碳材料的形成FORMATIONOFCARBONMATERIALS

河南理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文(翻譯部分)碳材料的形成河南理工大學(xué)二〇一二年六月河南理工大學(xué) 2012屆本科畢業(yè)翻譯論文2.3 碳材料的形成 炭化過程當(dāng)碳材料中碳原子的主要成份，是由一些有機(jī)聚合物組成的，即炭前軀體，在2000℃的惰性氣氛中加熱，這個(gè)過程被稱為炭化熱處理。在圖2.12所示的是一個(gè)固體碳材料如酚醛樹脂或纖維素，在炭化過程中其的主要組成部分中殘留的變化，盡管它主要取決于所使用的炭前軀體。圖2.12 固相前軀體的炭化過程在開始加熱時(shí)炭前軀體中的脂肪、芳香族分子隨著低分子化合物變成氣體排放出來，主要是因?yàn)橐恍〤—C鍵弱于C—H鍵。隨著碳?xì)浠衔锏尼尫牛h(huán)化和芳香化在殘留物中繼續(xù)進(jìn)行，然后芳香分子發(fā)生縮聚。從大約600℃，主要外原子例如氧和氫，以CO2，CO和CH4的形式被釋放出來。在這個(gè)階段，殘留物是液體或固體取決于炭前軀體。在800℃以上，因?yàn)榉枷銦N的縮聚，主要?dú)怏w則是氫氣，殘留物可稱為仍含有氫的碳固體。殘留固體的炭化溫度高于800℃時(shí)通常被稱為碳材料，但仍含有氫和少量的外來原子，如O，N和S。要除去后者，必需加熱到2000℃，這主要取決于這些外來原子在碳固體的化學(xué)狀態(tài)。炭前軀體的裂解和裂解產(chǎn)物的炭化，即含碳固體，往往互相重復(fù)進(jìn)行的。炭化過程可分為兩個(gè)步驟，第一步炭化是隨著烴類氣體的轉(zhuǎn)變進(jìn)行的，第二步是輕質(zhì)氣體的轉(zhuǎn)變。通常情況下，從炭前軀體變成碳材料的整個(gè)過程被稱為“炭化”。這個(gè)過程在很大程度上取決于炭前軀體和熱處理?xiàng)l件，主要是溫度，加熱速度，壓力，濃度（特別是在炭前軀體是氣態(tài)的情況下）。1河南理工大學(xué) 2012屆本科畢業(yè)翻譯論文圖2.13 炭化溫度對(duì)聚酰亞胺薄膜的重量、尺寸和逸出氣體的影響例如，在圖2.13所示的是在一個(gè)聚酰亞胺薄膜（市售25μm厚的聚酰亞胺薄膜）被加熱到1000℃進(jìn)行炭化過程中其氣體轉(zhuǎn)變隨著薄膜重量和尺寸的變化。炭化過程分為三個(gè)步驟：（1）第一步發(fā)生在一個(gè)比較窄的溫度范圍內(nèi)，為500℃-600℃，顯示重量突然下降隨著大量的一氧化碳轉(zhuǎn)化和薄膜明顯收縮（裂解）；（2）第二步發(fā)生的溫度范圍從600℃到1000℃（第一次炭化），重量稍微有點(diǎn)下降，有少量的甲烷和氫氣轉(zhuǎn)化和一點(diǎn)點(diǎn)收縮；（3）第三步是伴隨著氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化，薄膜有可以忽略不計(jì)的小收縮和重量的稍微下降（第二次炭化）。在第三步氮?dú)忉尫胚^程中發(fā)現(xiàn)如果溫度超過 2000℃繼續(xù)加熱，被不斷加熱到2400℃時(shí)薄膜上會(huì)留下大量的毛孔。如上圖所示，聚酰亞胺的“炭化”的過程是相當(dāng)簡(jiǎn)單的。眾所周知這是因?yàn)榫埘啺返姆肿咏Y(jié)構(gòu)導(dǎo)致所生成的碳具有的結(jié)構(gòu)和納米紋理。然而，工業(yè)炭化過程的炭前軀體，如瀝青，有一個(gè)更復(fù)雜的分子組成以至于他們的炭化過程更為復(fù)雜。在表2.1中，根據(jù)所使用炭前軀體的中間階段對(duì)進(jìn)行分類，并列出了所形成的具有代表性的碳材料的特點(diǎn)。正如下面解釋的，碳材料的納米紋理主要是在炭化過程中形成的。此外，納米紋理對(duì)碳在高溫下的結(jié)構(gòu)變化和性質(zhì)有決定性的影響。因此，炭化是生產(chǎn)碳材料的最重要的過程。2炭化過程氣相炭化固相炭化氣相炭化

河南理工大學(xué) 2012屆本科畢業(yè)翻譯論文表2.1 生產(chǎn)各種炭材料的炭化過程炭前軀體 炭材料 特性烴類氣體，在空氣中分解炭黑細(xì)顆粒，所謂的“結(jié)構(gòu)”烴類氣體，在基板上沉積熱解炭紋理不同，解理方向好烴類氣體，金屬催化劑氣相生長(zhǎng)炭纖維，納米纖維形態(tài)，各種納米結(jié)構(gòu)炭纖維烴類氣體，無任何催化劑類金剛石薄膜薄膜，sp3雜化軌道，非晶體結(jié)構(gòu)炭蒸汽炭納米管管狀，單壁和多壁炭蒸汽富勒烯球形，分子的性質(zhì)植物，煤炭和瀝青活性炭高度多孔的吸附性能糠醇，酚醛樹脂，纖維素等玻璃炭無固定結(jié)構(gòu)，不透氣性，貝殼狀斷裂面聚（丙烯腈），瀝青，纖維素，穩(wěn)定炭纖維纖維形態(tài)，高機(jī)械性能的酚醛樹脂聚酰亞胺薄膜炭薄膜薄膜大范圍被石墨化瀝青，煤焦油焦炭，中間相炭微球球形顆粒用瀝青做粘結(jié)劑的焦炭多晶體石墨不同密度，不同解理 氣體相炭化當(dāng)碳材料是通過氣態(tài)烴分子分解產(chǎn)生時(shí)，這個(gè)過程稱為氣相炭化。在整個(gè)碳家庭中很多種類繁多碳材料是經(jīng)氣相炭化產(chǎn)生的 （表2.1）。為了獲得高濃度的烴類氣體，炭黑就產(chǎn)生了。當(dāng)把固體的基片放在炭化條件下，熱解炭就產(chǎn)生了。如果在炭化過程中加入一些細(xì)微的金屬顆粒， 如鐵或鎳，那么各種碳材料，碳纖維（氣相生長(zhǎng)碳纖維）和各種納米紋理和形態(tài)的納米碳纖維就得到了。利用電弧放電或激光灼燒產(chǎn)生碳蒸汽，可以形成碳納米管和富勒烯。3河南理工大學(xué) 2012屆本科畢業(yè)翻譯論文炭黑無論是通過氣態(tài)或薄霧狀碳?xì)浠衔锏牟煌耆紵纬傻奶亢诙际欠浅Ｖ匾墓I(yè)產(chǎn)品。公元三世紀(jì)以來他們已被用作油墨的著色劑，現(xiàn)在大量用于橡膠增強(qiáng)劑。它們的特點(diǎn)是球形的初級(jí)粒子在橡膠增強(qiáng)的時(shí)候，不管是大小不同還是含量多少，都可以接合在一起形成集合體， 即所謂的“結(jié)構(gòu)”（圖2.14）?；谄浞磻?yīng)過程和原材料，炭黑分為爐法炭黑，槽法炭黑，炭黑，熱裂法炭黑和乙炔黑。導(dǎo)電炭黑，是重油氣化的產(chǎn)品，并具有30-40納米的初級(jí)粒子和高比表面積（約1300㎡/g），乙炔炭黑，也經(jīng)常被用作電池的正負(fù)電極和電化學(xué)電容器的導(dǎo)電添加劑。圖2.14 炭黑的透射電子顯微圖像熱解炭使用烴類氣體，如甲烷和丙烷進(jìn)行炭化時(shí)，產(chǎn)生的碳沉積在所插入前驅(qū)體樣板的表面。這個(gè)過程是一種化學(xué)氣相沉積（ CVD），其產(chǎn)品被稱為熱解炭。為了控制結(jié)構(gòu)的形成，必須對(duì)沉積條件加以控制。沉積可以發(fā)生在靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的基板上。在前者中，把前驅(qū)體放置于爐中，直接電