专利名称：气相生长碳纤维的方法
技术领域：
本发明涉及碳材料的制备方法，尤其涉及一种气相生长碳纤维的方法。
背景技术：
目前，气相生长碳纤维的方法主要有两种基体法和喷淋法或者流动催化 剂法。所谓的基体法是将石墨或陶瓷作基体，施以催化剂颗粒做"种籽，，，高温 下通入碳氢气体化合物，同时还混合有氢气，然后在催化剂的作用下碳氢气体 分解并在催化剂颗粒的一侧析出纤维状碳。Rodrigue在基体上喷洒超细催化剂 粉末，高温降解碳氪化合物气体制备出50nm 80nm的气相生长碳纤维。这种 基体催化剂方法可以制备出高质量的气相生长碳纤维。但是，超细催化剂颗粒 的制备非常困难，在基体上喷洒不均匀，而且气相生长碳纤维只在有催化剂的
基体上生长，因而产量不高。
Tibbetts用喷淋法或者流动催化剂法在一个垂直的炉子里成功地制备出了 50nm ~ 100nm的气相生长碳纤维。虽然这种方法提供了大量制备气相生长碳纤 维的可能性，但是由于催化剂与碳氢气体化合物的比例难以优化，喷洒过程中 铁颗粒分布不均匀，且喷洒的催化剂颗粒纟艮难以纳米级形式存在，且制备的气 相生长碳纤维总是伴有大量的碳黑生成。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种反应活性高且易于在基体表面生长出碳纤维的 气相生长碳纤维的方法。
一种气相生长^f友纤维的方法，包括以下步骤 将基体置于反应腔体中，并充入碳源前驱气体；
3采用微波对基体进行加热，使基体温度在900 。C至1300 °C之间； 碳源前驱气体在具有所述温度的基体表面热解，气相生长出碳纤维。 与现有技术相比，所述气相生长碳纤维的方法采用微波加热的方法，借助 极性物质受樣t波作用，具有自发热和加热速度快的特点和微波的非热效应对物 质反应的活化及过程改变的诱导性，降低了活化能，改变了反应动力学，从而 选择性地促进反应和提高定向反应活性，易于基体表面气相生长碳纤维。
图1是本发明实施例的气相生长碳纤维的方法所采用的装置图。 图2是图1中的装置沿A-B线的截面内部结构示意图。 图3是本发明实施例的气相生长碳纤维的方法流程示意图。 图4是本发明实施例一、二和三在氧化铝基体表面气相生长的碳纤维的扫 描电镜示意图。
图5是本发明实施例四在碳/碳复合材料基体表面气相生长的气相碳纤维的 扫描电镜示意图。意图。
图7是本发明实施例六气相生长的碳纳米管的扫描电镜示意图。
具体实施例方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅 仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，为本发明实施例的方法所采用的装置图。该装置是一个微波 热解化学气相沉积工艺装置10，包括微波腔12和置于微波腔12内的反应腔体 14。图1所示的反应腔体14是石英管14。在装置10工作时，石英管l4内盛
4装有基体16，基体16与石英管14之间具有间隙15，以供气体通过。微波腔 12具有气体入口 18和出口 19,其中入口 18直接与石英管14的管口相连通， 出口 19开设在微波腔12的侧壁上。
如图2所示，本实施例中的基体16为一个与石英管14同轴的圆柱体，圓 柱体形状的基体16外周与石英管14之间具有环形间隙15,以供气体均匀通过， 并在基体16外周表面生长碳纤维。
请参阅图1和3，以说明本发明实施例的气相生长碳纤维的方法流程，其 包括以下步骤
(1 )将基体16置于反应腔体，即石英管14中，并充入碳源前驱气体；
(2) 采用微波17对基体16进行加热，使基体温度保持在卯0 。C至1300 。C之间；
(3) 碳源前驱气体在具有该温度的基体16表面热解，气相生长出碳纤维。 在步骤(2)中，不仅对基体16进行加热，同时还对^碳源前驱气体进行加
热，主要利用微波对极性物质，即碳源前驱气体所具有的加热速度快、内部加
源前驱气体热解所需的活化能,改变反应动力学，选择性地促进反应和提高定 向反应活性。最终使碳源前驱气体在基体16表面热解，气相生长碳纤维，即步 骤(3)。
另外，气体在基体16表面的滞留时间约为0.1-0.5秒，具体的滞留时间可 以通过流速来控制。在气体的滞留过程中，气体在没有催化剂的条件下，通过 电磁场的引入，流场的设计，气体流量和浓度的调控，基体16的结构设计来实 现气相碳纤维生长或阵列生长。因而，本发明实施例的气相生长碳纤维的方法 为直接在基体表面生长碳纤维，采用非催化剂生长方式。其中，碳纤维主要包 括碳纳米管，当然通过改变条件，也可生长出实心碳纤维和/或中空碳纤维即碳 纳米管。
以下是本发明气相生长碳纤维的方法实施示例，以详细说明该方法的具体操作工艺。
实施例一
如图l所示，先将基体16置于石英管14内，基体16与石英管14的间隙 15通入碳源前躯气体。本实施例采用氧化铝材质的基体，甲烷气体为碳源前驱 气体，氮气为载气和稀释剂，将它们的混合气体从入口 18通入，气体的滞留时 间为0.5s,采用位于上、下部的微波源，形成微波17加热基体16，加热达到 前驱体即甲烷气体的热解温度，温度维持在130(TC,经l小时的热解沉积，即 可制得碳纤维，如图4所示，碳纤维具有阵列形式。
实施例二
如图1所示，先将基体16置于石英管14内，基体16与石英管14的间隙 15通入碳源前躯气体。本实施例采用氧化铝材质的基体，丙烯气体为碳源前驱 体，氮气为载气和稀释剂，将它们的混合气体从入口通入，气体的滞留时间为 0.3s,采用位于上、下部的微波源加热基体，加热达到前驱体热解温度，温度 维持在1100。C，经l小时的热解沉积，即可制得如图4所示的碳纤维。
实施例三
如图l所示，先将基体16置于石英管14内，基体16与石英管14的间隙 15通入碳源前躯气体。本实施例采用氧化铝材质的基体，乙炔气体为碳源前驱 体，氮气为载气和稀释剂，将它们的混合气体从入口通入，气体的滞留时间为 O.ls，采用位于上、下部的微波源加热基体，加热达到前驱体热解温度，温度 维持在900。C,经l小时的热解沉积，即可制得如图4所示的碳纤维。
实施例四
如图l所示，先将基体16置于石英管14内，基体16与石英管14的间隙 15通入碳源前躯气体。本实施例采用碳/碳复合材料的基体，甲烷气体为碳源前 驱体，氮气为载气和稀释剂，将它们的混合气体从入口通入，气体的滞留时间 为O.ls，采用位于上、下部的微波源加热基体，加热达到前驱体热解温度，温 度维持在1200。C,经l小时的热解沉积，即可制得气相生长的碳纤维，如图5所示。
实施例五
如图1所示，先将基体16置于石英管14内，基体16与石英管14的间隙 15通入碳源前躯气体。本实施例采用碳化硅基体，曱烷气体为碳源前驱体，氮 气为载气和稀释剂，将它们的混合气体从入口通入，气体的滞留时间为O.ls, 采用位于上、下部的微波源加热基体，加热达到前驱体热解温度，温度维持在 1300°C，经l小时的热解沉积，即可制得气相生长的碳纤维，如图6所示。
实施例六
如图1所示，先将基体16置于石英管14内，基体16与石英管14的间隙 15通入碳源前躯气体。本实施例采用氧化铝材质的基体，曱烷气体为碳源前驱 体，氮气为载气和稀释剂，将它们的混合气体从入口通入，气体的滞留时间为 O.ls,采用位于上、下部的微波源加热基体，加热达到前驱体热解温度，温度 维持在1100。C,经l小时的热解沉积，即可制得气相生长的碳纤维，该碳纤维 可明显看出是碳纳米管形式，如图7所示。
在以上描述的各实施例中，各基体或碳源前驱体以及工艺条件可以交叉组 合使用，并不限于以上实施例所示的组合。上述方法采用樣b皮加热的方法，借 助极性物质受微波作用，具有自发热和加热速度快的特点和微波的非热效应对 物质反应的活化及过程改变的诱导性，降低了活化能，改变了反应动力学，从 而选择性地促进反应和提高定向反应活性，易于基体表面气相生长碳纤维。此 外，这种气相生长碳纤维的方法不需要额外的催化剂作为生长"种籽"，而是直 接在基体表面生长-友纤维。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。
权利要求
1、一种气相生长碳纤维的方法，包括以下步骤将基体置于反应腔体中，并充入碳源前驱气体；采用微波对基体进行加热，使基体温度在900℃至1300℃之间；碳源前驱气体在具有所述温度的基体表面热解，气相生长出碳纤维。
2、 如权利要求l所述的气相生长碳纤维的方法，其特征在于所述纤维在 基体表面通过非催化剂方式生长。
3、 如权利要求1所述的气相生长碳纤维的方法，其特征在于所述加热步 骤包括通过微波对基体和前驱气体进行加热。
4、 如权利要求1所述的气相生长碳纤维的方法，其特征在于所述碳源前 驱气体包括曱烷、乙炔或丙烯。
5、 如权利要求4所述的气相生长碳纤维的方法，其特征在于所述碳源前 驱气体还混合有氮气。
6、 如权利要求1所述的气相生长碳纤维的方法，其特征在于所述碳源前 驱气体中不含有氢气。
7、 如权利要求1所述的气相生长碳纤维的方法，其特征在于所述气相生 长的纤维包括^灰纳米管。
8、 如权利要求1所述的气相生长碳纤维的方法，其特征在于所述碳源前 驱气体在基体表面的滞留时间为0.1-0.5秒。
9、 如权利要求1所述的气相生长碳纤维的方法，其特征在于所述基体的 材质包括氧化铝、碳/碳复合材料或碳化硅。
10、 如权利要求1所述的气相生长碳纤维的方法，其特征在于所迷反应 腔体是石英管，所述基体与石英管之间形成间隙，以允许所述碳源前驱气体由 间隙通过。
全文摘要
本发明提供一种气相生长碳纤维的方法，包括以下步骤将基体置于反应腔体中，并充入碳源前驱气体；采用微波对基体进行加热，使基体温度在900℃至1300℃之间；碳源前驱气体在具有所述温度的基体表面热解，生长出碳纤维。该方法采用微波加热的方式，借助极性物质受微波作用，具有自发热和加热速度快的特点和微波的非热效应对物质反应的活化及过程改变的诱导性，降低了活化能，改变了反应动力学，从而选择性地促进反应和提高定向反应活性，易于基体表面气相生长碳纤维。
文档编号D01F9/127GK101476176SQ200910104869
公开日2009年7月8日 申请日期2009年1月9日 优先权日2009年1月9日
发明者曾燮榕, 符冬菊, 飞 邓, 邹继兆, 黎晓华 申请人:深圳大学