收藏本站
《西安交通大学》 2009年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

液体中电弧放电生成碳纳米材料及其磁场控制的实验研究

邢刚  
【摘要】:碳纳米材料是目前纳米科技领域中研究最为活跃的一个分支,其潜在的应用前景十分宽广和诱人。因此,对碳纳米材料的制备方法和生成机理的研究也成为近期的热点。其中,液体(水、液氮等)中电弧放电法制备碳纳米材料的方法,因为不需要密封的反应室、冷却装置和真空系统,很有可能成为低成本、大批量制备碳纳米材料的有效方法。为了实现这个目标,就需要深入研究液体电弧放电过程中碳纳米材料的生长机理,电弧放电各参数和外加磁场对其影响。因此,本文进行了大量的实验研究和相应的理论分析。 本文首先设计了一套水中碳电弧放电的实验装置,进行了一系列不同电流下的放电实验,在所选用的实验条件下,确定了有利于生成碳纳米材料的电流范围(25~120A)。通过扫描电镜和高分辨透射电镜的观测和分析可知:阴极沉积物中含有大量多壁碳纳米管,由阳极蒸发产生的碳粒子在阴极表面定向沉积而成;而水面漂浮物中的主要结构是碳纳米洋葱和不规则的多面体纳米颗粒,由各向同性的碳粒子在气泡壁附近形核并生长而成。通过对气体产物的气相色谱分析明确了水中碳电弧发生的主要化学反应是C+H2O=CO+H2,为等离子体区的理论分析提供了实验依据。通过对水中碳电弧的研究可知,影响碳纳米材料生成的主要因素包括:电弧电流的大小和方向、电弧等离子体的稳定性、放电介质的化学性质和冷却效果、阴极表面形状等。为了具体地研究这些因素对碳纳米材料生成过程的影响,分别进行了交流、催化剂、液氮以及锥形阴极等一系列不同条件下碳电弧放电的实验,得到了多壁碳纳米管、碳纳米洋葱、单壁碳纳米角团簇和碳包裹纳米钴颗粒等多种纳米结构,并分析了其各自的形成原因和各种因素所起到的作用。 在总结各种实验现象和实验结果的基础上,结合电弧理论和相变原理,建立了一个液体中电弧放电生成碳纳米材料的物理模型。模型指出:在电弧稳定燃烧的过程中,液体被电弧的高温所加热,在弧柱周围形成气泡,为电弧提供了一个气体氛围的放电环境。阳极石墨棒蒸发出大量的碳粒子,一些碳粒子与液体发生化学反应,生成活性气体。其余碳粒子则可以分为两部分:一部分沿着弧柱区运动至阴极,在温度较低的阴极表面定向沉积,沿着电弧的轴向生长成多壁碳纳米管;而另一部分则运动至气泡壁附近,形成各种球状碳纳米结构。气泡中可能存在的活性气体也会影响碳纳米材料的形成过程,并对所生成的产物进行刻蚀。该模型解释了液体电弧放电过程中各种碳纳米结构形成的机理,并为进一步的实验研究提供了理论依据。 根据液体电弧放电模型可知,电弧的稳定性和碳粒子运动的定向性对纳米结构的生成过程有重要影响。为了研究这些影响,本文分别对液体中电弧施加了横向低频交变磁场和纵向恒定磁场,横向磁场扰动电弧而破坏了碳粒子的定向性,纵向磁场则束缚电弧而增强了碳粒子的定向性。通过对产物的分析,进一步为放电模型提供了有力的实验支持,得到了一些很有研究价值的新结构,并对它们的形成过程进行了初步的理论推测。其中,横向磁场作用下碳电弧放电得到了一种单壁管缠绕结构,而纵向磁场作用下碳电弧放电则得到了一种空心筒状结构,这两种结构目前还没有相关报道。通过施加横向磁场还首次在水中生成了单壁碳纳米角,与激光蒸发法和液氮中电弧放电法相比,有望大大降低单壁碳纳米角的生产成本。此外,通过施加横向交变磁场,还增加了碳纳米洋葱、碳纳米角团簇等球状纳米颗粒的产量。 本文通过放电模型的建立,完善了目前已有的液体电弧法制备碳纳米材料的理论。首次引入外加磁场来控制液体中电弧形态和碳粒子的运动方向,实现了对产物中碳纳米结构的初步控制,并得到了一些新颖的碳纳米结构,如单壁管缠绕结构和空心筒状结构。该部分内容在国内外相关研究领域中尚属空白,具有很大的探索意义。
【学位授予单位】:西安交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TB383.1

手机知网App
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前6条
1 伍春燕,张海燕,陈易明,何艳阳,朱燕娟,王金华;金属Co催化直流碳弧放电产物的研究[J];广东工业大学学报;2001年04期
2 李维学;崔永福;戴剑锋;王青;;电弧法合成填充金属纳米粒子的碳纳米管[J];兰州理工大学学报;2007年01期
3 廖晓宁;李凤仪;华丽;朱淮军;;碳纳米管的改性与应用[J];化工新型材料;2006年06期
4 许并社,闫小琴,王晓敏,市野濑英喜,解思深;电弧放电中纳米洋葱状富勒烯生成机理的研究[J];金属热处理学报;2001年04期
5 刘雯;杨永珍;张艳;刘旭光;王晓敏;许并社;;液苯介质放电制备洋葱状富勒烯[J];新型炭材料;2007年01期
6 孙晓刚;;碳纳米管加载量对复合材料吸波性能的影响[J];新型炭材料;2007年04期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张麟;梁国正;杨莉蓉;何少波;;碳纳米管改性双马来酰亚胺树脂体系的性能[J];工程塑料应用;2007年02期
2 钮金芬;姚秉华;闫烨;;聚合物/CNTs复合导电材料研究进展[J];工程塑料应用;2007年07期
3 董汇泽;杨君丽;鲁云;;纳米TiO_2光催化剂对藏茵陈种子萌发能力的影响[J];安徽农业科学;2009年22期
4 董汇泽;杨君丽;李会山;;超声辅助光催化对川西獐牙菜种子萌发能力的影响[J];安徽农业科学;2010年31期
5 白杨;刘善江;姚志东;卯丹;孙昊;田野;马良;王彦龙;薛畅;;微波消解与ICP检测技术在分析领域中的发展与应用[J];安徽农业科学;2010年35期
6 冯猛;张羊换;王新林;;纳米碳球屏蔽涂料的制备与导电性能研究[J];安全与电磁兼容;2010年04期
7 王发展,张晖,丁秉钧;W-ThO_2电极材料的研究进展[J];兵器材料科学与工程;2001年04期
8 陈文革,丁秉均,张晖;W-La_2O_3电极材料的研究进展[J];兵器材料科学与工程;2002年04期
9 殷凤良;胡绳荪;高忠林;赵立志;;等离子体电弧数值模拟的研究进展[J];兵器材料科学与工程;2007年06期
10 王跃,李全保,韩庆林,宋炳文,介万奇,周尧和;固态再结晶法生长碲镉汞晶体的相变过程[J];半导体光电;2000年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 于镇洋;赵乃勤;师春生;杜希文;李家俊;张旖;;硼酸镁晶须增强铝基复合材料的界面改性[A];第十五届全国复合材料学术会议论文集(上册)[C];2008年
2 刘柱;周明顺;朱新河;郭祖平;盛进路;;燃油纳米化装置在船舶柴油机上的台架试验研究[A];节能环保 和谐发展——2007中国科协年会论文集(一)[C];2007年
3 刘立军;张志勇;杨延宁;翟春雪;;一种基于CVD法的纳米碳管微观分析及场致发射特性的研究[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集(2)[C];2007年
4 韩清超;宋晓艳;黄川;李凌梅;张久兴;;Cu纳米晶块体的制备及纳米晶粒长大动力学研究[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集(6)[C];2007年
5 李杰;刘洋;潘志娟;;后拉伸对PA6/MWNTs纳米纤维纱力学性能的作用[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第3分册)[C];2010年
6 管文;龚俊锋;杨森;高博;高禄梅;宋晓平;;直流电化学沉积法制备磁性纳米线阵列的研究[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第6分册)[C];2010年
7 杜恩鹏;郑永男;周冬梅;左翼;袁大庆;王平生;段晓;石海松;王建波;李发伸;朱升云;;LaFeO_3纳米材料电四极超精细相互作用TDPAC测量[A];第九届全国正电子谱学会议论文集[C];2005年
8 诸利达;吴惠箐;王艳;汪红;丁桂甫;;碳纳米管复合电沉积镍基薄膜材料研究[A];2007年上海市电子电镀学术年会论文集[C];2007年
9 高月英;;纳米材料在固体火箭推进技术中的应用[A];中国宇航学会固体火箭推进第22届年会论文集(推进剂分册)[C];2005年
10 章海霞;王晓敏;王海英;刘旭光;许并社;;电弧放电法制备洋葱状富勒烯的工艺探讨[A];纳米材料和技术应用进展——全国第三届纳米材料和技术应用会议论文集(上卷)[C];2003年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 姜国强;弓网滑动电接触摩擦磨损行为研究[D];辽宁工程技术大学;2010年
2 张勇;纳米碳纤维的批量制备技术与装置研究[D];湖南大学;2010年
3 颜湘莲;交流输电线路单相接地潜供电弧自熄特性研究[D];中国电力科学研究院;2009年
4 李学识;基于表面波驱动的等离子体天线及其阵列技术研究[D];华南理工大学;2010年
5 张昆华;大变形制备Ag/Ni纤维复合电接触材料研究[D];昆明理工大学;2009年
6 陈敬超;反应合成银氧化锡复合材料的合成机制与性能研究[D];昆明理工大学;2009年
7 杨平;常压等离子体聚合共轭聚合物荧光纳米颗粒的研究[D];东华大学;2010年
8 鲁江;碳纳米管/Lyocell纤维的研制及其应用初探[D];东华大学;2010年
9 刘光焕;碳纳米材料的模板法制备与结构表征[D];太原理工大学;2010年
10 王春莹;聚酯低温等离子体表面改性及喷墨印花应用性能研究[D];江南大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 赵霞;碳纳米管增强铝基复合材料组织及性能的研究[D];南昌航空大学;2010年
2 陈成;大气压等离子体在处理废气方面的应用与研究[D];长春理工大学;2010年
3 胡海燕;等离子体喷涂射流的数值模拟[D];浙江理工大学;2010年
4 李强;水合肼液相还原法制备纳米铜粉的研究[D];大连理工大学;2010年
5 张竞;一维取向纳米ZnO阵列的制备及其在纳米发电机中的应用[D];辽宁师范大学;2010年
6 张欢;一维ZnO半导体纳米线的制备与场发射特性研究[D];辽宁师范大学;2010年
7 李朋;电磁操动机构电磁缓冲技术的实验研究[D];辽宁工程技术大学;2009年
8 赵汝彬;受电弓滑板滑动电接触磨损特性的实验研究[D];辽宁工程技术大学;2009年
9 王海潮;永磁操动机构真空断路器新型智能控制器的研究与实现[D];辽宁工程技术大学;2009年
10 王雅雯;碳纳米管储氢性能的第一原理研究[D];中国海洋大学;2010年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 曹茂盛,高正娟,朱静;CNTs/Polyester复合材料的微波吸收特性研究[J];材料工程;2003年02期
2 许并社,闫小琴,王晓敏,市野濑英喜,解思深;电弧放电中纳米洋葱状富勒烯生成机理的研究[J];金属热处理学报;2001年04期
3 王海英,王晓敏,章海霞,许并社;电弧放电制备内包金属纳米洋葱状富勒烯的研究[J];金属热处理学报;2003年04期
4 杜爱兵,刘旭光,许并社;煤基纳米洋葱状富勒烯制备及其结构表征[J];无机材料学报;2005年04期
5 赵稼祥;;碳纤维及其复合材料的新进展[J];新型碳材料;1991年Z1期
6 沈曾民,赵东林;镀镍碳纳米管的微波吸收性能研究[J];新型炭材料;2001年01期
7 刘畅,成会明;电弧放电法制备纳米碳管[J];新型炭材料;2001年01期
8 潘春旭,Liming Yuan,Kozo Saito;扩散火焰合成碳纳米管研究[J];新型炭材料;2001年03期
9 杨杰,沈曾民,熊涛;聚苯胺原位包覆碳纳米管材料的制备及性能[J];新型炭材料;2003年02期
10 张滨,刘畅,成会明,才庆魁;纳米碳管内包覆外来物质的研究进展[J];新型炭材料;2003年03期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 陈壹华;;碳纳米材料制备方法及其应用特性[J];炭素技术;2008年06期
2 朱永春;钱逸泰;;溶剂热法合成碳纳米材料[J];无机化学学报;2008年04期
3 承倩怡;周鼎;韩宝航;;碳纳米材料的超分子表面修饰及应用[J];高等学校化学学报;2011年09期
4 关磊;;碳纳米管构成的二维和三维碳纳米材料的研究进展[J];材料导报;2011年05期
5 ;碳纳米材料展示令人鼓舞的应用前景[J];纳米科技;2010年04期
6 王迎春;史宝平;;碳纳米材料制备技术的进展[J];化学工业与工程技术;2009年03期
7 王红霞;刘代志;翟为刚;;不同碳纳米材料的微波衰减性能研究[J];含能材料;2007年02期
8 徐磊;段林;陈威;;碳纳米材料的环境行为及其对环境中污染物迁移归趋的影响[J];应用生态学报;2009年01期
9 陈坚;曹志群;谢美求;陈泽宗;;碳纳米球的制备研究[J];金属材料与冶金工程;2007年04期
10 ;科学家合成用于燃料电池碳纳米材料[J];物理通报;2000年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 晏晓敏;盖克;石宝友;;分散碳纳米材料对有机污染物的吸附[A];第六届全国环境化学大会暨环境科学仪器与分析仪器展览会摘要集[C];2011年
2 王海芳;;碳纳米材料的安全性研究及解决方案[A];第六届海峡两岸毒理学研讨会论文集[C];2011年
3 程金平;郑淑娴;;碳纳米材料的体内体外毒理学研究[A];中国毒理学会环境与生态毒理学专业委员会第二届学术研讨会暨中国环境科学学会环境标准与基准专业委员会2011年学术研讨会会议论文集[C];2011年
4 孙大明;陈开友;谭峰;;基于碳纳米材料修饰电极的亚硝酸根电化学检测[A];第六届全国环境化学大会暨环境科学仪器与分析仪器展览会摘要集[C];2011年
5 王宝;蒋礼;王春儒;;几种碳纳米材料的转化研究[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
6 郑俊鹏;舒春英;王春儒;;以碳纳米材料为载体的磁共振成像造影剂的研究进展[A];2011中国材料研讨会论文摘要集[C];2011年
7 赵慧敏;全燮;刘猛;;基于功能化碳纳米材料的传感设计与应用[A];第六届全国环境化学大会暨环境科学仪器与分析仪器展览会摘要集[C];2011年
8 全翠;李爱民;;利用废电路板热解油制备碳纳米材料的研究[A];第六届全国环境化学大会暨环境科学仪器与分析仪器展览会摘要集[C];2011年
9 金传洪;林芳;;低加速电压球差校正电镜表征碳纳米材料微结构[A];中国化学会第28届学术年会第4分会场摘要集[C];2012年
10 张艳;苑春刚;张杨阳;;磁性碳纳米材料吸附脱除水中汞离子[A];第六届全国环境化学大会暨环境科学仪器与分析仪器展览会摘要集[C];2011年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 本报记者 赵亚萍;我的衣服很“聪明”[N];科技日报;2003年
2 李宏乾;我国碳纳米材料应用研究攻关正酣[N];中国高新技术产业导报;2010年
3 尔文;我国碳纳米材料研究敢与世界论短长[N];中国有色金属报;2002年
4 ;奇特的服装[N];北京科技报;2003年
5 本报记者 李宏乾;碳纳米材料:化工新秀放异彩[N];中国化工报;2010年
6 ;拟停止碳纳米材料项目[N];中国证券报;2002年
7 乔阿光;太空梯 碳纳米材料将科幻变为可能[N];科技日报;2002年
8 本报记者 庞利萍;碳科技:造就未来新材料明星[N];中国化工报;2011年
9 黄中;碳纳米管及其应用[N];中国知识产权报;2001年
10 刘霞;吸入碳纳米管可影响人体免疫力[N];科技日报;2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 邢刚;液体中电弧放电生成碳纳米材料及其磁场控制的实验研究[D];西安交通大学;2009年
2 赵雪飞;碳纳米材料的可控制备及理论研究[D];大连理工大学;2011年
3 安玉良;生物基碳纳米材料的制备与性质研究[D];大连理工大学;2004年
4 祁小四;新颖碳基纳米材料的合成与性能研究[D];南京大学;2011年
5 刘光焕;碳纳米材料的模板法制备与结构表征[D];太原理工大学;2010年
6 梁先庆;碳纳米材料的X射线吸收谱学研究[D];中国科学技术大学;2010年
7 李楠;几种碳纳米材料的制备及表征[D];东北大学;2010年
8 朱玲玲;碳纳米材料的合成、表征与性能研究[D];中国科学技术大学;2012年
9 张红雨;碳纳米材料中原子扩散和化学反应的理论研究[D];山东大学;2011年
10 王音;碳纳米材料设计及相关物理问题研究[D];复旦大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 姚淑艳;基于低维碳纳米材料及其复合物传感界面的构筑及应用研究[D];青岛大学;2012年
2 武学丽;碳纳米材料表面接枝聚合物改性[D];兰州大学;2010年
3 张虎;铜基体上化学气相沉积法原位生长碳纳米材料的研究[D];天津大学;2012年
4 陈其隆;层状结构催化剂可控制备碳纳米材料研究[D];北京化工大学;2011年
5 欧阳湘元;基于碳纳米材料的非标记荧光核酸探针设计[D];湖南大学;2011年
6 张波;碳纳米材料的制备表征及性能研究[D];山东大学;2011年
7 程秀丽;碳纳米材料在痕量元素分离富集与分析中的应用研究[D];武汉工业学院;2011年
8 刘静;碳纳米材料的制备与表征[D];山东大学;2010年
9 郭德音;碳纳米材料在电化学传感器中的应用研究[D];华南理工大学;2010年
10 牛强;铜锌基复合催化剂CVD法制备的碳纳米材料及其性能研究[D];浙江大学;2010年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026