在水輔助氧化作用下,我們直接在金屬鎳片上生長(zhǎng)出宏觀上定向生長(zhǎng)的納米碳纖維,其長(zhǎng)度達(dá)到5mm ,經(jīng)掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡觀察其為非晶態(tài)的螺旋狀納米碳纖維,直徑在100nm - 200nm ,測(cè)試其場(chǎng)發(fā)射特性,開啟場(chǎng)強(qiáng)為1.6V·μm^{- 1}，最大發(fā)射電流密度可達(dá)6mA·cm^{- 2} 。

　　納米碳纖維(CNF) 是一種纖維狀的碳材料,這種碳材料在形態(tài)上和碳納米管(CNT) 極其相似,但它們的微觀結(jié)構(gòu)卻不相同。納米碳纖維通常顯示無序的非晶態(tài)結(jié)構(gòu),而碳納米管則顯示為有序的晶態(tài)結(jié)構(gòu)。納米碳纖維和碳納米管一樣具有許多優(yōu)異的物理和化學(xué)性能,被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域 。通常我們用催化熱解法制備納米碳纖維,這種方法中催化劑是一個(gè)關(guān)鍵的因素。通常制備催化劑的方法有磁控濺射法,電鍍法,熱蒸發(fā)催化劑法等。這些方法制備催化劑比較麻煩,并且納米碳纖維的產(chǎn)量不高。本文提出了一種在金屬鎳片上直接生長(zhǎng)納米碳纖維的方法,該法可大面積在金屬鎳片上生長(zhǎng),且生長(zhǎng)出的納米碳纖維超長(zhǎng),宏觀定向,成螺旋狀。

1、實(shí)驗(yàn)

　　剪取1 平方厘米大小的鎳片,厚度為0104mm ,放入酒精中超聲清洗30min ,取出用去離子水洗凈,用洗耳球吹干水漬,放入陶瓷舟中,將陶瓷舟放入管式電阻爐中,在爐口放一盛滿水的陶瓷舟。在氫氣氣氛中升溫至700 ℃(氫氣流量為300sccm) 。通入氮?dú)?氮?dú)饬髁繛?00sccm) ,同時(shí)通入乙炔為碳源(乙炔流量為60sccm) ,生長(zhǎng)時(shí)間10min。在氮?dú)獗Ｗo(hù)下降至室溫。樣品用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡觀察其微觀形態(tài)。

2、結(jié)果與討論

2.1、樣品表征及分析

　　肉眼觀察,生長(zhǎng)在鎳片上的納米碳纖維一束束成定向排列,長(zhǎng)度達(dá)5mm。如圖1 示,將納米碳纖維從鎳片上剝離,可觀察到陣列由頭發(fā)絲細(xì)的納米碳纖維束排列而成,如圖2。SEM 觀察,每一束碳纖維由無數(shù)的直徑在100nm - 200nm 之間的螺旋形納米碳纖維纏繞而成。如圖3。透射電子顯微鏡顯示其為非晶態(tài)的碳纖維。如圖4。

圖1 　宏觀狀態(tài)下的納米碳纖維陣列　　圖2 　剝離下來的納米碳纖維束

　　鎳是一種很好的生長(zhǎng)納米碳纖維的催化劑,但通常是將其利用磁控濺射或其它方法鍍?cè)诨�片上生長(zhǎng)碳纖維,制作過程比較復(fù)雜,我們利用極薄的鎳片在高溫下表面形變生成無數(shù)微小的粒子作為催化劑,制作過程簡(jiǎn)單且能大量生長(zhǎng)納米碳纖維。2004年,Hata等以乙烯為碳源,采用含有微量水的Ar或He 氣與氫氣為載氣,制備出高密度定向排列的單壁碳納米管陣列。其中,水是弱氧化劑在納米管的形成過程中,起到了選擇性的氧化依附在催化劑表面的非晶碳,提高了催化劑顆�；钚缘闹匾�作用。實(shí)驗(yàn)中,對(duì)比了未加水生長(zhǎng)的納米碳纖維陣列,發(fā)現(xiàn)未加水時(shí)生長(zhǎng)的納米碳纖維陣列較短,大約2mm長(zhǎng),分析其原因,乙炔在400 ℃左右時(shí)發(fā)生熱裂解,由此產(chǎn)生的碳黑覆蓋在催化劑上會(huì)使催化劑失效,由此顯現(xiàn)出水這種弱氧化劑在生長(zhǎng)碳納米纖維時(shí)的重要作用。

圖3 　螺旋狀納米碳纖維SEM像　　圖4 　納米碳纖維的TEM像

　　R. T. Yang認(rèn)為螺旋碳纖維的生成是由于催化劑粒子的不同晶面對(duì)碳纖維的生長(zhǎng)表現(xiàn)出不同的催化活性,由于晶面的各向異性,有的晶面對(duì)分解碳源氣體成碳的過程表現(xiàn)出很大活性,而有的晶面則因能夠與石墨層形成很強(qiáng)的共價(jià)鍵而能夠生長(zhǎng)碳纖維,但是由于不同晶面生長(zhǎng)碳纖維的速度不同,導(dǎo)致了螺旋形態(tài)碳纖維的出現(xiàn)。而G. G. Tibbets認(rèn)為碳纖維中空管的形成是由于催化劑顆粒和基體間有接觸角,因此在基體上鍍上的催化劑在高溫下更容易形成小液滴,小液滴與基體具有接觸角而生成碳納米管。本文中,鎳片在高溫下裂開形成小顆粒,該小顆粒與基體緊密結(jié)合而不具有接觸角,因此更易形成實(shí)心的碳纖維結(jié)構(gòu)。

2.2、場(chǎng)發(fā)射特性分析

　　由于該納米碳纖維是典型的一維碳結(jié)構(gòu)物質(zhì),碳纖維具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能,應(yīng)該如同碳納米管一樣具有優(yōu)異的場(chǎng)發(fā)射性能。我們采用二極管結(jié)構(gòu)測(cè)試超長(zhǎng)納米碳纖維陣列場(chǎng)發(fā)射特性,真空度為2 ×10 ^{- 4} Pa ,陰陽極間距為500μm ,測(cè)試結(jié)果表明,納米碳纖維陣列開啟場(chǎng)強(qiáng)為1.6V·μm^{- 1} ,相應(yīng)的場(chǎng)發(fā)射電流密度為10μA·cm^{- 2} ,最大場(chǎng)發(fā)射電流密度可達(dá)6mA/ cm^{- 2} 。如圖5。表明納米碳纖維場(chǎng)發(fā)射性能不亞于碳納米管。

圖5 　碳納米纖維陣列場(chǎng)發(fā)射I-V 特性曲線和F-N 特曲線

3、結(jié)論

　　在水輔助氧化作用下,直接在金屬鎳片上用催化熱解法生長(zhǎng)出了超長(zhǎng),宏觀定向的螺旋狀納米碳纖維。并測(cè)試其場(chǎng)發(fā)射特性,該方法為如何直接在金屬上生長(zhǎng)納米碳纖維提供了一個(gè)參考。同時(shí)也提供了一種簡(jiǎn)單易行的大量制備螺旋狀納米碳纖維的方法。由于螺旋納米碳纖維具有本征特性,在微波吸收方面比直線形碳纖維具有更大的潛力,因此我們下一步的工作是測(cè)它的微波吸收特性。