微米螺旋炭纤维的制备及微观形貌

4　微米螺旋炭纤维的制备及微观形貌

我们采用液相化学还原法制备催化剂——纳米镍粉，并采用催化化学气相沉积法（CCVD）法，制备出高纯的微米螺旋碳纤维。图10是微米螺旋碳纤维的制备装置示意图。首先超声分散Ni粉，并将催化剂悬浊液涂在石墨板上，用吹风机将酒精吹干，如此重复数步，使得石墨小板上有分散均匀的催化剂；然后检查反应装置的气密性，将载有催化剂的石墨板置于卧室炉中部，用氮气排除反应管中的空气，并控制电炉升温。然后将装有噻吩的抽虑瓶放入装有适量水的水浴锅中，后将水浴锅设定预定的温度；最后当温度达到反应温度后，开始通入一定量乙炔、氮气、氢气，同时引入一定量噻吩。反应达到预期的时间后，关闭电阻炉，关闭H²和C²H²，缓慢通入N²，待炉子冷却至室温，后将样品取出。

1—氮气；2—氢气；3—乙炔；4—气流计；5—噻吩瓶；6—加热炉；7—石英管；8—温度控制装置；9—尾气处理装置图10　微米螺旋碳纤维的制备装置示意图

研究结果显示，CCVD法制备出的螺旋碳纤维多为双螺旋结构，螺旋碳纤维重现性较好。我们制备螺旋碳纤维所采用的方法就是化学气相沉积法，实验采用乙炔作为碳源，自制纳米镍粉作为催化剂，充入一定量的氮气和氢气，同时还引入含硫的有机化合物噻吩作为生长促进剂，在卧室炉中催化热解乙炔制备微米螺旋碳纤维，制备工艺如图11所示。实验过程中必须严格控制反应温度及反应时间，还有乙炔与氢气、氮气的比例等因素，否则实验结果会出现异常，明显降低产量甚至不能形成螺旋结构。

图11　微米螺旋碳纤维制备工艺流程图

我们对制备的微米螺旋碳纤维原样产物进行XRD表征。从XRD衍射图谱（图12）中看到存在着四个较明显的衍射峰，经过计算得知从左至右其分别对应石墨的（002）晶面、Ni的（111）晶面、Ni的（200）晶面、Ni的（220）晶面，具体标注如图中所示，由此我们得出微米螺旋碳纤维中除了催化剂Ni晶体外，还存在着石墨晶体，即表明我们所制备的螺旋碳纤维具有一定的石墨化程度，这与文献报道的微螺旋碳纤维的表层一层为石墨晶体结构，其内部为无定形碳的结果相吻合。

图12　采用CCVD法制备的微米螺旋碳纤维的XRD图谱

从样品的SEM图（图13）中我们观察了螺旋碳纤维的微观形貌，可以看出该方法制备出来的纤维多为双螺旋碳纤维，产物比较纯净，有少量杂质附着在管壁上。绝大多数产物的螺径分布比较均匀，螺旋缠绕的紧密程度也大致相同，产量较高，同时可以看到纤维的形态大多比较规则，如弹簧状有的是左旋，有的是右旋，电镜统计发现，左旋和右旋的比例大致相等，是随机分布的。

（a）微米螺旋碳纤维的侧视图

　（b）微米螺旋碳纤维顶端的俯视图

图13 采用CCVD法制备的典型微米碳纤维