气相爆轰合成碳纳米材料的研究进展

气相爆轰合成是一种新型的碳纳米材料制备方法,相对于其他碳纳米材料制备方法而言具有反应速度快、产物种类多、产量大、纯度高、操作简单和经济性高等优点,有利于促进碳纳米材料的工业化生产。为深入阐明气相爆轰法合成碳纳米材料的研究与发展状况,介绍了气相爆轰法合成所需仪器设备、实验流程、理论计算以及产物的表征方法等,整理归纳了气相爆轰法合成碳包覆纳米金属粒子、碳纳米球、碳纳米管、碳点和碳纳米胶囊等技术与方法,分析了合成产物的形貌、结构及性能特征,展望了气相爆轰下各种新型碳纳米材料的应用潜力与技术发展趋势,以期为合理设计、针对性优化、规模化合成纳米材料奠定理论基础。研究表明:爆轰合成应结合宏观的爆轰理论和微细观的粒子生长。当前借助爆轰波发动机与爆轰胞格结构研究热点,使宏观爆轰胞格与纳米材料微观合成过程构成联系是重点研究方向。然而,在研究爆轰合成粒子的生长机理时,聚集在微细尺度上的纳米粒子生长仍然也是一种跨尺度问题,有必要引入分子动力学和格子波尔兹曼计算方法加以解决。

爆轰合成超微金刚石及其在复合镀层中的应用

综述了超微金刚石（ＵＦＤ）的爆轰合成原理和方法，介绍了ＵＦＤ的特性及在复合镀层中的应用进展。

炸药爆轰合成纳米金刚石的拉曼光谱和红外光谱研究

用负氧平衡炸药爆轰法合成纳米金刚石,并用粉末X射线衍射(XRD)仪、激光Raman光谱仪和红外光谱仪等分析仪器对其结构进行表征。XRD结果表明,纳米金刚石为立方结构,由于其内部结构的高密度缺陷、杂质原子的夹杂使谱线偏离,晶格常数比静压合成的大颗粒金刚石大0.72%。由于金刚石晶粒细小,Raman光谱特征峰产生宽化,并且向小波数方向偏移了3cm-1,此外在纳米金刚石中还含有极少量的石墨。红外光谱测试结果中,3422cm-1吸收峰为O—H伸缩振动峰;在1634cm-1出现了H2O的弯曲振动峰,表明在纳米金刚石样品粉末中含有水分;2930和2857cm-1是CH2的反对称和对称伸缩振动吸收峰;2971cm-1是CH3的反对称伸缩振动吸收峰,说明样品中存在极少量的碳氢化合物;1788cm-1吸收峰为CO伸缩振动吸收峰。文章从纳米金刚石的生成机理上分析了产生这些峰位的原因,结果表明纳米金刚石属于Ⅰ型金刚石,在它之中含有ⅠaA型和Ⅰb型金刚石,ⅠaA型金刚石的含量比Ⅰb型金刚石多。

碳包覆镍/钴纳米颗粒的爆轰合成法

用掺杂一定比例的硝酸镍盐/硝酸钴盐、尿素、无水乙醇与猛炸药泰安制成水溶性炸药,在密闭容器氮气保护下,爆轰合成碳包覆镍/钴纳米晶颗粒。采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)和Raman光谱仪等对爆轰产物的形态结构和组成成分进行测试。实验结果表明,爆轰产物以金属纳米晶为核,周围包覆多种形态的碳物质且形成包覆结构特征比较完整的碳包覆镍/钴纳米颗粒,包覆层主要由无定形碳、石墨和微量的富勒烯构成。

爆轰合成碳包覆钴、镍磁性纳米颗粒的探索

介绍了爆轰法合成碳包覆钴、镍纳米磁性颗粒研究的初步结果。以黑索今炸药为主体,加入钴、镍金属硝酸盐与有机碳源材料,在爆炸容器中氮气保护下用导爆管雷管引爆,成功地合成了碳包覆钴、镍纳米磁性颗粒。为了探求爆轰固体产物的形貌特征及性能,分别采用了TEM、XRD、VSM等测试手段对其进行表征。实验结果表明,爆轰产物中主要含有碳包覆纳米钴、纳米镍磁性颗粒,成球体或者椭球体,具有完好的核壳结构形貌。合成的碳包覆钴颗粒分布在30～50 nm之间,碳包覆的镍颗粒分布在25～60 nm之间,外层碳壳层主要由无定形碳和石墨构成。磁性测试表明,所得碳包金属钴、镍颗粒在室温下具有良好的软磁特性。

偏钛酸爆轰合成纳米TiO_2研究

首先对纳米二氧化钛的应用及目前现有的合成纳米二氧化钛技术方法及特点做了简单的介绍。其次主要地介绍了以偏钛酸为原料,混合炸药爆轰合成纳米二氧化钛粉末的研究。并用XRD、TEM、DTA/TG和比表面仪等手段对产物进行了表征,分析结果表明所得的二氧化钛粉末为纳米级,晶型为金红石型和锐钛矿型的混晶,颗粒呈球形和片状,锐钛矿型和金红石型平均晶粒度大小分别为6.8和24nm,纳米粉末的比表面积为116.8m2/g。

一类爆轰合成用乳化炸药的爆轰反应特征

结合热分解特性、爆轰产物状态及数值计算探讨所制备的含Fe、Mn(Zn)元素乳化炸药的爆轰反应特征。对该系列乳化炸药及其爆轰产物分别进行DSC和DTG实验、XRD检测和TEM表征,通过比较不同类型炸药及其爆轰产物的热分解特征、爆轰产物的成分和形貌、晶型畸变度等研究该类炸药爆轰反应特征;并通过数值计算研究和佐证了不同温度和压强状态下,爆轰固体产物可能存在状态。结果表明:硝酸铵有利于炸药爆轰时形成相对比较均匀和平稳的爆轰反应结构,而这种结构有利于可重复性合成比较单一和均匀的爆轰产物。高密度炸药的爆轰产物比低密度炸药的相对纯净。低密度炸药不完全爆轰,导致了爆轰产物杂质较多;数值计算结果表明,爆轰固体产物分布相图可以辅助分析爆轰固体产物可能存在状态及Mn(Zn)的爆轰合成机制。

乳化炸药在爆轰合成纳米氧化物颗粒中的应用

根据乳化炸药的配方原理,结合爆轰法制备纳米氧化物颗粒的实践,提出一种用于爆轰合成纳米氧化物颗粒的乳化炸药的设计思路,制备了含有大量Fe和Mn两种元素的新型乳化炸药。并采用X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)对该炸药的爆轰产物进行了表征和检测。结果表明,该乳化炸药成功地爆轰合成了具有立方面心尖晶石结构的球形纳米MnFe2O4颗粒。爆轰产物经过280℃热处理1 h后,得到了纯净的纳米MnFe2O4颗粒。

纳米金属氧化物粉体爆轰合成

对含能前驱体如硝酸盐和控制炸药装药的情况下爆轰反应生成纳米金属氧化物进行了探索研究.采用透射电子显微镜表征了爆轰产物.氧化物爆轰产物中的碳微粒即爆轰灰在某种意义上反映了晶型生长机制.通过爆轰合成技术产生的氧化物肯定了纳米粉体爆轰合成技术的有效性.介绍了纳米氧化铝的制备,测试了氧化铝的微观结构和分布状态.结果表明:通过硝酸盐炸药的爆轰产生了纳米尺度的金属氧化物,球形氧化铝粒径主要分布于20～50 nm之间.该方面研究工作的开展也将促进在细微观尺度上的工业炸药设计和爆轰理论的发展.

爆温对气相爆轰合成纳米TiO_2结构和性能的影响

采用气相爆轰法制备纳米TiO_2粉末,并研究爆温对样品的结构和性能的影响。使用XRD、TEM及甲基橙溶液降解来表征样品的结构与性能。结果表明:爆温对样品中金红石相含量有一定影响,在爆温为2524 K时,金红石相含量达到最大值92.2%;爆温对样品的平均粒径有重大影响,爆温与样品的平均粒径呈线性关系,爆温越高,样品的平均粒径越大,当爆温由2399 K提高到3114 K时,平均粒径由87.2 nm提高到172.9 nm;爆温对样品的光催化性有着间接影响,爆温越高,样品的平均粒径越大,光催化效能降低。当爆温为2399 K时,制备样品的平均粒径为87.24 nm,锐钛矿比例为31.7%,光催化活性最高,在紫外光下40 min甲基橙溶液降解率为90.82%,反应速率常数k为0.062。

爆轰合成超细金刚石的性质及应用

利用以ＴＮＴ为主要成分的混合炸药爆轰产生的瞬间高温，高压使爆轰产物中未氧化的碳转化成纳米超细金刚石，对超细金刚石的结构和性质进行了分析，由于超细金刚石兼有金刚石和纳米微粒的性质，使得它在材料科学领域具有广阔的应用前景。

爆轰合成纳米金刚石中保护介质的影响研究

为提高爆轰合成纳米金刚石(UltrafineDiamond,简称UFD)的得率,就合成过程中保护介质水对纳米金刚石得率的影响进行了研究,并在合成过程中应用了固液两态的双重保护介质。结果表明,适量的水介质能明显提高纳米金刚石的得率,在本实验条件下,即装药量为100gTNT/RDX注装混合炸药,110升球形爆炸容器内,合成纳米金刚石的最佳水介质的量约为8.8L;双重保护介质可进一步提高纳米金刚石的得率。

爆轰合成氧化亚铁掺杂的二氧化硅包覆铁纳米颗粒

用一定比例的硝酸铁盐、硅酸钠盐、无水乙醇与黑索金混合制成塑性炸药。在密闭容器中以氩气为保护气,通过爆轰合成氧化亚铁掺杂的二氧化硅包覆铁纳米颗粒。采用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)及振动样品磁强计(VSM)对爆轰产物的组成成分、形态结构以及磁性进行测试。实验结果表明,爆轰产物以金属颗粒为核、二氧化硅为包覆层的壳/核结构形式出现,颗粒尺寸在60nm左右。通过分析爆轰产物的磁性曲线可知,在室温下爆轰产物具有较高的剩磁比和矫顽力,表现出弱的铁磁性,是优良的储磁材料。

温度对爆轰合成纳米锰酸锂晶形及粒度的影响

首先以爆轰法合成了球形纳米锰酸锂粉体,然后对若干份实验粉体分别进行了从常温加热到300℃、400℃、500℃、600℃、700℃和800℃的烧结处理,把烧结处理好的实验样品分别在相同衍射条件下进行了X衍射分析,通过衍射曲线可以得到此纳米锰酸锂晶形变化过程。根据衍射数据利用Scherrer公式分别计算出各个烧结处理好的实验样品的晶粒度,研究发现纳米锰酸锂随着加热温度的升高,出现了晶粒2次长大和2次细化交替变化的现象。

爆轰法合成碳包覆纳米铜颗粒

以硝酸铜和柠檬酸制成的干凝胶为主要反应物,加入油酸有机碳源和黑索今炸药,在氮气保护气氛下在爆炸容器中引爆,成功地合成了碳包覆纳米铜颗粒。分别采用X射线衍射、透射电镜对产物形貌特征进行表征。结果表明,在爆轰产物中富含碳包覆纳米铜颗粒,产物呈圆球体,具有完好的核壳结构形貌,颗粒粒径在10～40 nm之间,外层碳壳结构主要由无定型碳和石墨构成。并对爆轰法合成碳包覆纳米铜颗粒的形成机理进行了分析。

乳化炸药爆轰合成纳米氧化铈及表征

为通过爆轰法合成纳米氧化铈,设计并制备了以Ce(NO3)3·6H2O为主要氧化剂的5种乳化炸药。综合考虑Ce(NO3)3含量对乳化炸药爆速的影响和纳米氧化铈的得率,筛选出适用于爆轰法制备纳米氧化铈的乳化炸药配方。通过在爆炸罐中起爆乳化炸药,制备得到了纳米氧化铈。利用X射线衍射仪(XRD)和透射电镜(TEM)对样品进行表征。XRD测试结果表明,乳化炸药爆轰法合成的纳米氧化铈属于立方晶系,理论粒径为74nm。TEM测试结果表明,合成的纳米氧化铈外观呈球形,具有较好的分散性和粒度均一性,平均粒径为70nm。

初始温度及碳源对碳纳米管气相爆轰法合成的影响

改变初始温度以及分别使用甲烷和乙炔气体作碳源时气相爆轰合成碳纳米管,研究了初始温度与不同碳源对碳纳米管的影响。利用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、拉曼(Raman)光谱等对碳纳米管进行表征。结果表明,随着初始温度的升高,所合成的碳纳米管的产量减少且石墨化程度降低,但管壁会变得光滑且管径有所增加。当使用乙炔时,所合成的产物中没有碳纳米管,而是合成了石墨化程度较高的无定形碳,随着催化剂量的增加,产物中碳包覆颗粒增多且包覆层清晰可见,但存在结构缺陷。当初始温度在110~130℃时,使用甲烷气体运用气相爆轰的手段是合成碳纳米管的较佳方案。

爆轰法合成纳米CeO_2粉末

爆轰合成过程中采用Ce(NO3)3·6H2O制备的可爆药剂,并利用X射线衍射仪(XRD)和透射电子显微镜(TEM)对合成的纳米CeO2粉末进行了检测,研究了起爆方式对于合成产物结晶化度、粒径和形貌的影响。结果表明,采用Ce(NO3)3·6H2O制备的可爆药剂,可以合成立方晶系的球形纳米CeO2;提高可爆药剂的爆速,可有效降低纳米CeO2的粒径,得到球形化更好的纳米粒子。

爆轰法合成纳米磷酸铁锂的性能研究

由于磷酸铁锂正极材料具有特殊的空间架构以及优越的安全性能、环保性能和其他锂离子电池正极材料无法超越的循环性能,使得其在储能电池和动力电池产业中快速发展。通过配制爆炸合成专用炸药制备了纳米级磷酸铁锂颗粒粉体,分析粉体材料检测结果发现:合成的纳米磷酸铁锂粉体材料的热稳定性比较高,在高温条件下粉体样品的质量维持在一个不变的数值范围内;另外根据扫描得到的伏安曲线发现粉体材料的循环重现性较好,并且材料的脱锂性能与嵌锂性能也具有很好的可逆性。