多元碳系导电网络的构建及其应用

发布时间：2017-09-30 09:13

  本文关键词：多元碳系导电网络的构建及其应用

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【摘要】：碳纳米管(CNT)、石墨烯(G)、碳纳米纤维(CNF)由于其具有比表面积大、导电性好、性能稳定、质轻等诸多特点,在科学研究和生产领域中都被广泛地推广与应用,在国内外的相关报道数以万计。然而,单纯地使用一种碳材已经不能满足当前的要求,因此研究者们将目光越来越多地聚集在多元碳系导电网络中。而制备多元碳系导电网络的方法有很多种,根据实际应用的需要,本文采用了静电纺丝法和粉末冶金法。原因在于电化学超级电容器(ESC)的电极材料需要在导电性、比表面积、孔隙率等方面具有优异的性能,而静电纺丝法制备的纳米纤维的直径比传统工艺制备的纤维的直径要小1-3个数量级,在比表面积、长径比、孔隙率、通透性等方面具有卓越的性能；受电弓滑板材料需要良好的导电性和耐磨性,而粉末冶金法在高温高压下压制而成块状材料具有显著的导电性、强度、耐磨性等性能。本文主要研究了采用静电纺丝法和粉末冶金法制备的多元碳系导电网络,及其在ESC和受电弓滑板材料中的应用。采用扫描电镜、光学显微镜等来表征其形貌;采用孔隙比表面仪对材料结构进行表征；采用循环伏安、恒流充放电等来表征其电化学储能性能；采用载流摩擦磨损测试来表征其磨损率、摩擦系数、电弧能量等。研究内容如下：1.通过静电纺丝法得到聚丙烯腈/碳纳米管纤维薄膜(PAN/CNTF),高温气体保护下碳化为碳纳米纤维/碳纳米管二元碳系导电薄膜(CNF/CNTF),利用化学气相沉积法在预埋催化剂的CNF/CNTF上二次生长碳纳米管(CNT)得到碳纳米纤维/碳纳米管二元碳系导电网络(CNF/CNTN)。电化学储能性能测试结果表明CNF/CNTF的比容量可达到94.3 F/g(有机电解液),CNF/CNTN的比容量可达到117.6F/g(有机电解液)。2.通过静电纺丝法得到含催化剂的聚丙烯腈/氧化石墨烯纤维薄膜(PAN/GOF),利用化学气相沉积法在高温下还原氧化石墨烯(GO)、生长CNT得到碳纳米纤维／碳纳米管/石墨烯三元碳系导电薄膜(CNF/CNT/GF);静电纺丝得到聚丙烯腈/碳纳米管纤维薄膜(PAN/CNTF),预氧化处理后浸渍GO溶液,高温下还原GO得到碳纳米纤维／碳纳米管/石墨烯三元碳系导电网络(CNF/CNT/GN)。电化学储能性能测试结果表明CNF/CNT/GF的比容量可达到114.0F/g(有机电解液),CNF/CNT/GN的比容量可达到138.4F/g(有机电解液)。3.通过粉末冶金法将石墨、CNT、Ti3SiC2与电解铜粉按照不同质量比,球磨均匀后利用真空热压烧结炉在高温高压下制成的四元碳系导电网络,应用在受电弓滑板材料中。在石墨、CNT的质量分数为10%时,受电弓滑板材料的整体摩擦磨损性能达到最佳。
【关键词】：静电纺丝 粉末冶金 碳纳米纤维 碳纳米管 石墨烯 电化学超级电容器 受电弓滑板材料
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ127.11;TM53
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-13
• 第1章 绪论13-23
• 1.1 静电纺丝法和粉末冶金法简介13-14
• 1.1.1 静电纺丝13-14
• 1.1.2 粉末冶金14
• 1.2 碳系材料14-18
• 1.2.1 碳纳米管14-16
• 1.2.2 石墨烯16-17
• 1.2.3 碳纳米纤维17-18
• 1.3 超级电容器18-19
• 1.3.1 双电层电容18-19
• 1.3.2 法拉第准电容19
• 1.4 受电弓滑板材料19-20
• 1.4.1 滑板材料的种类19-20
• 1.4.2 滑板材料的研究重点及发展方向20
• 1.5 本文的设计思路及主要内容20-23
• 1.5.1 本文设计思路20-21
• 1.5.2 本文主要内容21-23
• 第2章 实验部分23-27
• 2.1 实验药品及仪器23-24
• 2.2 超级电容器电极片的制备及组装24-25
• 2.3 材料的表征及性能测试25-27
• 2.3.1 光学显微镜分析25
• 2.3.2 扫描电镜分析25
• 2.3.3 布氏硬度测试25
• 2.3.4 电化学性能测试25
• 2.3.5 孔结构分析25-26
• 2.3.6 高速弓网摩擦磨损测试26-27
• 第3章 二元碳系导电网络的制备及其应用27-37
• 3.1 引言27
• 3.2 实验部分27-28
• 3.2.1 二元碳系导电薄膜CNF/CNTF的制备27-28
• 3.2.2 二元碳系导电网络CNF/CNTN的制备28
• 3.2.3 材料的形貌表征及性能测试28
• 3.3 结果与讨论28-35
• 3.3.1 材料的形貌分析28-30
• 3.3.2 材料的孔结构分析30-32
• 3.3.3 电化学性能测试分析32-35
• 3.4 本章小结35-37
• 第4章 三元碳系导电网络的制备及其应用37-47
• 4.1 引言37
• 4.2 实验部分37-39
• 4.2.1 氧化石墨烯和石墨烯的制备37-38
• 4.2.2 三元碳系导电薄膜CNF/CNT/GF的制备38
• 4.2.3 三元碳系导电网络CNF/CNT/GN的制备38-39
• 4.2.4 材料的形貌表征及性能测试39
• 4.3 结果与讨论39-45
• 4.3.1 材料的形貌分析39-41
• 4.3.2 材料的孔结构分析41-42
• 4.3.3 材料的电化学性能分析42-45
• 4.4 本章小结45-47
• 第5章 四元碳系导电网络的制备及其应用47-62
• 5.1 前言47-48
• 5.2 实验部分48-50
• 5.2.1 滑板材料的制备48-50
• 5.2.2 材料的形貌结构及性能分析50
• 5.3 结果与讨论50-61
• 5.3.1 材料的形貌分析50-52
• 5.3.2 材料的物理性能分析52-55
• 5.3.3 材料的载流摩擦磨损性能分析55-61
• 5.4 本章小结61-62
• 结论62-63
• 致谢63-64
• 参考文献64-72
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果72

【参考文献】

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本文编号：947332