火焰中的碳纳米材料

前言

第1章绪论

1?1引言

1?2碳及碳纳米材料

1?2?1碳的同素异形体

1?2?2碳纳米材料的定义和分类

1?3碳纳米材料的制备

1?3?1零维碳纳米材料的制备

1?3?2一维碳纳米材料的制备

1?3?3二维碳纳米材料的制备

1?4碳纳米材料的性能与应用

1?4?1零维碳纳米材料的性能与应用

1?4?2一维碳纳米材料的性能与应用

1?4?3二维碳纳米材料的性能与应用

1?5火焰法制备碳纳米材料及其特性

1?5?1火焰法制备零维碳纳米材料及其特性

1?5?2火焰法制备一维碳纳米材料及其特性

1?5?3火焰法制备二维碳纳米材料及其特性

参考文献

第2章火焰中的零维碳纳米材料

2?1引言

2?2火焰法制备炭黑颗粒

2?2?1炭黑及其生产方式

2?2?2火焰中生成炭黑的类型及特征

2?2?3气体燃料燃烧生成炭黑的影响因素及机理

2?2?4液体燃料燃烧生成炭黑的影响因素及机理

2?2?5固体燃料燃烧生成炭黑的影响因素及机理

2?2?6炭黑的应用

2?3火焰法制备富勒烯

2?3?1富勒烯及其制备方法

2?3?2富勒烯的制备、分离和提纯

2?3?3火焰法制备富勒烯的影响因素

2?3?4火焰法制备富勒烯的机理

2?3?5火焰法制备富勒烯的形貌特征

2?3?6富勒烯的应用

2?4火焰法制备金刚石

2?4?1金刚石及其制备方法

2?4?2火焰法制备金刚石及其影响因素

2?4?3火焰中金刚石的生长机理

2?4?4火焰法制备金刚石的形貌特征

2?4?5纳米金刚石的性质

2?4?6纳米金刚石的应用

参考文献

·vi·第3章火焰法制备一维碳纳米材料及其生长机理

3?1引言

3?2关于碳纳米管和碳纳米纤维的定义

3?3液体火焰的温度场特征

3?4基板材料对一维碳纳米材料形貌和结构的影响

3?4?1乙醇火焰法中含Ni基板上的燃烧产物

3?4?2乙醇火焰法中含Fe基板上的燃烧产物

3?5一维碳纳米材料的拉曼光谱表征

3?6火焰法中一维碳纳米材料的生长机制

参考文献

第4章胺燃料火焰制备氮掺杂碳纳米管及其生长机理

4?1引言

4?2氮掺杂碳纳米管的研究现状与进展

4?2?1氮掺杂碳纳米管的研究背景

4?2?2氮掺杂碳纳米管的制备方法和结构特征

4?2?3氮掺杂碳纳米管的生长机理

4?2?4氮掺杂碳纳米材料的物性及其应用

4?3胺燃料火焰法氮掺杂碳纳米管的制备

4?4不同胺燃料的火焰温度场特征

4?5火焰高度和燃烧时间对制备产物的影响

4?6不同胺燃料对氮掺杂碳纳米管形貌的影响

4?7“石墨型”为主的氮掺杂碳纳米管的结构特征

4?8“石墨型”为主的氮掺杂碳纳米管的形成机理

4?9氮掺杂碳纳米管中C≡N键的形成机理

参考文献

第5章火焰法制备螺旋碳纳米纤维及其生长机理

5?1引言

5?2螺旋碳纳米纤维的研究现状及进展

5?2?1螺旋碳纳米纤维的制备和生长机理

5?2?2螺旋碳纳米纤维的物性与应用

5?3螺旋碳纳米纤维的制备

5?3?1乙醇燃料和电镀Fe纳米晶

5?3?2液体胺燃料和涂覆Ni金属盐

5?4螺旋碳纳米纤维的形貌特征

5?4?1胺火焰中涂覆Ni金属盐法制备螺旋碳纳米纤维

5?4?2乙醇火焰中电镀Fe纳米晶薄膜表面生长的螺旋碳纳米纤维

5?5火焰法中螺旋碳纳米纤维的生长机理

参考文献

·vii·第6章一维碳纳米材料的直径可控生长

6?1引言

6?2脉冲电沉积金属纳米晶薄膜技术简介

6?2?1脉冲电沉积技术制备金属纳米晶薄膜

6?2?2利用脉冲电沉积技术制备金属纳米晶薄膜的研究现状

6?2?3脉冲电沉积技术制备金属纳米晶薄膜的应用

6?3碳纳米管的直径可控制备及生长机理

6?3?1脉冲电沉积参数对金属Ni纳米晶薄膜晶粒度的影响

6?3?2脉冲电沉积参数对碳纳米管直径的影响

6?3?3碳纳米管的直径控制生长机制

6?4碳纳米纤维的直径可控制备及生长机理

6?4?1脉冲电沉积参数对金属Fe纳米晶薄膜晶粒度的影响

6?4?2脉冲电沉积参数对碳纳米纤维的直径的影响

6?4?3螺旋碳纳米纤维的制备

6?4?4碳纳米纤维的直径控制生长机制

参考文献

第7章电场辅助下的一维碳纳米材料可控生长

7?1引言

7?2电场控制一维碳纳米材料生长的研究进展

7?2?1制备时无意引入电场

7?2?2制备时有意引入电场

7?2?3制备后的电场处理

7?3电场辅助对碳纳米管形态与结构的调控及其作用机理

7?3?1实验材料与方法

7?3?2电场诱导可控生长碳纳米管

7?3?3电场中碳纳米管可控生长的机理

7?3?4电场辅助碳纳米管的结构优化

7?4电场辅助碳纳米管可控生长过程的模拟计算

7?4?1计算基本模型的建立

7?4?2有限元模拟

7?4?3单根碳纳米管的受力分析

7?4?4两根碳纳米管的受力分析

7?4?5多根碳纳米管的受力分析

7?4?6多根碳纳米管在生长过程中的受力分析

7?4?7不同管径碳纳米管的受力分析

参考文献

·viii·第8章大电场辅助下的一维碳纳米材料可控生长

8?1引言

8?2大电场对“实心”碳纳米纤维直径的调控及作用机理

8?2?1实验材料与方法

8?2?2电场强度与“实心”碳纳米纤维形貌及直径的关系

8?2?3电场调控“实心”碳纳米纤维直径的作用机理

8?3大电场诱导制备“一维奶牛乳房状微/纳米碳同质异构”阵列

8?3?1实验材料和方法

8?3?2“一维奶牛乳房状微/纳米碳同质异构结构”的特征

8?3?3“一维奶牛乳房状微/纳米碳同质异构结构”的影响因素

8?3?4“一维奶牛乳房状微/纳米碳同质异构结构”的生长机理

参考文献

第9章磁场辅助下碳纳米管的可控生长

9?1引言

9?2磁场控制碳纳米管生长的研究进展

9?2?1制备前引入磁场

9?2?2制备时引入磁场

9?2?3制备后引入磁场

9?3实验材料与方法

9?4磁场对碳纳米管微观形貌的调控

9?5磁场对碳纳米管微结构及结晶的调控

9?6磁场调控碳纳米管的作用机理

参考文献

第10章一种具有“有序—无序—有序—无序……”周期性变化的同质异构

碳纳米管

10?1引言

10?2碳基一维纳米异质结的研究现状与进展

10?2?1碳基一维纳米异质结的结构

10?2?2碳基一维纳米异质结的制备方法

10?2?3碳基一维纳米异质结的物理性质及其应用

10?3全碳基一维纳米同质异构结的研究现状与进展

10?3?1全碳基一维纳米同质异构结的制备

10?3?2全碳基一维纳米同质异构结的物理化学性质及其应用

10?4“有序—无序—有序—无序……”周期性变化的同质异构碳纳米管

的制备

10?4?1电场诱导碳纳米管的微结构转变

10?4?2电场控制周期性“同质异构”碳纳米管的生长与特征

10?5“有序—无序—有序—无序……”周期性变化的同质异构碳纳米管

的生长机理

参考文献

·ix·第11章碳纳米纤维微结构的高温转变

11?1引言

11?2一维碳纳米材料微结构高温转变的研究进展

11?2?1碳纳米管微结构的高温转变

11?2?2碳纳米纤维微结构的高温转变

11?3放电等离子体烧结（SPS）技术简介

11?3?1放电等离子体烧结（SPS）技术的发展

11?3?2放电等离子体烧结设备的基本结构

11?3?3放电等离子体烧结的原理

11?3?4放电等离子体烧结技术的应用

11?4实验材料与方法

11?4?1“实心”碳纳米纤维的制备

11?4?2碳纳米纤维的高温热处理

11?5非晶态“实心”碳纳米纤维微结构的高温转变

11?5?1高温热处理对非晶态“实心”碳纳米纤维微结构的影响

11?5?2非晶态“实心”碳纳米纤维微结构的高温转变机制

11?6一种具有“晶态—非晶态”变化特征的同质异构碳纳米纤维

11?6?1“晶态—非晶态”同质异构碳纳米纤维的微结构特征

11?6?2“晶态—非晶态”同质异构碳纳米纤维的形成机制

11?6?3单根 “晶态—非晶态”同质异构碳纳米纤维的电输运特性

11?7非晶态“实心”碳纳米纤维结构模型的模拟计算

11?7?1非晶态“实心”碳纳米纤维结构模型的逆向蒙特卡罗（RMC）法模拟

11?7?2模拟结果及讨论分析

11?8“晶态—非晶态”同质异构碳纳米纤维的整流机制

11?8?1“非晶态”碳的费米能级

11?8?2“晶态”碳和“非晶态”碳的接触

11?8?3“晶态—非晶态”同质异构碳纳米纤维I?V曲线的拟合

参考文献

第12章无纠缠阵列碳纳米管的可控生长

12?1引言

12?2纳米晶催化剂颗粒的形貌特征

12?3直立无纠缠碳纳米管的制备

12?4直立无纠缠碳纳米管阵列的生长机理

参考文献

第13章碳纳米管致密块材的制备及其物性特征

13?1引言

13?2原始碳纳米管粉体的显微结构特征

13?3碳纳米管致密块材的显微结构特征

13?4碳纳米管致密块材的物性特征

13?4?1碳纳米管致密块材的低温电输运特性

13?4?2碳纳米管致密块材的热电势特性

13?4?3碳纳米管致密块材电输运性能的各向异性

参考文献

·x·第14章火焰法碳纳米管的大量制备

14?1引言

14?2火焰法大量制备碳纳米管的原理

14?2?1液态碳?氢燃料的燃烧原理

14?2?2涂覆法的原理

14?3碳纳米管的大量制备方法

14?3?1制备材料的选择

14?3?2制备方法与步骤

14?4火焰法大量制备碳纳米管的影响因素

14?4?1火焰温度场的测量

14?4?2涂覆物对燃烧产物的影响

14?4?3基板材料对燃烧产物的影响

14?4?4碳源对燃烧产物的影响

参考文献

第15章火焰法碳纳米管在玻璃纤维/树脂复合材料界面改性中的应用

15?1引言

15?2玻璃纤维/树脂复合材料及其改性的研究进展

15?2?1玻璃纤维/树脂复合材料的历史及应用

15?2?2玻璃纤维/树脂复合材料作为建筑材料的优缺点

15?2?3玻璃纤维/树脂复合材料改性的研究进展

15?3实验材料与方法

15?4不同碳纳米管的结构与形貌特征

15?5玻璃纤维表面喷涂不同碳纳米管前后的形貌

15?6碳纳米管界面改性对GFRP力学性能的影响

15?7碳纳米管界面改性后GFRP的冲击断口特征

15?8火焰法碳纳米管对GFRP的界面增强机理

参考文献

·xi·第16章火焰法可控生长碳纳米管的低温荧光特性

16?1引言

16?2实验材料与方法

16?3碳纳米管的低温荧光特性

16?3?1温度对碳纳米管荧光的影响

16?3?2其他因素对碳纳米管荧光的影响

16?3?3不同气氛中碳纳米管荧光的恢复

16?4碳纳米管的低温荧光机理探讨

16?4?1物理吸附大气分子的影响

16?4?2碳纳米管的结构缺陷

16?4?3碳纳米管表面的官能团

16?4?4结构缺陷和官能团对碳纳米管电子结构的影响

16?4?5碳纳米管低温荧光模型

参考文献

第17章火焰法可控生长碳纳米管的电学性能

17?1引言

17?2单根碳纳米管电学性能的测试方法

17?2?1基于微电极系统的电学性能测试

17?2?2基于AFM的单根碳纳米管电学性能测试

17?3不同结构的碳纳米管的电学性能

17?4单根碳纳米管的导电性测试

参考文献

第18章火焰法一维碳纳米材料的电化学性能及其在超级电容器中的应用

18?1引言

18?2实验材料与方法

18?3碳纳米管和碳纳米纤维的形貌与结构表征

18?4碳纳米管和碳纳米纤维的表面积与孔径分布

18?5碳纳米管和碳纳米纤维的表面官能团

18?6电化学性能及与CVD法制备的碳纳米管的比较

参考文献

·xii·第19章火焰法氮掺杂一维碳纳米材料的电化学性能及其在超级电容器中的

应用

19?1引言

19?2火焰法氮掺杂碳纳米管的电化学性能及其在超级电容器中的应用

19?2?1火焰法氮掺杂碳纳米管与电极的制备

19?2?2氮掺杂碳纳米管的形貌与结构特征

19?2?3氮掺杂碳纳米管的比表面积与孔径分布特征

19?2?4氮掺杂碳纳米管超级电容器电极的表面化学特性

19?2?5氮掺杂碳纳米管电极的电化学性能

19?2?6氮掺杂碳纳米管电极的电化学性能增强机理

19?3火焰法氮掺杂螺旋碳纳米纤维电化学性能及其在超级电容器中的

应用

19?3?1氮掺杂螺旋碳纳米纤维的形貌结构特征

19?3?2氮掺杂螺旋碳纳米纤维的表面化学基团

19?3?3氮掺杂螺旋碳纳米纤维的生长机理

19?3?4氮掺杂螺旋碳纳米纤维的电化学性能

参考文献

第20章火焰法生长碳纳米管的场发射性能

20?1引言

20?2实验材料与方法

20?2?1燃料与基底的选择

20?2?2Si基底的预处理

20?2?3催化剂的制备

20?2?4场发射性能的测量

20?3火焰法生长碳纳米管及其场发射性能特征

20?3?1在光刻胶涂覆辅助镍催化剂平面上生长碳纳米管情况

20?3?2在标准抛光硅平面上生长碳纳米管情况

20?3?3在硅纳米级金字塔上生长的碳纳米管情况

20?3?4在硅微米级金字塔上生长的碳纳米管情况

20?4ZnO棒上二次生长碳纳米管的场发射增强效应

20?4?1ZnO棒与碳纳米管复合结构的制备

20?4?2ZnO棒与碳纳米管复合结构的表征与场发射性能

参考文献

第21章火焰法碳纳米管的表面改性及其在高分子复合材料中的应用

21?1引言

21?2碳纳米管/聚合物复合材料

21?2?1碳纳米管/聚合物复合材料的制备方法

21?2?2碳纳米管的表面修饰与改性

21?2?3聚合物/碳纳米管复合材料性能的研究进展

21?2?4聚合物/碳纳米管纳米复合材料的研究展望

21?3碳纳米管的表面修饰和改性

21?3?1样品的制备与表征

21?3?2样品表面修饰特征与机理

21?4碳纳米管/聚苯乙烯复合材料

21?4?1样品的制备与表征

21?4?2复合材料的形貌特征与性能分析

·xiii·21?5碳纳米管/尼龙6复合材料

21?5?1碳纳米管/尼龙6复合材料的研究进展

21?5?2样品的制备与表征

21?5?3复合材料的形貌特征与性能分析

21?6碳纳米管/环氧乙烯基酯树脂（A430）复合材料

21?6?1样品的制备与表征

21?6?2复合材料的形貌特征与性能分析

参考文献

第22章碳纳米管/MnO2复合材料及其电化学性能

22?1引言

22?2实验材料与方法

22?3碳纳米管/MnO2复合材料的微结构特征

22?3?1显微组织特征

22?3?2拉曼光谱特征

22?3?3物相与化学成分特征

22?4碳纳米管/MnO2复合材料制备的影响因素

22?4?1碳纳米管对反应产物的影响

22?4?2高锰酸钾浓度的影响

22?5碳纳米管/MnO2复合材料的包敷机理

22?6碳纳米管/MnO2复合材料的电化学性能

参考文献

第23章火焰法制备石墨烯与氮掺杂石墨烯

23?1引言

23?2石墨烯制备方法的研究现状和进展

23?2?1机械剥离法

23?2?2SiC外延生长法

23?2?3化学气相沉积法

23?2?4化学剥离法

23?2?5火焰法

23?3氮掺杂石墨烯及其制备方法

23?4石墨烯和氮掺杂石墨烯的火焰法制备

23?5火焰法制备石墨烯的形貌特征

23?6火焰法制备氮掺杂石墨烯的成分结构分析

23?7火焰法制备石墨烯的生长机理

23?8火焰法制备石墨烯的方法改进

参考文献

·xiv·第24章纳米压痕法测量石墨烯的弹性模量和层数

24?1引言

24?2石墨烯力学性能的研究现状与进展

24?3石墨烯的层数表征

24?4纳米压痕技术简介

24?5利用纳米压痕测量石墨烯的弹性模量和层数

24?5?1利用纳米压痕测量石墨烯的弹性模量

24?5?2利用纳米压痕测量石墨烯的层数

参考文献

第25章石墨烯在高温高压下的转变与高质量石墨烯的大量制备

25?1引言

25?2石墨烯褶皱结构的研究现状与进展

25?3高质量石墨烯制备的研究现状与进展

25?4实验材料与方法

25?4?1化学剥离法制备石墨烯

25?4?2SPS高温处理

25?4?3SPS高温高压处理

25?5石墨烯在高温下的转变特征

25?5?1SPS高温处理前后石墨烯的形貌结构特征

25?5?2石墨烯褶皱的产生机制

25?5?3SPS处理前后石墨烯的表面性能

25?6石墨烯在高温高压下的转变特征

25?6?1SPS高温高压处理前后石墨烯的形貌结构特征

25?6?2SPS高温高压制备高质量石墨烯的机理分析

25?6?3SPS高温高压处理前后石墨烯的电输运性能

参考文献

·xv·第26章石墨烯/TiO2复合材料的制备及其光催化中的应用

26?1引言

26?1?1TiO2光催化原理及降解机理

26?1?2石墨烯在光催化复合材料中的作用

26?2石墨烯/TiO2复合材料的研究现状及进展

26?3实验材料与方法

26?3?1氧化石墨烯的制备

26?3?2热处理制备石墨烯/TiO2复合材料

26?3?3石墨烯/TiO2层状复合材料的制备

26?3?4光催化性能测试

26?4热处理制备石墨烯/TiO2复合材料及其可见光催化性能

26?5高催化活性的石墨烯/TiO2层状复合材料

参考文献

第27章石墨烯纳米带的制备及其在超级电容器中的应用

27?1引言

27?2石墨烯纳米带的研究现状与进展

27?2?1碳纳米管纵切法

27?2?2有机合成法

27?2?3掩模刻蚀法

27?3化学剖开法制备石墨烯纳米带

27?4石墨烯纳米带的形貌结构特征

27?5氧化石墨烯和功能碳纳米管的表面化学基团

27?6三种不同结构碳纳米材料的电化学性能对比

27?7边缘结构在碳基超级电容器中的重要意义

参考文献

第28章基于石墨烯应变效应的纳米电源研究

28?1引言

28?2纳米电源的研究现状与进展

28?2?1压电式纳米电源

28?2?2摩擦式纳米电源

28?3石墨烯应变效应的研究现状

28?4实验材料与方法

28?5单层石墨烯的应力?应变及其表征

28?6基于石墨烯应变效应的纳米电源

参考文献

附录发表论文列表

火焰法制备碳纳米材料最早出现于1959年，Singer J. M.和Grumer J. 报道了置于丙烷火焰中的不锈钢网格上沉积有直径为4-470nm的中空碳丝，但当时无法解释这一现象。直到20世纪90年代初，美国肯塔基大学的Kozo Saito教授和美国MIT的Howard J. B.教授在火焰中收集到了碳纳米纤维以及富勒烯和碳纳米管与烟尘的混合物，火焰法制备碳纳米材料才被引起重视，并逐渐开始被广泛研究。目前，国际上从事火焰法碳纳米材料研究的主要有美国和韩国的几个课题组，他们都是原来从事燃烧学的，后转到了碳纳米材料方面。其中发表文章较多，但是，有关火焰法制备碳纳米材料方面的专著还未见出版。《火焰中的碳纳米材料：从零维到一维和二维》按照碳纳米材料中零维、一维、二维大的结构类型顺序撰写。为了便于读者查阅，在《火焰中的碳纳米材料：从零维到一维和二维》的最后列出了已经发表的与《火焰中的碳纳米材料：从零维到一维和二维》内容相关的刊物论文。碳纳米材料是众多纳米材料中的重要分支之一，其中碳纳米管被称为“纳米之王”，近20年来一直是国际上的研究热点。《火焰中的碳纳米材料：从零维到一维和二维》是依据作者课题组10多年来在碳纳米材料的火焰法制备、性能研究及应用方面的成果撰写而成的一本专著。《火焰中的碳纳米材料：从零维到一维和二维》全面系统地介绍了火焰中生长零维碳纳米材料、一维碳纳米材料和二维碳纳米材料的方法、机理、性能以及应用等内容。第1章绪论中简要介绍了碳纳米材料的定义、分类、制备方法、性能与应用；第2章介绍火焰中生长零维碳纳米材料包括炭黑、富勒烯和金刚石的方法与特征；第3章至第22章重点介绍火焰中生长一维碳纳米材料的方法、机理、可控生长、性能与应用；第23章至第28章重点介绍火焰中生长石墨烯的方法、机理、性能等内容。