多壁碳纳米管的处理及其与氧化硼的相互作用-材料学专业论文.docx

Classified Index：TB383 U.D.C.: 661.666 Dissertation for the Master Degree in Engineering PROCESSING OF MULTI-WALLED CARBON NANOTUBES AND THE INTERACTION WITH BORON OXIDE Candidate：Liu Candidate： Liu Songfeng Supervisor： Prof. Wang Dez Academic Degree Applied for： Master of Engi Affiliation： School of Mate Date of Oral Examination： July,2006 University： Harbin Institute r. Sci. Eng of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - - I - 摘 要 碳纳米管具有接近理想的一维纳米空间，而开口的碳纳米管中空管腔可 做成纳米试管、虹吸管、超级吸附剂、催化剂载体和储能材料以及在中空的 碳纳米管内填充外来物质等。本文采用浓硝酸回流的方法和气相氧化法对多 壁碳纳米管进行提纯、开口研究，并利用得到的提纯、开口的碳纳米管在其 中空管内填充外来物质氧化硼。 本文采用浓硝酸回流处理的方法，研究了不同的温度和不同的处理时间 下，对多壁碳纳米管提纯、开口过程的影响。分别对碳管处理前后的重量损 失情况、开口率、长度变化、损坏状态，以及管壁壁厚等的变化和提纯状 态，进行了表征。确定了碳管在室温和 120℃时回流均能除去催化剂颗粒。 在 120℃回流处理的过程可以分为三个阶段：第一阶段碳管的初步提纯阶段 （0~5h），主要特点是碳管重量损失较少，碳管的管壁完整光滑；第二阶段 碳管的开口阶段（10~20h）：特点是碳管重量损失速率较快，碳管的长度明 显缩短，碳管在管壁缺陷处遭氧化被切断开口，开口率明显提高，升至 60 ％以上并保持这一量级；第三阶段碳管的破坏阶段（20~48h）：特点是碳管 的重量损失严重，处理后剩余不足 50％，碳管的管壁遭破坏严重，开始模 糊。第一阶段处理后的碳管可以作为复合材料的增强体，第二阶段处理后的 碳管可以用来作为填充的材料，第三阶段碳管被破坏严重。 气相氧化法提纯多壁碳纳米管，分别采用了空气和二氧化碳两种气氛来 进行。通过此研究，可以确定原始碳管的组成包含两类氧化性质不同的碳物 质：非晶碳和结构不完整的碎短的碳管这一类易于氧化的物质；石墨颗粒和 结果完整的碳管这一类难于氧化的物质。通过气相氧化法可以得出回流处理 对多壁碳管结构的影响：回流处理一方面除去易于氧化的碳杂质，促使碳管 的稳定性提高；另一方面，对碳管的管壁造成刻蚀，在表面形成缺陷，降低 碳管的稳定性。研究发现，在回流处理的前两个阶段，前者的起主要作用， 在第三个阶段后者起主要作用。 本文利用回流处理得到的提纯、开口碳管，在其管内填充氧化硼进行了 四种工艺的探索。分别是原始态碳管和氧化硼粉末在真空中 600℃保温填 充；原始态碳管与氧化硼粉末在空气中 530℃保温填充；回流处理过碳管与 氧化硼粉末湿混或干混后，在真空中 600℃保温填充；回流处理过碳管与氧 化硼湿混粉末在氩气保护气氛下 460℃保温填充。在前两种的工艺填充时， - - II - 由于碳管的开口率不高，并且在碳管的内腔内存在很多的小的腔室等众多因 素，对填充有很大的阻碍作用，影响了填充的进行；在后两种工艺填充时， 可以观察到或者在碳管的外壁包裹物质，或者在管内有外来物质的存在，应 该为外来物质在毛细作用力下被吸附进入碳管的内部，或者包裹在外表面； 由于填充的量不同，有些呈连续的存在，有些呈不连续的点状颗粒存在。 关键词 多壁碳纳米管；提纯；开口；填充 - - PAGE VII - Abstract Carbon nanotubes have perfect 1D nano-space. Opened carbon nanotubes can be used for nano-cuvette, super sorbent, activator carrier, material storing energy, filling with other substance in it and so on. The present work specialized in the purification and opening of the Multi-walled carbon nanotubes (MWNTs) refluxed in concentrated nitric