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第1章 绪论1

1.1 引言1

1.2 碳及碳纳米材料2

1.2.1 碳的同素异形体2

1.2.2 碳纳米材料的定义和分类7

1.3 碳纳米材料的制备9

1.3.1 零维碳纳米材料的制备9

1.3.2 一维碳纳米材料的制备12

1.3.3 二维碳纳米材料的制备15

1.4 碳纳米材料的性能与应用16

1.4.1 零维碳纳米材料的性能与应用17

1.4.2 一维碳纳米材料的性能与应用18

1.4.3 二维碳纳米材料的性能与应用19

1.5 火焰法制备碳纳米材料及其特性20

1.5.1 火焰法制备零维碳纳米材料及其特性20

1.5.2 火焰法制备一维碳纳米材料及其特性21

1.5.3 火焰法制备二维碳纳米材料及其特性22

参考文献22

第2章 火焰中的零维碳纳米材料28

2.1 引言28

2.2 火焰法制备炭黑颗粒28

2.2.1 炭黑及其生产方式28

2.2.2 火焰中生成炭黑的类型及特征30

2.2.3 气体燃料燃烧生成炭黑的影响因素及机理31

2.2.4 液体燃料燃烧生成炭黑的影响因素及机理32

2.2.5 固体燃料燃烧生成炭黑的影响因素及机理33

2.2.6 炭黑的应用33

2.3 火焰法制备富勒烯34

2.3.1 富勒烯及其制备方法34

2.3.2 富勒烯的制备、分离和提纯37

2.3.3 火焰法制备富勒烯的影响因素38

2.3.4 火焰法制备富勒烯的机理44

2.3.5 火焰法制备富勒烯的形貌特征45

2.3.6 富勒烯的应用49

2.4 火焰法制备金刚石51

2.4.1 金刚石及其制备方法51

2.4.2 火焰法制备金刚石及其影响因素55

2.4.3 火焰中金刚石的生长机理59

2.4.4 火焰法制备金刚石的形貌特征60

2.4.5 纳米金刚石的性质64

2.4.6 纳米金刚石的应用67

参考文献69

第3章 火焰法制备一维碳纳米材料及其生长机理75

3.1 引言75

3.2 关于碳纳米管和碳纳米纤维的定义75

3.3 液体火焰的温度场特征76

3.4 基板材料对一维碳纳米材料形貌和结构的影响79

3.4.1 乙醇火焰法中含Ni基板上的燃烧产物80

3.4.2 乙醇火焰法中含Fe基板上的燃烧产物81

3.5 一维碳纳米材料的拉曼光谱表征84

3.6 火焰法中一维碳纳米材料的生长机制86

参考文献88

第4章 胺燃料火焰制备氮掺杂碳纳米管及其生长机理92

4.1 引言92

4.2 氮掺杂碳纳米管的研究现状与进展93

4.2.1 氮掺杂碳纳米管的研究背景93

4.2.2 氮掺杂碳纳米管的制备方法和结构特征93

4.2.3 氮掺杂碳纳米管的生长机理96

4.2.4 氮掺杂碳纳米材料的物性及其应用97

4.3 胺燃料火焰法氮掺杂碳纳米管的制备100

4.4 不同胺燃料的火焰温度场特征102

4.5 火焰高度和燃烧时间对制备产物的影响104

4.6 不同胺燃料对氮掺杂碳纳米管形貌的影响106

4.7 “石墨型”为主的氮掺杂碳纳米管的结构特征107

4.8 “石墨型”为主的氮掺杂碳纳米管的形成机理110

4.9 氮掺杂碳纳米管中C？N键的形成机理111

参考文献113

第5章 火焰法制备螺旋碳纳米纤维及其生长机理117

5.1 引言117

5.2 螺旋碳纳米纤维的研究现状及进展118

5.2.1 螺旋碳纳米纤维的制备和生长机理118

5.2.2 螺旋碳纳米纤维的物性与应用119

5.3 螺旋碳纳米纤维的制备120

5.3.1 乙醇燃料和电镀Fe纳米晶120

5.3.2 液体胺燃料和涂覆Ni金属盐121

5.4 螺旋碳纳米纤维的形貌特征122

5.4.1 胺火焰中涂覆Ni金属盐法制备螺旋碳纳米纤维122

5.4.2 乙醇火焰中电镀Fe纳米晶薄膜表面生长的螺旋碳纳米纤维124

5.5 火焰法中螺旋碳纳米纤维的生长机理125

参考文献127

第6章 一维碳纳米材料的直径可控生长130

6.1 引言130

6.2 脉冲电沉积金属纳米晶薄膜技术简介130

6.2.1 脉冲电沉积技术制备金属纳米晶薄膜131

6.2.2 利用脉冲电沉积技术制备金属纳米晶薄膜的研究现状134

6.2.3 脉冲电沉积技术制备金属纳米晶薄膜的应用135

6.3 碳纳米管的直径可控制备及生长机理136

6.3.1 脉冲电沉积参数对金属Ni纳米晶薄膜晶粒度的影响137

6.3.2 脉冲电沉积参数对碳纳米管直径的影响142

6.3.3 碳纳米管的直径控制生长机制146

6.4 碳纳米纤维的直径可控制备及生长机理147

6.4.1 脉冲电沉积参数对金属Fe纳米晶薄膜晶粒度的影响147

6.4.2 脉冲电沉积参数对碳纳米纤维的直径的影响151

6.4.3 螺旋碳纳米纤维的制备155

6.4.4 碳纳米纤维的直径控制生长机制157

参考文献158

第7章 电场辅助下的一维碳纳米材料可控生长163

7.1 引言163

7.2 电场控制一维碳纳米材料生长的研究进展164

7.2.1 制备时无意引入电场164

7.2.2 制备时有意引入电场166

7.2.3 制备后的电场处理166

7.3 电场辅助对碳纳米管形态与结构的调控及其作用机理168

7.3.1 实验材料与方法168

7.3.2 电场诱导可控生长碳纳米管169

7.3.3 电场中碳纳米管可控生长的机理172

7.3.4 电场辅助碳纳米管的结构优化177

7.4 电场辅助碳纳米管可控生长过程的模拟计算179

7.4.1 计算基本模型的建立179

7.4.2 有限元模拟181

7.4.3 单根碳纳米管的受力分析181

7.4.4 两根碳纳米管的受力分析182

7.4.5 多根碳纳米管的受力分析183

7.4.6 多根碳纳米管在生长过程中的受力分析186

7.4.7 不同管径碳纳米管的受力分析189

参考文献191

第8章 大电场辅助下的一维碳纳米材料可控生长196

8.1 引言196

8.2 大电场对“实心”碳纳米纤维直径的调控及作用机理196

8.2.1 实验材料与方法197

8.2.2 电场强度与“实心”碳纳米纤维形貌及直径的关系198

8.2.3 电场调控“实心”碳纳米纤维直径的作用机理200

8.3 大电场诱导制备“一维奶牛乳房状微／纳米碳同质异构”阵列202

8.3.1 实验材料和方法203

8.3.2 “一维奶牛乳房状微／纳米碳同质异构结构”的特征204

8.3.3 “一维奶牛乳房状微／纳米碳同质异构结构”的影响因素206

8.3.4 “一维奶牛乳房状微／纳米碳同质异构结构”的生长机理210

参考文献212

第9章 磁场辅助下碳纳米管的可控生长215

9.1 引言215

9.2 磁场控制碳纳米管生长的研究进展216

9.2.1 制备前引入磁场216

9.2.2 制备时引入磁场216

9.2.3 制备后引入磁场217

9.3 实验材料与方法218

9.4 磁场对碳纳米管微观形貌的调控218

9.5 磁场对碳纳米管微结构及结晶的调控220

9.6 磁场调控碳纳米管的作用机理222

参考文献225

第10章 一种具有“有序—无序—有序—无序……”周期性变化的同质异构碳纳米管227

10.1 引言227

10.2 碳基一维纳米异质结的研究现状与进展227

10.2.1 碳基一维纳米异质结的结构227

10.2.2 碳基一维纳米异质结的制备方法228

10.2.3 碳基一维纳米异质结的物理性质及其应用232

10.3 全碳基一维纳米同质异构结的研究现状与进展236

10.3.1 全碳基一维纳米同质异构结的制备236

10.3.2 全碳基一维纳米同质异构结的物理化学性质及其应用237

10.4 “有序—无序—有序—无序……”周期性变化的同质异构碳纳米管的制备238

10.4.1 电场诱导碳纳米管的微结构转变238

10.4.2 电场控制周期性“同质异构”碳纳米管的生长与特征240

10.5 “有序—无序—有序—无序……”周期性变化的同质异构碳纳米管的生长机理243

参考文献247

第11章 碳纳米纤维微结构的高温转变252

11.1 引言252

11.2 一维碳纳米材料微结构高温转变的研究进展252

11.2.1 碳纳米管微结构的高温转变253

11.2.2 碳纳米纤维微结构的高温转变255

11.3 放电等离子体烧结（SPS）技术简介257

11.3.1 放电等离子体烧结（SPS）技术的发展257

11.3.2 放电等离子体烧结设备的基本结构257

11.3.3 放电等离子体烧结的原理258

11.3.4 放电等离子体烧结技术的应用261

11.4 实验材料与方法262

11.4.1 “实心”碳纳米纤维的制备262

11.4.2 碳纳米纤维的高温热处理263

11.5 非晶态“实心”碳纳米纤维微结构的高温转变265

11.5.1 高温热处理对非晶态“实心”碳纳米纤维微结构的影响265

11.5.2 非晶态“实心”碳纳米纤维微结构的高温转变机制269

11.6 一种具有“晶态—非晶态”变化特征的同质异构碳纳米纤维271

11.6.1 “晶态—非晶态”同质异构碳纳米纤维的微结构特征271

11.6.2 “晶态—非晶态”同质异构碳纳米纤维的形成机制274

11.6.3 单根“晶态—非晶态”同质异构碳纳米纤维的电输运特性275

11.7 非晶态“实心”碳纳米纤维结构模型的模拟计算278

11.7.1 非晶态“实心”碳纳米纤维结构模型的逆向蒙特卡罗（RMC）法模拟279

11.7.2 模拟结果及讨论分析283

11.8 “晶态—非晶态”同质异构碳纳米纤维的整流机制286

11.8.1 “非晶态”碳的费米能级286

11.8.2 “晶态”碳和“非晶态”碳的接触288

11.8.3 “晶态—非晶态”同质异构碳纳米纤维I-V曲线的拟合289

参考文献291

第12章 无纠缠阵列碳纳米管的可控生长300

12.1 引言300

12.2 纳米晶催化剂颗粒的形貌特征301

12.3 直立无纠缠碳纳米管的制备304

12.4 直立无纠缠碳纳米管阵列的生长机理308

参考文献309

第13章 碳纳米管致密块材的制备及其物性特征312

13.1 引言312

13.2 原始碳纳米管粉体的显微结构特征312

13.3 碳纳米管致密块材的显微结构特征314

13.4 碳纳米管致密块材的物性特征316

13.4.1 碳纳米管致密块材的低温电输运特性317

13.4.2 碳纳米管致密块材的热电势特性318

13.4.3 碳纳米管致密块材电输运性能的各向异性320

参考文献321

第14章 火焰法碳纳米管的大量制备323

14.1 引言323

14.2 火焰法大量制备碳纳米管的原理326

14.2.1 液态碳-氢燃料的燃烧原理326

14.2.2 涂覆法的原理327

14.3 碳纳米管的大量制备方法329

14.3.1 制备材料的选择329

14.3.2 制备方法与步骤330

14.4 火焰法大量制备碳纳米管的影响因素331

14.4.1 火焰温度场的测量331

14.4.2 涂覆物对燃烧产物的影响333

14.4.3 基板材料对燃烧产物的影响335

14.4.4 碳源对燃烧产物的影响338

参考文献339

第15章 火焰法碳纳米管在玻璃纤维／树脂复合材料界面改性中的应用341

15.1 引言341

15.2 玻璃纤维／树脂复合材料及其改性的研究进展342

15.2.1 玻璃纤维／树脂复合材料的历史及应用342

15.2.2 玻璃纤维／树脂复合材料作为建筑材料的优缺点343

15.2.3 玻璃纤维／树脂复合材料改性的研究进展344

15.3 实验材料与方法346

15.4 不同碳纳米管的结构与形貌特征348

15.5 玻璃纤维表面喷涂不同碳纳米管前后的形貌350

15.6 碳纳米管界面改性对GFRP力学性能的影响352

15.7 碳纳米管界面改性后GFRP的冲击断口特征358

15.8 火焰法碳纳米管对GFRP的界面增强机理361

参考文献364

第16章 火焰法可控生长碳纳米管的低温荧光特性367

16.1 引言367

16.2 实验材料与方法368

16.3 碳纳米管的低温荧光特性368

16.3.1 温度对碳纳米管荧光的影响368

16.3.2 其他因素对碳纳米管荧光的影响369

16.3.3 不同气氛中碳纳米管荧光的恢复374

16.4 碳纳米管的低温荧光机理探讨375

16.4.1 物理吸附大气分子的影响376

16.4.2 碳纳米管的结构缺陷376

16.4.3 碳纳米管表面的官能团377

16.4.4 结构缺陷和官能团对碳纳米管电子结构的影响378

16.4.5 碳纳米管低温荧光模型381

参考文献383

第17章 火焰法可控生长碳纳米管的电学性能386

17.1 引言386

17.2 单根碳纳米管电学性能的测试方法386

17.2.1 基于微电极系统的电学性能测试386

17.2.2 基于AFM的单根碳纳米管电学性能测试387

17.3 不同结构的碳纳米管的电学性能388

17.4 单根碳纳米管的导电性测试390

参考文献394

第18章 火焰法一维碳纳米材料的电化学性能及其在超级电容器中的应用395

18.1 引言395

18.2 实验材料与方法396

18.3 碳纳米管和碳纳米纤维的形貌与结构表征397

18.4 碳纳米管和碳纳米纤维的表面积与孔径分布400

18.5 碳纳米管和碳纳米纤维的表面官能团402

18.6 电化学性能及与CVD法制备的碳纳米管的比较403

参考文献406

第19章 火焰法氮掺杂一维碳纳米材料的电化学性能及其在超级电容器中的应用409

19.1 引言409

19.2 火焰法氮掺杂碳纳米管的电化学性能及其在超级电容器中的应用409

19.2.1 火焰法氮掺杂碳纳米管与电极的制备410

19.2.2 氮掺杂碳纳米管的形貌与结构特征411

19.2.3 氮掺杂碳纳米管的比表面积与孔径分布特征412

19.2.4 氮掺杂碳纳米管超级电容器电极的表面化学特性414

19.2.5 氮掺杂碳纳米管电极的电化学性能415

19.2.6 氮掺杂碳纳米管电极的电化学性能增强机理418

19.3 火焰法氮掺杂螺旋碳纳米纤维电化学性能及其在超级电容器中的应用419

19.3.1 氮掺杂螺旋碳纳米纤维的形貌结构特征420

19.3.2 氮掺杂螺旋碳纳米纤维的表面化学基团421

19.3.3 氮掺杂螺旋碳纳米纤维的生长机理423

19.3.4 氮掺杂螺旋碳纳米纤维的电化学性能424

参考文献427

第20章 火焰法生长碳纳米管的场发射性能430

20.1 引言430

20.2 实验材料与方法432

20.2.1 燃料与基底的选择432

20.2.2 Si基底的预处理432

20.2.3 催化剂的制备433

20.2.4 场发射性能的测量433

20.3 火焰法生长碳纳米管及其场发射性能特征434

20.3.1 在光刻胶涂覆辅助镍催化剂平面上生长碳纳米管情况434

20.3.2 在标准抛光硅平面上生长碳纳米管情况437

20.3.3 在硅纳米级金字塔上生长的碳纳米管情况438

20.3.4 在硅微米级金字塔上生长的碳纳米管情况441

20.4 ZnO棒上二次生长碳纳米管的场发射增强效应445

20.4.1 ZnO棒与碳纳米管复合结构的制备445

20.4.2 ZnO棒与碳纳米管复合结构的表征与场发射性能446

参考文献450

第21章 火焰法碳纳米管的表面改性及其在高分子复合材料中的应用452

21.1 引言452

21.2 碳纳米管／聚合物复合材料453

21.2.1 碳纳米管／聚合物复合材料的制备方法453

21.2.2 碳纳米管的表面修饰与改性456

21.2.3 聚合物／碳纳米管复合材料性能的研究进展458

21.2.4 聚合物／碳纳米管纳米复合材料的研究展望461

21.3 碳纳米管的表面修饰和改性461

21.3.1 样品的制备与表征462

21.3.2 样品表面修饰特征与机理463

21.4 碳纳米管／聚苯乙烯复合材料470

21.4.1 样品的制备与表征471

21.4.2 复合材料的形貌特征与性能分析471

21.5 碳纳米管／尼龙6复合材料475

21.5.1 碳纳米管／尼龙6复合材料的研究进展476

21.5.2 样品的制备与表征477

21.5.3 复合材料的形貌特征与性能分析478

21.6 碳纳米管／环氧乙烯基酯树脂（A430）复合材料485

21.6.1 样品的制备与表征487

21.6.2 复合材料的形貌特征与性能分析487

参考文献492

第22章 碳纳米管／MnO2复合材料及其电化学性能495

22.1 引言495

22.2 实验材料与方法496

22.3 碳纳米管／MnO2复合材料的微结构特征497

22.3.1 显微组织特征497

22.3.2 拉曼光谱特征499

22.3.3 物相与化学成分特征499

22.4 碳纳米管／MnO2复合材料制备的影响因素500

22.4.1 碳纳米管对反应产物的影响500

22.4.2 高锰酸钾浓度的影响502

22.5 碳纳米管／MnO2复合材料的包敷机理504

22.6 碳纳米管／MnO2复合材料的电化学性能505

参考文献507

第23章 火焰法制备石墨烯与氮掺杂石墨烯510

23.1 引言510

23.2 石墨烯制备方法的研究现状和进展511

23.2.1 机械剥离法511

23.2.2 SiC外延生长法512

23.2.3 化学气相沉积法513

23.2.4 化学剥离法515

23.2.5 火焰法515

23.3 氮掺杂石墨烯及其制备方法516

23.4 石墨烯和氮掺杂石墨烯的火焰法制备521

23.5 火焰法制备石墨烯的形貌特征522

23.6 火焰法制备氮掺杂石墨烯的成分结构分析524

23.7 火焰法制备石墨烯的生长机理528

23.8 火焰法制备石墨烯的方法改进528

参考文献530

第24章 纳米压痕法测量石墨烯的弹性模量和层数533

24.1 引言533

24.2 石墨烯力学性能的研究现状与进展536

24.3 石墨烯的层数表征538

24.4 纳米压痕技术简介541

24.5 利用纳米压痕测量石墨烯的弹性模量和层数543

24.5.1 利用纳米压痕测量石墨烯的弹性模量545

24.5.2 利用纳米压痕测量石墨烯的层数546

参考文献546

第25章 石墨烯在高温高压下的转变与高质量石墨烯的大量制备549

25.1 引言549

25.2 石墨烯褶皱结构的研究现状与进展549

25.3 高质量石墨烯制备的研究现状与进展552

25.4 实验材料与方法552

25.4.1 化学剥离法制备石墨烯552

25.4.2 SPS高温处理553

25.4.3 SPS高温高压处理554

25.5 石墨烯在高温下的转变特征554

25.5.1 SPS高温处理前后石墨烯的形貌结构特征554

25.5.2 石墨烯褶皱的产生机制556

25.5.3 SPS处理前后石墨烯的表面性能557

25.6 石墨烯在高温高压下的转变特征557

25.6.1 SPS高温高压处理前后石墨烯的形貌结构特征557

25.6.2 SPS高温高压制备高质量石墨烯的机理分析560

25.6.3 SPS高温高压处理前后石墨烯的电输运性能561

参考文献562

第26章 石墨烯／TiO2复合材料的制备及其光催化中的应用565

26.1 引言565

26.1.1 TiO2光催化原理及降解机理565

26.1.2 石墨烯在光催化复合材料中的作用567

26.2 石墨烯／TiO2复合材料的研究现状及进展568

26.3 实验材料与方法573

26.3.1 氧化石墨烯的制备573

26.3.2 热处理制备石墨烯／TiO2复合材料573

26.3.3 石墨烯／TiO2层状复合材料的制备573

26.3.4 光催化性能测试574

26.4 热处理制备石墨烯／TiO2复合材料及其可见光催化性能574

26.5 高催化活性的石墨烯／TiO2层状复合材料577

参考文献579

第27章 石墨烯纳米带的制备及其在超级电容器中的应用582

27.1 引言582

27.2 石墨烯纳米带的研究现状与进展583

27.2.1 碳纳米管纵切法583

27.2.2 有机合成法584

27.2.3 掩模刻蚀法584

27.3 化学剖开法制备石墨烯纳米带587

27.4 石墨烯纳米带的形貌结构特征588

27.5 氧化石墨烯和功能碳纳米管的表面化学基团590

27.6 三种不同结构碳纳米材料的电化学性能对比590

27.7 边缘结构在碳基超级电容器中的重要意义593

参考文献594

第28章 基于石墨烯应变效应的纳米电源研究597

28.1 引言597

28.2 纳米电源的研究现状与进展598

28.2.1 压电式纳米电源598

28.2.2 摩擦式纳米电源600

28.3 石墨烯应变效应的研究现状602

28.4 实验材料与方法604

28.5 单层石墨烯的应力-应变及其表征605

28.6 基于石墨烯应变效应的纳米电源606

参考文献608

附录 发表论文列表611