随钽掺杂量的增大,Raman峰位逐渐向低波数方向移动,同时振动峰逐渐宽化,进一步证明了钽掺杂对氧化钨结构的影响。光催化降解罗丹明B的实验显示,制备的Ta_xWO₃具有较高的光催化活性。     

热处理温度对铜镍镀层的光谱性能的影响

采用电沉积法在镍表面制备铜镍镀层,并将该铜镍镀层在不同温度下进行热处理。分别用扫描电镜法(SEM)、能谱法(EDAX) 和X衍射法(XRD)等对热处理后的铜镍镀层进行表征,研究热处理温度对铜镍镀层的光谱性能的影响。用电镀的方法获得的铜镍镀层表面是由节瘤组成,热处理温度在25~600 ℃范围,随着热处理温度的升高,铜镍镀层表面的节瘤变小;热处理温度在600~900 ℃范围,随着热处理温度的升高,铜镍镀层表面的节瘤变小,铜镍镀层表面的节瘤间的分界线越不明显。热处理温度在25～900 ℃范围,随着热处理温度的升高,铜镍镀层中铜的含量减小,从82.52 at%减小到78.30 at%;镍的含量增加,从17.48 at%增加到21.70 at%。铜镍镀层为Cu_0.81Ni_0.19立方晶型结构,热处理温度在25～300 ℃范围,随着热处理温度的升高,Cu_0.81Ni_0.19的晶型结构更完整;热处理温度在600～900 ℃范围,铜镍镀层中可能有部分的Cu_0.81Ni_0.19立方晶型结构转变为Cu_3.8Ni立方晶型结构;随着热处理温度的升高,有利于Cu_3.8Ni(311)和Cu_0.81N_i0.19(311) 晶面的生长。     

激光轰击过程中纳米碳管复合光限幅材料组成及结构的演变研究

光限幅材料在激光轰击过程中的稳定性将在很大程度上决定其实用化价值。文章采用红外(IR)光谱、拉曼(Raman)光谱、透射电子显微镜(TEM)及孔结构分析等测试方法对纳米碳管(CNTs)复合光限幅材料在激光轰击过程中组成、结构的演变进行跟踪研究。结果表明,在强激光轰击下,复合体系中二氧化硅(SiO₂)基质的组成未发生显著改变且网络结构趋于完整,具有较好的稳定性。掺杂CNTs石墨化程度提高,SiO₂凝胶玻璃基质对其起一定的保护作用。轰击过程产生的热效应使得SiO₂颗粒长大,由其堆积而成的孔随之增大。     

碳纳米管掺杂聚丙烯腈/铜室温环化为石墨的拉曼光谱分析及形成机制研究

石墨质碳质材料因具有良好的电学、力学、热学性能而在电子设备,复合材料,电池,传感器中得到广泛应用,但针对生产能耗高,污染大,成本高,不可控等现状是急需解决的核心问题。因此,通过使用较简单和成本低的制造技术在纳米级器件中获得石墨碳结构的方法是一个有吸引力的探索领域。表面等离激元技术因具有环境友好、能耗低等优点而受到广泛关注,利用等离激元技术诱导大分子链状聚合物石墨化就是一种具有广阔前景的制备技术,而Cu作为贱金属具有产量高,价格便宜等优势。基于表面等离激元技术,利用激光辐射粗糙Cu表面上的聚丙烯腈（PAN）+碳纳米管（CNT）,而使聚丙烯腈在金属表面被石墨化。通过改变基底刻蚀时间、退火温度、退火时间、激光强度系统地研究了PAN/Cu和PAN+CNT/Cu得到最佳石墨化条件。实验结果表明：以PAN作为探针分子,在2.5 mol·L-1硝酸刻蚀15min的铜基底上,观察到了增强因子为1.39×104的表面增强拉曼散射（SERS）效应。通过使用拉曼激光作为光源,在退火温度为140 ℃时,可以观察到石墨化的PAN分子结构缺陷较少,碳氮三键消失,其I_D/I_G可达1.160 8。CNT进一步用于改变粗糙铜基底的光催化性能,我们使用硝酸改性的多臂碳纳米管（MWCNT）与PAN结合对催化系统进行改进,当掺入2%CNT后,通过表面等离激元PAN可以在40 ℃的条件下实现石墨化,其I_D/I_G达到0.942 1,并且激光的引入大大提高了石墨化位点的可控性,将其归因于激光照射下铜表面产生的热电子对PAN的催化作用,并提出可能存在两种催化和石墨化的机制,一种为热电子通过CNT使PAN石墨化,另一种为热电子通过CNT作用于PAN附近的O₂,通过·O-₂使PAN石墨化。     

高煤级煤石墨化轨迹阶段性的XRD和Raman光谱表征

为了研究石墨化过程中煤的分子结构有序化轨迹,选取湖南、陕西19个不同变形-变质程度高煤级煤为研究对象,采用工业分析、元素分析、X射线衍射分析（XRD）和拉曼光谱分析（Raman）等手段,结合分峰拟合的数学方法,对系列样品分子结构参数（XRD结构参数,如石墨化度、延展度L_a、堆砌度L_c及面网间距d₀₀₂等;Raman参数,如P_G,P₁,R₁,R₂等）进行了统计与计算。研究结果表明：煤化作用阶段H/C随变质程度增加而逐渐减小,但在石墨化阶段以物理变化为主,其趋势变缓或不显著;XRD参数d₀₀₂,L_a,L_c,N及L_a/L_c等随变质程度呈现非线性连续（阶跃性）变化,拐点大致对应R_m=7.0%,d₀₀₂=0.338 nm,拐点之前L_a,L_c及N变化较小（或平稳增大）,拐点之后石墨晶体结构快速形成,微晶尺寸增大,拼叠作用开始并逐渐增强;L_a/L_c变化亦反映石墨化过程由缩合作用向拼叠作用转变。高煤级煤石墨化轨迹可按有序化增加的三阶段模型来表述,无定形碳（无烟煤）至变无烟煤阶段,G峰位、峰位差P₁变化显著,I_D1/I_G在表达无序程度时不服从TK关系;变无烟煤至半石墨阶段,即从石墨化开始结构演化轨迹呈现不同方向,R₁随着有序的增加呈现截然相反的轨迹,部分石墨组分演化服从TK关系,R₂在石墨化度为45%时呈现截然相反的轨迹;石墨阶段温、压作用导致微晶尺寸急剧增加（或阶跃）,I_D1/I_G减小服从TK关系。当不同石墨化程度的新生组分共存时,d₀₀₂不足以代表样品最大的演化程度,但其作为平均度量来标度高煤级煤石墨化过程中结构演化特征仍为较优的选择,且(002)和(γ)峰半峰宽能较好地区分石墨化煤的变质类型,H/C,I_D1/I_G亦随d₀₀₂演化轨迹不同,需利用d₀₀₂＜0.344 0 nm,R₁＜2.0,H/C＜0.12等综合指标判别石墨化的开始。由此可以看出,采用XRD和Raman光谱分析技术可以表征高煤级煤石墨化轨迹阶段性以及结构的差异性。     

2-(4-氟代苯甲酰基)苯甲酸-铕配合物的合成、结构表征及荧光性能的研究

以硝酸铕、2-(4-氟代苯甲酰基)苯甲酸(HL)、1,10-菲咯啉(Phen)和三苯基氧膦(TPPO)合成了EuL₃(H₂O)₆,EuL₃Phen(H₂O)₄和EuL₃(TPPO)(H₂O)₅三种固态配合物。用元素分析、红外光谱、核磁共振氢谱对配合物进行了组分确定和结构表征。IR表明,2-(4-氟代苯甲酰基)苯甲酸与Eu3+形成配合物后,位于1 692 cm-1处羧基的ν_CO峰消失,2 500～3 200 cm-1处羧基的ν_O—H峰也消失,出现了羧酸盐特有的反对称伸缩振动吸收峰(ν_as(CO-₂))和对称伸缩振动吸收峰(ν_s(CO-₂)),且Δν(ν_as(CO-₂)-ν_s(CO-₂))与钠盐的Δν相近,说明羧酸根与Eu3+以对称双齿桥式配位。在1H NMR中,形成配合物后第一配体苯环上的质子峰变为宽峰且移向高场,Phen和TPPO中质子化学位移移向低场。室温下测定了配合物的荧光激发光谱和发射光谱,激发光谱表明配合物EuL₃(H₂O)₆,EuL₃Phen(H₂O)₄和EuL₃(TPPO)(H₂O)₅的最佳激发波长分别为353.0,355.0和357.0 nm;发射光谱均显示Eu3+离子的特征发射光谱,且表明Phen对Eu3+离子的荧光发射有明显增强作用。     

Early stages of laser graphitization of diamond

A mechanism for photographitization of a free diamond surface is proposed. The quantum-kinetic rate of this process is determined. The graphitization rate is close to zero if the activation energy of the graphitization process is taken as being equal to the binding energy of a carbon atom with the surface (i.e. equal to the sublimation energy of a carbon atom). On the contrary, if the activation energy is close to the energy of C–C bonds, the graphitization process may occur at a noticeable rate and be observed under ‘relatively smooth’ experimental conditions. The temperature rise leads to a considerable increase in the graphitization rates. Preliminary experimental data on the low-rate laser ablation of diamond are presented to support the proposed model of photographitization. An early stage of laser-induced graphitization in the bulk of diamond is also considered. It is found that the nucleation of a ‘tiny graphite drop’ is possible in the bulk of the diamond inside the focal area of a laser beam; the ‘graphite drop’ growth causing the appearance of mechanical stresses in the surrounding regions. The maximum size of the graphite drop is determined, which, when exceeded, leads to mechanical damage of the sample and to a change in the mechanism of laser graphitization. An evident mechanical criterion for laser-induced damage of diamond is proposed. Received: 2 October 2002 / Accepted: 5 October 2002 / Published online: 29 January 2003 RID="*" ID="*"Corresponding author. E-mail: stvn@stankin.ru     

Effect of Temperature of Thermomechanical Processing on the Heterogeneous Structure of Carbon Fiber

Technical Physics - X-ray diffraction is used to study changes of fine structure of carbon fibers caused by an increase in the heat-treatment temperature. It is shown that the fiber material is...     

PLS和SMLR建模方法在水蜜桃糖度无损检测中的比较研究

在实际应用中,一些实验条件往往不能严格控制而存在变化,从而影响近红外光谱检测模型的稳健性。文章以50个常温和50个冷藏后的奉化水蜜桃样品组成温度混合样品集,经光谱杠杆值和狄克松检验法进行异常光谱剔除后,采用偏最小二乘法(PLS)和逐步多元线性回归(SMLR)对水蜜桃糖度进行建模分析。PLS的建模结果：校正集相关系数R_C=0.965, 校正均方根标准误差RMSEC=0.301°Brix,交叉验证R_CV=0.812,交叉验证均方根标准误差RMSECV=0.67°Brix,标准偏差与交叉验证均方根标准误差的比值RPD=1.72;SMLR的建模结果：校正集R_C=0.929,RMSEC=0.424°Brix, 交叉验证R_CV=0.887, RMSECV=0.532°Brix, RPD=2.16。SMLR的预测结果要优于PLS的预测结果,在SMLR分析中,在3个不同的光谱区域4 290～7 817,7 817～10 725,4 290～10 725 cm-1的RPD值分别为1.97,1.89,2.16。试验结果表明,将不同温度条件下的样品组成温度混合样品集,用PLS和SMLR建立的模型具有较好的预测效果。     

CVD法SiC纤维表面碳涂层结构的拉曼光谱研究

采用激光拉曼光谱仪和扫描电子显微镜对以C₂H₂+H₂和C₂H₂+C₃H₈+Ar为反应气体,通过直流加热化学气相沉积工艺在SiC纤维表面制备的碳涂层的微观结构及断口形貌进行了研究。结果表明,两种碳涂层的拉曼光谱中1 350,1 400～1 500和1 600 cm-1附近均观察到D,D”和G特征峰的存在。碳涂层具有类似石墨的片层结构,结构中微晶的排列显示出一定的无序性,并含有少量非晶态碳。随着沉积温度的升高,微晶尺寸有所增加,结构中的均匀性和有序度也得到改善。断口观察发现,采用C₂H₂+H₂制备的碳涂层平整、致密;而由C₂H₂+C₃H₈+Ar得到的碳涂层呈曲折的层片状。分析表明,这主要与结构中的有序度和均匀性有关。     

Densification mechanism of polyacrylonitrile-based carbon fiber during heat treatment

Polyacrylonitrile (PAN)-based carbon fibers were heat treated at various temperatures for varying durations to simulate the graphitization process in the manufacture of C/C composites. Densification of the resulting fibers was confirmed by density measurement. The composition and structure of the fibers were investigated by means of elemental analysis, X-ray diffraction and Raman spectroscopy. For specified isothermal heat treatment time, the structural parameters depended strongly on heat treatment temperature. The nitrogen content decreased with increased heat treatment temperature and extended time at constant temperature. Nitrogen loss was complete at temperatures above 1900 °C. The graphite crystallite size increased rapidly with increasing heat treatment temperature, and slowly with extended isothermal heat treatment time. At 2100 °C a more ordered graphitic structure appeared. Denitrogenation induced “puffing”, which made the fibers expand. Decrease in density in the heat treatment temperature range 1500-1900 °C originated from the abrupt evolution of nitrogen, and above 1900 °C the graphitization transition induced steadily increasing density. Densification of the carbon fibers was determined both by the rate of denitrogenation and the rearrangement of carbon atoms.     

Effect of Carbon Source with Different Graphitization Degrees on the Synthesis of Diamond

Using three kinds of graphites with different graphitization degrees as carbon source and Fe-Ni alloy powder as catalyst, the synthesis of diamond crystals is performed in a cubic anvil high-pressure and high-temperature apparatus （SPD-6 × 1200）. Diamond crystals with perfect hexoctahedron shape are successfully synthesized at pressure from 5.0 to 5.5GPa and at temperature from 1570 to 1770K. The synthetic conditions, nucleation, morphology, inclusion and granularity of diamond crystals are studied. The temperature and pressure increase with the increase of the graphitization degree of graphite. The quantity of nucleation and granularity ofdiamonds decreases with the increase of graphitization degree of graphite under the same synthesis conditions. Moreover, according to the results of the M6ssbauer spectrum, the composition of inclusions is mainly Fe3 C and Fe-Ni alloy phases in diamond crystals synthesized with three kinds of graphites.