洋葱状碳纳米球的高压结构相变研究

发布时间：2017-05-01 18:04

  本文关键词：洋葱状碳纳米球的高压结构相变研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：碳元素由于其独特的成键方式,可形成sp,sp2,sp3键,因此具有丰富的异构体(从零维到三维),性质从最硬到极软,绝缘体、半导体到导体甚至超导体,绝热到良导热体等。碳纳米洋葱是继C60、碳纳米管之后,富勒烯家族的新成员。理想的碳纳米洋葱是由同心石墨壳层嵌套而成的,其最内层是一个C60分子。由内往外,洋葱碳每一石墨壳层所含碳原子数为60n2(n代表层数)相邻层的间距约为0.34 nm。洋葱状碳纳米球因其独特的同心石墨壳层结构,在很多新型材料方面有广阔的应用前景,如固体润滑剂,电容器,储氢材料、超硬材料以及光电器件等。高压是改变物质结构和性质的有效手段。通过压力可以有效改变分子或原子间距离和相互作用,进而改变成键方式,形成高压新相,而这些全新的物质状态往往具有不同于常压材料的结构和特性。比如,前人研究发现高压下富勒烯C60变得非常活泼,部分的sp2键转变成sp3键,能够形成多种聚合结构或非晶相,甚至还可以转变成多晶金刚石结构。从结构和键合状态上看,碳纳米葱的多层富勒烯嵌套结构及其sp2碳键处于高度弯曲状态,在高压下可能会发生不同于其它sp2碳异构体的转变,有望发生新的压致结构、成键的转变。然而,到目前为止,对洋葱状碳纳米球的高压研究还很少,且已有研究主要集中在较低压力下(20GPa),也没有发现压致转变,材料表现出较好的结构稳定性。此外,研究洋葱状碳纳米球在极端条件下的结构稳定性,以及可能出现的结构相变,对材料结构和性质的认识也具有很重要的意义。基于此,本论文利用高压实验技术,深入研究具有不同尺寸的洋葱状碳纳米球的高压转变行为,获得了以下结果:1.研究了洋葱状碳纳米球(OCNSs)在高压(最高压力达48 GPa)下的结构及成键变化。发现OCNSs在20 GPa时发生了由sp2向sp3键的转变。由于这种独特的洋葱状结构,同心石墨壳层间的成键变化只能是发生在洋葱碳球内部局部纳米尺度范围,形成类似Moiré的sp3键合碳图案。洋葱状碳结构在经历48 GPa的高压压缩后仍可恢复,远高于其它sp2碳的高压稳定性,这一极高的高压稳定性与其独特的洋葱状结构以及碳纳米球同心石墨层间形成的sp3键合密切相关,这种转变也可能使得洋葱碳在高压下具有较高的硬度。2.利用原位高压技术研究了碳纳米洋葱(CNOs)的尺寸效应对其高压行为的影响。常压时,小尺寸CNOs(平均直径43 nm)的层间距为0.36 nm,较大尺寸碳球(平均直径150 nm)的层间距膨胀了3%;实验中发现小尺寸CNOs的成键变化开始于23.4 GPa,较大尺寸CNOs的转变压力提高了约3 GPa。与大尺寸碳球相比,在经历48 GPa的高压后,小尺寸CNOs结构发生了较大程度的形变,部分发生了非晶化,这表明小尺寸CNOs有着较低的高压稳定性。这些现象是由于CNOs的层间膨胀和高度乱层结构导致的。碳纳米洋葱的这种“小尺寸效应”可与在其它晶体材料中观察到的尺寸效应相比拟,表明了在非长程有序的材料中(碳纳米洋葱)也可能存在与尺寸效应相关的压致转变。我们的结果也进一步说明,通过选择合适尺寸的CNOs作为碳源,在高温高压下有望优化合成纳米金刚石的实验条件。3.利用大腔体压机研究了高温高压下洋葱状碳纳米球的结构转变。初步研究发现,OCNSs在一定的温度和压力下可以转变成具有金刚石结构的产物。实验表明,洋葱状碳纳米球在20 GPa、1800 oC,保温保压3 min,产物中含有少量的金刚石结构。
【关键词】：洋葱状碳纳米球 高压相变 尺寸效应 高温高压
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 碳纳米材料简介12-13
• 1.2 球形碳材料的发展及分类13-14
• 1.3 洋葱状碳纳米球14-16
• 1.3.1 洋葱状碳纳米球的发现14
• 1.3.2 洋葱状碳纳米球的制备14-15
• 1.3.3 洋葱状碳纳米球的应用15-16
• 1.4 洋葱状碳纳米球的高压研究进展16-21
• 1.4.1 高压稳定性17-18
• 1.4.2 制备纳米金刚石18-21
• 1.5 本论文的研究目的及意义21-22
• 1.6 本论文主要内容22-24
• 第二章 高压实验技术24-31
• 2.1 金刚石对顶砧高压装置24-25
• 2.2 垫片的选择25-26
• 2.3 传压介质的选择26-27
• 2.4 压力的标定27
• 2.5 原位高压拉曼光谱实验技术27-29
• 2.5.1 拉曼光谱简介27-28
• 2.5.2 原位高压拉曼实验方法28-29
• 2.6 电子显微镜简介29-31
• 2.6.1 透射电子显微镜（TEM）29
• 2.6.2 扫描电子显微镜（SEM）29-31
• 第三章 洋葱状碳纳米球的高压研究31-43
• 3.1 引言31
• 3.2 原位高压拉曼研究实验方法31-32
• 3.3 原位高压实验结果与讨论32-37
• 3.3.1 洋葱状碳纳米球的常压表征32-33
• 3.3.2 洋葱状碳纳米球的高压拉曼光谱33-35
• 3.3.3 洋葱状碳纳米球的卸压表征35-37
• 3.4 分析与讨论37-42
• 3.5 本章小结42-43
• 第四章 洋葱状碳纳米球的尺寸对其高压结构相变的影响43-52
• 4.1 引言43
• 4.2 原位高压拉曼实验方法43-44
• 4.3 原位高压实验结果与讨论44-48
• 4.3.1 碳纳米洋葱的常压表征44-45
• 4.3.2 碳纳米洋葱的高压拉曼光谱45-47
• 4.3.3 碳纳米洋葱的卸压表征47-48
• 4.4 分析与讨论48-51
• 4.5 本章小结51-52
• 第五章 洋葱状碳纳米球的高温高压实验研究52-57
• 5.1 高温高压实验方法52-53
• 5.2 高温高压实验结果与分析53-55
• 5.3 本章小结55-57
• 第六章 结论57-59
• 参考文献59-69
• 作者简介69-70
• 攻读硕士学位期间完成的学术论文70-71
• 致谢71

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