论文部分内容阅读
上世纪80年代中期富勒烯的发现,以及90年代初碳纳米管和碳包覆纳米金属材料的发现,掀起了碳材料领域的研究热潮,多种制备方法应用到碳纳米材料的制备合成中,使这种古老而又新颖的材料得到了长足发展。其中,爆轰法以速度快、效率高、能耗低以及操作工艺简单等优势在众多的纳米材料制备方法中独树一帜,成为碳纳米材料制备研究所使用的新方法。本文利用爆轰法制备碳纳米材料,主要是对纳米金刚石、微/纳米石墨、碳包覆磁性金属的制备方法及机理进行探讨,工作内容及成果有:1.论文中对合成纳米金刚石的常用方法进行了综述;利用水包覆的方法爆轰制备出纳米金刚石,并研究了提纯工艺;通过X射线衍射（XRD）、透射电镜（TEM）以及Raman光谱等分析方法系统的表征了爆轰产物及提纯后的产物,证实了爆轰产物中含有多晶结构的纳米金刚石粉末。2.对目前用来制备纳米石墨粉的方法进行了综述分析,并从原材料的选取上将当前纳米石墨粉的制备方法划分为两类:一类是通过天然石墨制备纳米石墨,另一类是由富碳材料合成纳米石墨。论文中提出了爆轰裂解可膨胀石墨制备石墨微粉的方法,并通过XRD、扫描电镜（SEM）以及比表面与孔隙度分析仪等分析表征方法对爆轰产物进行表征,结果证明爆轰产物的成分为纯度较高的石墨,其直径在1～10μm之间,吸附性能提高至天然石墨粉的5倍以上;文中还提出了爆轰裂解天然石墨制备纳米石墨片的方法,即:在天然石墨中加入强氧化性酸,形成稳定的石墨层间化合物（GraphiteIntercalation Compounds,GICs）,加入炸药后对该爆炸性混合物进行爆轰处理,利用XRD、TEM、Raman光谱以及比表面与孔隙度分析对产物进行表征,结果表明,所制备出石墨薄片的厚度分布在5～200nm之间,并随反应前GICs阶数的高低而有所差异,爆轰后孔径分布于3～8nm的孔数量大大增加,在4nm周围达到最大值,而孔径在3nm以下的孔数量有相对减少趋势,利用该方法获取的爆轰石墨比表面积增大至天然石墨的7～9倍以上。3.参照Gaite等人针对石墨提出的“一电子模型”,利用Thomas-Fermi方程,推导得出石墨层片之间碳原子相互作用的力常数k的表达式,与文献从实验中获得的力常数值对比可知,所得表达式计算出的k值与实验值非常吻合,以此为基础建立了HNO3GICs的结构单元模型和体积单元模型,对GICs的裂解过程进行分析后,提出了两种炸药模型用以提供石墨层片分离的驱动力:液体炸药模型和层间化合物炸药模型;利用一种简单的爆轰产物P-V关系,通过非线性拟合得出了JWL状态方程的六个参数,再利用LS-DYNA程序对石墨层片的运动过程进行近似模拟,得到裂解时石墨层间距与时间的对应关系。4.在真空爆炸容器中,利用爆轰法制备出碳包覆磁性金属材料,通过XRD、TEM、Raman光谱以及磁强计等表征方法,对碳包金属进行了系统表征。结果表明:碳包金属的包覆结构完整,经过浓盐酸浸泡后仍大量存在,而且在常温下都显示出超顺磁性以及一定的软磁特性。对碳包铁的形成条件进行研究后得到:爆轰压力越高,铁核的结晶度越好,但包覆结构越差;对爆炸容器抽取真空时,真空度越高,爆轰产物的包覆结构越好,而且当氧含量增多时,碳易转变为无定形态;在真空条件下爆轰处理含有Fe、Co、Ni等元素的化合物时,只有Fe可以作为生成富勒烯的触媒。