在水輔助氧化作用下,我們直接在金屬鎳片上生長出宏觀上定向生長的納米碳纖維,其長度達到5mm ,經掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡觀察其為非晶態的螺旋狀納米碳纖維,直徑在100nm - 200nm ,測試其場發射特性,開啟場強為1.6V·μm^{- 1}，最大發射電流密度可達6mA·cm^{- 2} 。

　　納米碳纖維(CNF) 是一種纖維狀的碳材料,這種碳材料在形態上和碳納米管(CNT) 極其相似,但它們的微觀結構卻不相同。納米碳纖維通常顯示無序的非晶態結構,而碳納米管則顯示為有序的晶態結構。納米碳纖維和碳納米管一樣具有許多優異的物理和化學性能,被廣泛應用于諸多領域 。通常我們用催化熱解法制備納米碳纖維,這種方法中催化劑是一個關鍵的因素。通常制備催化劑的方法有磁控濺射法,電鍍法,熱蒸發催化劑法等。這些方法制備催化劑比較麻煩,并且納米碳纖維的產量不高。本文提出了一種在金屬鎳片上直接生長納米碳纖維的方法,該法可大面積在金屬鎳片上生長,且生長出的納米碳纖維超長,宏觀定向,成螺旋狀。

1、實驗

　　剪取1 平方厘米大小的鎳片,厚度為0104mm ,放入酒精中超聲清洗30min ,取出用去離子水洗凈,用洗耳球吹干水漬,放入陶瓷舟中,將陶瓷舟放入管式電阻爐中,在爐口放一盛滿水的陶瓷舟。在氫氣氣氛中升溫至700 ℃(氫氣流量為300sccm) 。通入氮氣(氮氣流量為100sccm) ,同時通入乙炔為碳源(乙炔流量為60sccm) ,生長時間10min。在氮氣保護下降至室溫。樣品用掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡觀察其微觀形態。

2、結果與討論

2.1、樣品表征及分析

　　肉眼觀察,生長在鎳片上的納米碳纖維一束束成定向排列,長度達5mm。如圖1 示,將納米碳纖維從鎳片上剝離,可觀察到陣列由頭發絲細的納米碳纖維束排列而成,如圖2。SEM 觀察,每一束碳纖維由無數的直徑在100nm - 200nm 之間的螺旋形納米碳纖維纏繞而成。如圖3。透射電子顯微鏡顯示其為非晶態的碳纖維。如圖4。

圖1 　宏觀狀態下的納米碳纖維陣列　　圖2 　剝離下來的納米碳纖維束

　　鎳是一種很好的生長納米碳纖維的催化劑,但通常是將其利用磁控濺射或其它方法鍍在基片上生長碳纖維,制作過程比較復雜,我們利用極薄的鎳片在高溫下表面形變生成無數微小的粒子作為催化劑,制作過程簡單且能大量生長納米碳纖維。2004年,Hata等以乙烯為碳源,采用含有微量水的Ar或He 氣與氫氣為載氣,制備出高密度定向排列的單壁碳納米管陣列。其中,水是弱氧化劑在納米管的形成過程中,起到了選擇性的氧化依附在催化劑表面的非晶碳,提高了催化劑顆粒活性的重要作用。實驗中,對比了未加水生長的納米碳纖維陣列,發現未加水時生長的納米碳纖維陣列較短,大約2mm長,分析其原因,乙炔在400 ℃左右時發生熱裂解,由此產生的碳黑覆蓋在催化劑上會使催化劑失效,由此顯現出水這種弱氧化劑在生長碳納米纖維時的重要作用。

圖3 　螺旋狀納米碳纖維SEM像　　圖4 　納米碳纖維的TEM像

　　R. T. Yang認為螺旋碳纖維的生成是由于催化劑粒子的不同晶面對碳纖維的生長表現出不同的催化活性,由于晶面的各向異性,有的晶面對分解碳源氣體成碳的過程表現出很大活性,而有的晶面則因能夠與石墨層形成很強的共價鍵而能夠生長碳纖維,但是由于不同晶面生長碳纖維的速度不同,導致了螺旋形態碳纖維的出現。而G. G. Tibbets認為碳纖維中空管的形成是由于催化劑顆粒和基體間有接觸角,因此在基體上鍍上的催化劑在高溫下更容易形成小液滴,小液滴與基體具有接觸角而生成碳納米管。本文中,鎳片在高溫下裂開形成小顆粒,該小顆粒與基體緊密結合而不具有接觸角,因此更易形成實心的碳纖維結構。

2.2、場發射特性分析

　　由于該納米碳纖維是典型的一維碳結構物質,碳纖維具有優異的導電性能,應該如同碳納米管一樣具有優異的場發射性能。我們采用二極管結構測試超長納米碳纖維陣列場發射特性,真空度為2 ×10 ^{- 4} Pa ,陰陽極間距為500μm ,測試結果表明,納米碳纖維陣列開啟場強為1.6V·μm^{- 1} ,相應的場發射電流密度為10μA·cm^{- 2} ,最大場發射電流密度可達6mA/ cm^{- 2} 。如圖5。表明納米碳纖維場發射性能不亞于碳納米管。

圖5 　碳納米纖維陣列場發射I-V 特性曲線和F-N 特曲線

3、結論

　　在水輔助氧化作用下,直接在金屬鎳片上用催化熱解法生長出了超長,宏觀定向的螺旋狀納米碳纖維。并測試其場發射特性,該方法為如何直接在金屬上生長納米碳纖維提供了一個參考。同時也提供了一種簡單易行的大量制備螺旋狀納米碳纖維的方法。由于螺旋納米碳纖維具有本征特性,在微波吸收方面比直線形碳纖維具有更大的潛力,因此我們下一步的工作是測它的微波吸收特性。