碳微米管无纺布的可控生长机制及电化学性能研究

本项目以尿素、石蜡等为原材料，采用高温气压热处理工艺，制备低成本、高纯度、高产率碳微米管及其无纺布。研究气氛种类、压力、温度和保温时间等工艺参数对碳微米管及其无纺布结构（组织、形貌、成分、石墨度等）的影响；弄清原材料反应体系、气体产物与碳微米管无纺布生长之间的关系，弄清控制碳微米管及其无纺布生长的关键因素，重点研究碳微米管及其无纺布的生长机制。研究碳微米管无纺布的电化学性能表现规律，揭示碳微米管及其无纺布的微观结构对其电化学性能的作用机理。力图获得气压反应合成碳微米管无纺布的工艺原理和规律，为进一步开发高性能电极材料奠定理论与应用基础。

新型微纳米碳材料已成为材料科学的研究热点之一。碳微米管具有微米量级的管径和超薄的管壁，拥有碳纳米管和石墨烯的独特物理和化学性能。本课题在前期工作的基础上，详细研究了工艺参数对产物的影响规律，并提出了生长模型，解释了生长机理，系统的研究了碳微米管的物理和化学性能。主要研究内容包括：碳微米管及其无纺布的制备及形成机理研究(见第二章)；碳微米管及其无纺布的物理和电化学性能(见第三章)；碳微米管的吸波特性(见第四章)。我们在该项目的执行过程中还有许多新的发现，为下一步的科研工作开启了思路(见第四章)。经过项目组成员的努力，研究计划已经很好的完成，取得了如下成果：（1）首次以尿素和乙二醇为原料，采用PV-CVD工艺在未使用任何金属催化剂的条件下，合成出直径为 1 微米左右，长度能达到厘米量级，管壁厚度在 5-20 纳米之间的碳微米管。（2）炉内气氛的压力对碳微米管的直径影响较大，随着气氛压力的增大，管径逐渐增加，可以通过控制原料的用量和组成，获得获得厚度分布均匀、光学透明的超薄碳微米管薄膜和柔韧性良好的厚度为 80 微米左右的二维碳微米管布。（3）在低温时能够成功的制备出氮掺杂的碳微米管材料，其中的氮原子含量随着温度和气压的升高而下降。（4）碳微米管与碳纳米管一样具有良好的导电性，其平均电导率为(7.91±1.33)×105 S m-1；碳微米管布室温真空条件下沿着轴向和纵向方向的热导率分别为 5.516 W m-1•K-1和 0.033 W m-1•K-，表明碳微米管无纺布具有很好的隔热性能；碳微米管布的比强度和电导率分别为 20-28 MPa g-1cm3和 2.7×104 S m-1。（5）碳微米管的电化学性能随着制备温度的升高而逐渐下降，库伦效率随着制备温度的升高提高。40个循环之后，循环效率达到90%以上。（5）碳微米管环氧树脂吸波复合材料电磁参数的实部和虚部随着碳微米管含量的增加而增加。当碳微米管的含量为 1wt%，厚度为2mm 时，碳微米管环氧树脂复合材料的吸波性能最好，在 2-18GHz 范围内最低反射率-24dB。（6）CMT/Fe3O4纳米该复合材料发挥了碳材料和磁性吸波体的双重吸波特性，表现了优异的吸波特性。总之，在该项目的资助下，目前项目组已发表SCI学术论文10篇（有1篇处于修改状态)，最高影响因子6.16；获授权发明专利8项(另有1项处于实质审查阶