200 Cu：Ni=1：4 纳米碳纤维的收率随着生长时 180 可能是由于此比例的催化剂活 Cu：Ni=0：5 间的增加而增加，说明催化剂 Cu：Ni=1：1 160 性较高，在一定碳源的条件下 一直保持着很高的活性即催化 140 生成的纳米碳纤维量保持定。 剂的利用率很高 120 100 单镍催化剂表 面被一层碳膜 80 所包裹，使其 60 钝化，导致产 可能是由于催化剂的量增加后 40 量的增长速率 团聚导致催化剂活性的降低， 20 减小，当催化 而使纳米碳纤维的收率减少。 0 剂全部被钝化 后，失去催化 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 效应，产量趋 Time/min Cat/g 于稳定。
尾气
控 温 仪
反 应 炉
技术路线及实验内容
Step3 Step1：升温并恒温阶段 ： CNF 生长阶段 Step5 Step4 Step2 ：润饰阶段 、 ：吹扫阶段 6 ：降温阶段
1
2 6
H2
40ml/min 40ml/min 20ml/min
实验步骤
3 4 5
C H 22 H4
He He
反应炉
200ml/min
180ml/min 160ml/min 160ml/min
580 580 ℃、 ℃、 升温至 30min 60min 20min 580 ℃ 恒温2h
Cu、Ni
C
20mg
技术路线及实验内容
Step5、6：降温阶段
5
6 4
H2
20ml/min
实验步骤
1 2 3
反应炉 He
200ml/min 50ml/min 180ml/min
yield/%
结论与扩展
扩展 小结
本实验主要研究了块状纳米碳纤维的制备，并对所得的产物的相 考察更多的工艺参数，如保护气和碳源的种类，进气流量等对制 备纳米碳纤维的影响，并对工艺条件进行优化。 貌及微观结构进行了表征，同时还考察不同生长时间，不同生长温 度，不同催化剂量和比例下纳米碳纤维的性能，产品差异及产率的差 异。得到了一定的成果。 本实验未对纳米碳纤维的生长机理进行过多的探讨，未能 实验表明，所得的纳米碳纤维呈螺旋状和直线状，其石墨化程度 解决纳米碳纤维在催化剂是底端还是顶端生长的问题。 不佳，但粗产品纯度较高且抗氧化能力强； 生长温度对纳米碳纤维的影响较大，当温度为600 ℃左右时能够 制备出高产率、粗细均匀的纳米碳纤维； 共沉淀法制备的Cu、Ni合金活性较高，随着生长时间的增加， 一直保持着较高的活性，使纳米碳纤维的产率也随之增加。 对于单镍催化剂，易发生团聚烧结现象，使纳米碳纤维的产率 随生长时间和催化剂用量的增加先增加后减少。
yield/%
200 150 100 单镍催化剂表 面被一层碳膜 所包裹，使其 钝化，导致产 单镍催化剂 量的增长速率 发生团聚烧 减小，当催化 结现象。 剂全部被钝化 125后，失去催化 效应，产量趋 于稳定。
50
0 5 25 45 65 85 105
Time/min Temperature/℃
催化剂量的影响
.
力学性能
力学性能
高强度、高弹性等特点，是制备 复合材料的理想轻质增强材料。 高长径比和导电性，可用于面板 类的静电喷漆和双电层电容器电 极。 热传导性在平行于轴线与垂直于 轴线方向上表现出很大的不同， 可用于各向异性传导材料。
电学性能 热学性能
电学性能
热学性能
技术路线及实验内容
主要分类
•热丝CVD法 •模板合成法 •热蒸发CVD法
• r.c
LOGO
SEM
表征
TEM
XRD
TGA 比较纳米碳纤维与石墨的XRD图谱可以看出纳 米碳纤维在26.5°的峰处没有石墨峰尖锐，其曲线 也没有石墨的平滑，说明该产物的石墨化程度不佳 ，这与前面SEM和TEM表征得出的结果相符。
热重分析表征
SEM
表征
TEM
XRD
TGA
所得纳米碳纤维在约500℃以下几乎没有损失， 说明抗氧化能力强，当温度上升到500℃以上时，样 品质量急剧下降到不足2%，这部分损失的质量即为 纳米碳纤维的氧化所致，而剩下的不足2%的残余物 为熔点较高的催化剂及其氧化物，这说明催化剂的 活性较高。
工艺参数对纳米碳纤维生长的影响
500 ℃
粗细、密度不均
主要考察 工艺参数
600 ℃
生长温度 粗细密度较均匀 生长时间
700 ℃
催化剂用量
700 ℃ 产率 =（产量 - 催化剂量）/ 催化剂量 较粗且断裂
表面00 随温度升高催化 剂活性增强，后 趋于稳定。
Cu：Ni=1：4 Cu：Ni=0：5 Cu：Ni=1：1
yield/%
150 100 50 0 450 500 550 600 650 700 单镍催化剂 发生团聚烧 结现象。 750
Temperature/℃
生长时间的影响
350 300 250 纳米碳纤维的收率随着生长时 间的增加而增加，说明催化剂 一直保持着很高的活性即催化 剂的利用率很高
Cu：Ni=1：4 Cu：Ni=0：5 Cu：Ni=1：1
冷却至 580 ℃、 冷却至 400 ℃ 20min 室温
Cu、Ni
C
20mg
实验结果表征
SEM
表征
TEM
XRD
TGA 纤维长 粗细分布 呈螺旋状和直线状
透射电镜表征
SEM
表征
TEM
XRD
TGA 从图中可以看到，石墨层不明显，且外层有 无定型碳，说明所得纳米碳纤维石墨化程度 不佳。
X射线衍射表征
Cu、Ni合 金催化剂 碳源：乙烯
载气：氢气 保护气：氦气 催化剂：Cu、Ni合金
热电偶
干燥及还原
模 具
尾气
控 温 仪
反 应 炉
技术路线及实验内容
气相生长
生长时间 催化剂量
生长温度
收率及性 能的差异
乙 烯
氦 气
氢 气
流 量 计
热电偶
碳源：乙烯 载气：氢气 保护气：氦气 催化剂：Cu、Ni合金
模 具
主要分类
• 基体法 • 喷淋法 • 流动催化法
主要分类
• 电子纺丝法
• 电弧法 • 激光烧蚀法
PE-CVD
气相生长
其他方法
技术路线及实验内容
气相生长
配制混合 溶液
共沉淀
制备块状纳 米碳纤维
Cu、Ni合 金催化剂
干燥及还原
技术路线及实验内容
气相生长
配制混合 溶液
共沉淀
乙 烯 氦 气 氢 气
流 量 计
LOGO
纳米碳纤维及其复合材料
汇报人：潘磊 指导教师：乔文明
目
研究背景
录
技术路线及实验内容
实验结果表征 工艺参数影响
结果与扩展
研究背景
纳米碳纤维(Carbon nanofibers ，简称CNF) 是化学气相生长碳纤维的一种形式，是通过裂 解气相碳氢化合物制备的一种非连续类石墨纤 维，是一种新型亚微米增强材料。