碳材料是一種非常常見的材料,廣泛存在于生活的方方面面,也是人類發(fā)展的重要組成部分。碳材料有很多同素異形體,包括石墨、鉆石、活性炭等較早被廣泛應(yīng)用的碳材料,還包括之后發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用的富勒烯、碳納米管、石墨烯等。利用爆轟產(chǎn)生的瞬間高溫、高壓來合成新材料是當(dāng)前國際上一個(gè)前沿的研究課題。本論文對(duì)爆轟合成碳洋蔥進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。以葡萄糖為碳源,用炸藥黑索金來提供能量,通過爆轟法來探究合成碳洋蔥的條件。探究了實(shí)驗(yàn)沉積基底、炸藥的用量和不同有機(jī)碳源的影響。結(jié)果表明,實(shí)驗(yàn)過程中的沉積基底是反應(yīng)釜的器壁,外加的沉積基底對(duì)樣品的形貌影響較小;炸藥量較多或較少都不利于石墨結(jié)構(gòu)的形成;不同有機(jī)碳源的碳鏈長度對(duì)產(chǎn)物的影響較大。以硬脂酸為碳源,用炸藥黑索金來提供能量,通過爆轟法成功制備了碳洋蔥。對(duì)合成的碳洋蔥進(jìn)行SEM、TEM、Raman、IR、XRD、XPS等表征測試,結(jié)果表明得到的碳洋蔥與通過其他非爆轟的方法得到的碳洋蔥結(jié)構(gòu)、組成相同,而且在碳洋蔥的合成過程,同時(shí)完成了氮元素的摻雜。在實(shí)驗(yàn)過程中,探索了碳洋蔥結(jié)構(gòu)的合成機(jī)理。當(dāng)有機(jī)物碳鏈長度較短時(shí),得到的產(chǎn)物結(jié)構(gòu)中有一定的片層結(jié)構(gòu)存在。炸藥用來提供能量,為反應(yīng)提供高溫高壓的環(huán)境。炸藥量的多少也是影響碳洋蔥合成的重要因素。炸藥過多或者過少都不利于碳洋蔥結(jié)構(gòu)的生成;探索了實(shí)驗(yàn)過程中,碳洋蔥結(jié)構(gòu)中碳元素的來源,結(jié)果表明,有機(jī)物特別是長碳鏈有機(jī)物才是生成碳洋蔥結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵,無論是貧碳炸藥還是富碳炸藥都無法單獨(dú)形成碳洋蔥結(jié)構(gòu)。探索了整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的反應(yīng)機(jī)理。有機(jī)物在炸藥爆轟的條件下斷裂官能團(tuán)形成碳原子數(shù)不同的碳鏈,碳鏈在降溫過程中聚集形成片狀結(jié)構(gòu),短碳鏈有機(jī)物聚集的片狀結(jié)構(gòu)尺寸較小,在降溫過程中結(jié)構(gòu)被保留下來形成石墨;只有一個(gè)碳原子的尿素在降溫過程中因碳元素含量不高,形成的片層結(jié)構(gòu)不完整,在降溫過程中不足以形成完整的石墨結(jié)構(gòu);長碳鏈有機(jī)物聚集的片狀結(jié)構(gòu)尺寸較大,自由能較高,在降溫過程發(fā)生卷曲團(tuán)聚,最終形成碳洋蔥結(jié)構(gòu)。
【學(xué)位單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：TQ560.1;TQ127.11
【部分圖文】：

轟產(chǎn)生的瞬間高溫、高壓來合成新材料是當(dāng)前國際素也是一種非常常見的元素，廣泛存在于大氣、地殼成的一系列化合物形成了多姿多彩的生命體。碳原子結(jié)合而形成各種化合物，在生活的方方面面有著很已知的自然界硬度最高的單質(zhì)材料，是工業(yè)中切割用值的觀賞寶石。石墨是良好的電導(dǎo)體，可以用來制坩堝、電極、干電池、鉛筆芯等，高純度石墨可在核是一種含碳量在 95%以上的高強(qiáng)度、高模量的新型道顯微鏡的成功發(fā)明，納米材料的研究得以飛速開碳納米管、納米金剛石等納米碳材料以其優(yōu)異的電學(xué)漸成為科學(xué)工作者的研究熱點(diǎn)，備受材料、物理、化幾種主要碳的同素異形體分子結(jié)構(gòu)示意圖。

圖 1.2 石墨烯和其他材料的性能對(duì)比[28]單層石墨烯可以吸收大約 2.3%的可見光，并且透光率不會(huì)隨著光波長的改變而改變。研究發(fā)現(xiàn) 1~5 層的石墨烯對(duì)白光的吸收率和石墨烯層數(shù)之間存在線性關(guān)系[29]。陳英良等利用緊束縛模型分別描述了單層、雙層石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)，并計(jì)算出單層石墨烯的單光子吸收系數(shù)為常數(shù)大小約為 6.8×107m 1；雙層石墨烯的單光子吸收比單層石墨烯的單光子吸收強(qiáng)，且隨入射光波長呈分段性變化，當(dāng)波長大于 3100nm，吸收系數(shù)為常數(shù)，約為 2.1×108m 1，比單層石墨烯的吸收系數(shù)高一個(gè)數(shù)量級(jí)[30]。Bunch 等通過研究證明單層石墨烯對(duì)標(biāo)準(zhǔn)氣體（包括氦氣）具有完全不滲透性[31]。此外，石墨烯是一種開放式結(jié)構(gòu)，可以通過化學(xué)反應(yīng)在石墨烯骨架上引入官能團(tuán)，因此石墨烯極易被修飾，如光化學(xué)修飾[32]、表面化學(xué)修飾[33]等。1.4.2 石墨烯的合成由于石墨烯具有如此優(yōu)異的性質(zhì)，越來越多的科學(xué)工作者參與到石墨烯的合成和

北京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文并原位摻雜得到氮摻雜石墨烯。研究表明，爆炸條件了僅有幾個(gè)原子層厚度的石墨烯，與此同時(shí)，氧化石脫除，氮元素也成功進(jìn)入石墨烯的晶格中，摻雜氮的in 等以碳酸鈣和鎂粉為原料，硝基甲烷為炸藥，通過研究表明，在實(shí)驗(yàn)過程中，加入硝酸銨，氮摻雜石墨。實(shí)驗(yàn)裝置如圖 1.3 所示[50]：
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