论文部分内容阅读
作为一种新型炭材料，螺旋炭纤维除了具有一般炭纤维的低密度、高强度、耐高温、耐腐蚀、耐磨擦、导电等优异性能外，其特殊的双螺旋结构使其具有优异的力学性能、电磁性能和光学性能，可望应用于触觉传感器、隐身材料、电极材料、生化反应催化剂等领域。化学气相沉积(CVD)法制备的规则形态的双螺旋炭纤维，一般有两种类型：一种是圆形截面双螺旋炭纤维一纤维的截面形状是圆形或近圆形，另一种是扁平截面双螺旋炭纤维一纤维的截面形状是扁平形或长方形。本文用化学气相沉积的方法，通过优化工艺，制备了圆形截面双螺旋炭纤维和扁平截面双螺旋炭纤维。
关于双螺旋炭纤维制备方面的研究很多，然而对圆形截面和扁平截面双螺旋炭纤维的对比表征的研究却很少，尤其是对比二者电、磁性能的差别的研究，为此本文采用SEM，TEM，Raman，X-ray等手段比较了两种类型螺旋炭纤维的微观结构。采用微拉伸仪、电阻测量仪以及波导法比较研究了二者的电学、磁学性能。根据研究结果预测了二者微波吸收特性。研究结果表明：构成圆形截面和扁平截面双螺旋炭纤维的石墨微晶尺寸差别不大，前者为3.44nm，后者为3.17nm。双螺旋炭纤维的电阻随其伸长量的增加而增加，其中，圆形截面双螺旋炭纤维随伸长量的增加，电阻值增加较缓，纤维伸长到原长的1.8倍时电阻增加到原来的1-1.5倍；而扁平截面螺旋炭纤维的电阻值增加较快，纤维伸长到原长的1.8倍时电阻增加到原来的1.7-4.1倍。所以，对于在触觉传感器上的应用，扁平截面双螺旋炭纤维更具优势。两种类型双螺旋炭纤维在频段2-18GHz内的电磁性能的研究表明，在低频波段，圆形截面双螺旋炭纤维的电损耗正切值相对较大，更适合应用于微波吸收剂；在高频波段，扁平截面双螺旋炭纤维的电损耗正切值相对较大，更适合应用于微波吸收剂。
在螺旋炭纤维制备过程中，首次通过迅速停止碳源气体-乙炔的供给30s后再恢复到原来状态的方法，发现了螺旋炭纤维的纤维截面形状的急剧改变：扁平形→圆形，同时螺旋直径也发生了相应的改变：4.2μm→6.Oμm。这种圆形截面和扁平截面共存的双螺旋炭纤维不仅有助于加深对双螺旋炭纤维生长本质的认识，而且还为微机械系统提供了一种新型弹簧，具有一定应用前景。根据S.Motojima提出的3D生长模型，并结合实验结果，本文提出了双螺旋炭纤维动态三维生长模型(dynamicthree-dimensionalmodel)。此模型认为催化剂颗粒的各向异性不仅影响螺径的大小，还影响纤维的截面形状。此机制不仅成功地解释了实验中的现象和规律，也较好的解释了大部分前人的实验结果。