Углеродные нановолокна

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Углеродные нановолокна — углеродные цилиндрические наноструктуры, представляющие собой сложенные стопкой слои графена в виде конусов, «чашек» или пластин.

Углерод может существовать в форме трубчатых микроструктур называемых нитями или волокнами. В последние десятилетия уникальные свойства углеродных волокон расширили научную базу и технологию композитных материалов.

Углеродные нановолокна (УНВ) представляют собой класс таких материалов, в которых изогнутые графеновые слои или наноконусы сложены в форме квази -одномерной нити, чья внутренняя структура может быть охарактеризована углом α между слоями графена и осью волокна[1]. Одно из распространенных различий отмечается между двумя основными типами волокон: «Елочка», с плотно уложенными коническими графеновыми слоями и большими α, и «Бамбук», с цилиндрическими чашеподобными графеновыми слоями и малыми α, которые больше похожи на многослойные углеродные нанотрубки. Однако, в случае настоящих УНТ α равна нулю.

УНВ привлекли большое внимание ученых своими потенциальными термическими, электрическими, экранирующими и механическими свойствами[2]. Благодаря их исключительным свойствам и низкой стоимости, они в настоящее время все чаще и чаще используются в различных материалах, например таких как композиты[3].

Получение[править | править исходный текст]

Каталитическое химическое газофазное осаждение (CCVD) или просто химическое газофазное осаждение (CVD) в различных вариантах, таких как тепловое осаждение и осаждение в плазме, являются основной коммерческой технологией для получения УНВ. При этом молекулы газовой фазы разлагаются при высоких температурах и углерод осаждается в присутствии катализаторов из переходных металлов на подложку, на которой происходит дальнейший рост волокна вокруг частиц катализатора. В общем случае, этот процесс включает в себя отдельные этапы, такие как разложение газа, осаждение углерода, рост волокна, утолщение волокна, графитизация и очистка. Диаметр нановолокон зависит от размера катализатора.

CVD-процесс для получения УНВ обычно делится на две категории[4]: процесс с фиксированным катализатором (серийный) и процесс с «плавающим» катализатором (непрерывный). В серийном производстве разработанном Тиббетсом[5], смесь углеводородов с водородом и гелием была пропущена над муллитом (кристаллическим алюмосиликатом) с мелкодисперсным железным катализатором выдержанным при 1000 °C. В качестве углеводорода использовали метан в концентрации 15 % по объёму. Волокно длинной в несколько сантиметров было получено всего за 10 минут в присутствии газа в течение 20 секунд. В общем, длину волокна можно контролировать управляя временем присутствия газа в реакторе. Сила тяжести и направление потока газа обычно влияет на направление роста волокна[6]. Непрерывный или плавающий процесс катализа был запатентован ранее Кояма и Эндо[7] и позже был изменен Хатано с соавторами[8]. Этот процесс обычно дает УНВ субмикронного диаметра и длины от нескольких до 100мкм, что согласуется с определением углеродных нановолокон. Они использовали металлоорганические соединения, растворенные в летучем растворителе, таком как бензин, что при подъеме температуры до 1100 °C приводит к получению смеси ультрадисперсных частиц катализатора (5-25нм в диаметре) в углеводородном газе. В печи, рост волокон инициируется на поверхности частиц катализатора и продолжается до отравления катализатора примесями. Механизм роста волокна описывается Бейкером и его коллегамми[9], только на части частиц катализатора контактирующей с газовой смесью происходит рост волокон и рост прекращается, как только открытая часть катализатора покрывается примесями, то есть катализатор становится отравленным. Частицы катализатора покрываются волокнами с конечной концентрацей около несколько миллионных долей. На данном этапе, происходит утолщение волокон.

Наиболее часто в качестве катализатора используется железо, часто обогащенное серой, сероводородом и т. д., для того чтобы снизить температуру плавления, и способствовать проникновению углерода в поры катализатора и, следовательно, создать больше точек роста[10]. Fe/Ni, Ni, Co, Mn, Cu, V, Cr, Mo и Pd также используются в качестве катализаторов[11][12]. Ацетилен, этилен, метан, природный газ, и бензол наиболее часто используются в качестве источников углерода для получения УНВ. Часто монооксид углерода (СО) вводится в поток газа для увеличения выхода углерода за счет сокращения количества оксидов железа в системе.

Применение[править | править исходный текст]

История[править | править исходный текст]

Одним из первых данных о получении углеродных нановолокон, вероятно, является патент от 1889 на синтез нитевидного углерода Хьюзом и Чамберсом[15]. Они использовали смесь метана и водорода для выращивания углеродных нитей путем пиролиза газа с последующим осаждением углерода. Говорить о получении этих волокон наверняка, стало возможно гораздо позже, когда появилась возможность изучить их структуру с помощью электронного микроскопа[10]. Первое наблюдение углеродных нановолокон с помощью электронной микроскопии было сделано в начале 1950-х годов советскими учеными Радушкевичем и Лукьяновичем, которые опубликовали статью в советском Журнале физической химии, в которой показали полые графитовые волокна углерода, которые составляли 50 нанометров в диаметре[16].

В начале 1970-х годов, японским исследователям Кояме и Эндо[17] удалось получить углеродные волокна осаждением из газовой фазы (VGCF) с диаметром 1 мкм и длиной более 1 мм. Позднее, в начале 1980-х, Тиббетс[18] в США и Бениссад[19] во Франции продолжили совершенствовать процесс получения углеродных волокон (VGCF). В США, более глубокие исследования, посвященные синтезу и свойствам этих материалов для практического применения проводились Р. Терри К. Бейкером[20] и были мотивированы необходимостью подавлять рост углеродных нановолокон из-за постоянных проблем вызванных накоплением материала в различных коммерческих процессах, особенно в области переработки нефти.

Первая попытка коммерциализации углеродных волокон выращенных из газовой фазы была предпринята японской компанией Nikosso в 1991 году под торговой маркой Grasker®[10], в том же году Иджима опубликовал свою знаменитую статью сообщающую об открытии углеродных нанотрубок (УНТ). По существу, углеродные нановолокна получаются с помощью того же процесса, что и углеродные волокна выращенные из газовой фазы (VGCF), только их диаметр, как правило, меньше 200 нм. Несколько компаний по всему миру активно участвуют в коммерциализации производства углеродных нановолокон и внедрении новых технических применений этих материалов, последним из которых является содержащий углеродные нановолокна пористый композит для устранения разливов нефти[21].

Примечания[править | править исходный текст]

  1. A. V. Melechko, V. I. Merkulov, T. E. McKnight, M. A. Guillorn, K. L. Klein, D. H. Lowndes, and M. L. Simpson, J. Appl. Phys. 97, 041301 (2005)JAPIAU000097000004041301000001. | First Citation first citation in article
  2. Tibbetts, G.G., Lake, M.L., Strong, K.L., and Rice, B.P. "A Review of the Fabrication and Properties of Vapor-Grown Carbon Nanofiber/Polymer Composites, " Composites Science and Technology, 67(7-8) (2007):1709-1718.
  3. Hammel, E., Tang. X., Trampert, M., Schmitt, T., Mauthner, K., Eder, A., and Pötschke, P. "Carbon Nanofibers for Composite Applications, " Carbon, 42 (2004):1153-1158.
  4. Burchell, T.D. Carbon Materials for Advanced Technologies, Pergamon (Elsevier Science Ltd.), Oxford, UK (1999).
  5. Tibbetts, G.G. "Lengths of Carbon Fibers Grown from Iron Catalyst Particles in Natural Gas, " Journal of Crystal Growth, 73 (1985):431.
  6. Burchell, T.D. Carbon Materials for Advanced Technologies, Pergamon (Elsevier Science Ltd.), Oxford, UK (1999)
  7. Koyama, T. and Endo, M.T. "Method for Manufacturing Carbon Fibers by a Vapor Phase Process, " Japanese Patent 1982-58, 966, 1983.
  8. Hatano, M., Ohsaki, T., and Arakawa, K. "Graphite Whiskers by New Process and Their Composites, Advancing technology in Materials and Processes, " Science of Advanced Materials and Processes, National SAMPE Symposium, 30 (1985):1467-1476.
  9. Baker, R.T.K., Barber, M.A., Harris, P.S., Feates, F.S., and Waite, R. J. "Nucleation and Growth of Carbon Deposits from the Nickel Catalyzed Decomposition of Acetylene, " Journal of Catalysis, 26(1) (1972):51-62
  10. 1 2 3 Morgan, P. Carbon Fibers and Their Composites, Taylor & Francis Group, CRC Press, Boca Raton, FL (2005)
  11. De Jong, K.P. and Geus, J.W. "Carbon Nanofibers: Catalytic Synthesis and Applications, " Catalysis Reviews, 42(4) (2000):481-510
  12. Morgan, P. Carbon Fibers and Their Composites, Taylor & Francis Group, CRC Press, Boca Raton, FL (2005).
  13. Carbon nanofiber-polystyrene composite electrodes for electroanalytical processes Rassaei, L; Sillanpaa, M; Bonn, MJ, Marken. Electroanalysis 19 (2007) 1461—1466.
  14. nanopatentsandinnovations.blogspot.com
  15. T. V. Hughes and C. R. Chambers, Manufacture of Carbon Filaments, US Patent No. 405, 480, 1889
  16. L. V. Radushkevich and V. M. Lukyanovich, Zh. Fiz. Khim. 26, 88 s1952d
  17. Koyama, T. and Endo, M.T. "Structure and Growth Processes of Vapor-Grown Carbon Fibers (in Japanese), O. Buturi, 42 (1973):690
  18. Tibbetts, G.G. "Lengths of Carbon Fibers Grown from Iron Catalyst Particles in Natural Gas, " Journal of Crystal Growth, 73 (1985):431
  19. Benissad, F., Gadelle, P., Coulon, M., and Bonnetain, L. "Formation de Fibres de Carbone a Partir du Methane: I Croissance Catalytique et Epaississement Pyrolytique, " Carbon, 26 (1988):61-69
  20. Synthesis, Properties And Applications Of Graphite Nanofibers
  21. United States Patent Application: 0090220767

Ссылки[править | править исходный текст]