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《兰州大学》 2011年
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碳纤维上氧化铜纳米线的制备及生长机理

张中泉  
【摘要】:氧化铜(CuO)纳米线是一种重要的半导体纳米材料,热氧化法是一种简单方便、易于操作的氧化铜纳米线的制备方法,通过热氧化镀铜碳纤维的方法可以制备出具有微波吸收能力的功能复合材料。 利用化学镀与热氧化相结合的方法在碳纤维的表面获得了氧化铜纳米线,同时利用热重分析、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜、透射电子显微镜对所得样品进行表征、分析。 (1)本文通过化学镀在碳纤维表面获得了平整均匀的铜镀层,并且通过热氧化法,在碳纤维的表面获得了氧化铜纳米线。 (2)将镀铜碳纤维在空气中以10℃/min升温速率加热至600℃,并通过热重法对此过程进行分析,可知碳纤维开始热氧化的温度约140℃,并且在450℃左右碳纤维剧烈氧化。 (3)将镀铜碳纤维在400℃热氧化2h,对所得纳米线进行表征;所得纳米线的密度较大,且与碳纤维表面几乎成直角生长,纳米线长度约为2-4μm,直径约100nm,纳米线成分为单斜结构的单晶氧化铜。 (4)将镀铜碳纤维在不同温度下热氧化2h,所得纳米线的密度及尺寸均随温度的升高而增大,并在400℃时达到最大,此后随温度的升高而降低;当温度升至500℃时,氧化铜纳米线消失,表面由平坦的颗粒组成,同时XRD结果显示碳纤维也已经完全氧化,所剩下的为管状氧化铜。 (5)将镀铜碳纤维在400℃热氧化不同时间,在氧化初期,表面即有氧化铜纳米线出现,同时有很多山包状的突起;随着热氧化时间的延长,纳米线的密度及尺寸增大,同时山包状的突起减少并趋于平缓;在热氧化时间达到2h时,氧化铜纳米线的尺寸及密度达到最大;当热氧化时间长于2h,纳米线的尺寸及密度都下降;XRD结果表明,不同时间热氧化后,所得样品中铜及氧化亚铜(Cu_2O)相的相对含量随时间延长而逐渐减少,CuO相的相对含量逐渐增加,在2h之后,Cu_2O相消失,与此同时CuO纳米线不再生长,说明Cu_2O相在CuO纳米线生长过程中起重要作用;通过在碳纤维上热氧化法制备氧化铜纳米线的最佳条件为在400℃热氧化2h。 (6)氧化铜纳米线在碳纤维上热氧化法生长的生长机理为应力驱动机理与短路扩散机理的结合。热氧化初期氧化层表面的山包状突起说明内应力的存在,这些突起的形成为了释放内应力,氧化铜纳米线的形成也是应力释放的一种方式。CuO纳米线的生长过程是沿Cu_2O相的晶界的短路扩散过程,Cu_2O相在CuO纳米线生长过程中的重要作用是它为CuO纳米线的生长提供所必须的内应力及短路扩散通道。在较高的温度下或是较长的氧化时间时,CuO纳米线的停止生长是由于Cu_2O相的完全氧化消失。 同时,本文中我们还利用一种简单的溶液反应法制备了花朵状的氧化锌纳米结构。
【学位授予单位】:兰州大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TB383.1

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