[發(fā)明專利]一種石墨纖維及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710317637.7
• 申請日: 2017-05-08
• 公開（公告）號: CN107119348B
• 公開（公告）日: 2019-09-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 曾凡光;楊衛(wèi)飛;麻華麗;霍海波;張繼宣;許坤;陳雷明;張坤;喬淑珍
• 申請（專利權(quán)）人: 鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院
• 主分類號: D01F9/127
• 分類號: D01F9/127;D01F1/09
• 代理公司: 洛陽公信知識產(chǎn)權(quán)事務(wù)所(普通合伙) 41120
• 代理人: 王學(xué)鵬

本發(fā)明涉及一種石墨纖維及其制備方法，在無催化劑條件下采用氣相沉積的方法直接生長單體纖維石墨纖維，所得產(chǎn)物純度大于99.99%；外觀呈筆直的細絲狀，直徑范圍為0.1~50μm，長度范圍為3~100mm；產(chǎn)物之間大體平行；頂端均具有半球形封蓋，纖維內(nèi)部為實心；拉曼光譜顯示該石墨纖維G峰強度大于D峰；石墨纖維在可見光照射下有金屬光澤，電阻率與石墨相當(dāng)；該石墨纖維采用石英片作為基片，以氬氣和氫氣作為載流氣體，甲烷作為碳源，通過基片清洗、裝爐、氣相沉積生長、取樣的步驟制備。本方法制備的石墨纖維的特殊形態(tài)和物性，在用于制作真空電子學(xué)器件，如冷場發(fā)射電子槍燈絲時，可保證器件之間的性能一致性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種石墨纖維及其制備方法，尤其是涉及一種無催化劑條件下制備石墨纖維。

背景技術(shù)

近幾年來，各種碳納米材料先后成為研究的熱點，如碳納米管、納米碳纖維等。由于具有納米尺度的直徑和微米尺度的長度，并且具有良好的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，在工程材料、微電子、微機電系統(tǒng)、生物、醫(yī)療等領(lǐng)域被寄予厚望。但由于碳納米材料尺度極小，比表面積極大，導(dǎo)致碳納米管彼此之間有很強的吸附能力，常規(guī)工藝制備的碳納米管通常糾纏在一起，難以獨立裝配在器件指定位置，為其應(yīng)用帶來挑戰(zhàn)。微納電子系統(tǒng)需要從納米到微米甚至宏觀的跨尺度材料，單純的碳納米管并不能滿足應(yīng)用需求，需要豐富材料的尺度體系。從器件裝配角度來看，還要求材料具備形態(tài)和尺度上的一致性，一維納米材料端部形態(tài)各異，纖體隨機彎曲，無法滿足這一要求。

另一方面，碳纖維按原料來源可分為聚丙烯腈基碳纖維、瀝青基碳纖維、粘膠基碳纖維、酚醛基碳纖維、氣相生長碳纖維；除氣相生長碳纖維外，其他類型的碳纖維，如瀝青基碳纖維和聚丙烯腈基碳纖維，需要將瀝青、化纖等高分子材料經(jīng)紡絲、預(yù)氧化、碳化、石墨化等流程才能獲得，生產(chǎn)流程復(fù)雜，設(shè)備性能要求高，導(dǎo)致其生產(chǎn)成本過高，纖維質(zhì)量受原料的制約、性能不穩(wěn)定，限制了碳纖維的應(yīng)用及其相關(guān)工業(yè)的進一步發(fā)展。這類碳纖維主要用作復(fù)合材料的增強相。由于不具備形態(tài)和尺度一致的端部和管體，無法采用其個體來組裝電子學(xué)器件。

氣相生長碳纖維制備方法的出現(xiàn)，促進了碳纖維的進一步發(fā)展。常見的催化劑氣相沉積法采用金屬作為催化劑來制備碳納米材料，在制備納米碳纖維過程中引入了催化劑等雜質(zhì)，又因目前碳纖維材料應(yīng)用的諸多領(lǐng)域的很大一部分需要采用純凈的碳纖維材料才能使其性能達到最佳效果。這就需要對催化劑輔助化學(xué)氣相沉積法得到的碳纖維材料進一步純化，以去除碳納米管中殘留的催化劑顆粒，這種獲得純凈碳納米材料的主要手段提高了生產(chǎn)成本，收率低，同時在純化的過程中可能導(dǎo)致碳納米管的結(jié)構(gòu)受損或引入新的雜質(zhì)。

石墨纖維是指分子結(jié)構(gòu)已石墨化、含碳量高于99%的具有層狀六方晶格石墨結(jié)構(gòu)的纖維。目前，應(yīng)用氣相沉積的方法在無催化劑條件下制備石墨纖維的方法仍未見報道，特別是制備統(tǒng)一具有筆直形態(tài)和半球形頂端、長度在宏觀尺度的石墨纖維的方法及產(chǎn)品均未見報道，即使采用氣相生長方法制備了宏觀尺度的碳納米管束或繩，但產(chǎn)品是由大量碳納米管聚集在一起形成的，不是個體化的產(chǎn)品。而使用有機纖維經(jīng)碳化及石墨化處理得到石墨纖維的方法，因滲碳等的工序處理，其纖維在石墨晶格完整性和石墨化方面都較低。而且這樣的纖維在切割成器件所需要的長度時，個體之間頂端形態(tài)必然差異甚大，無法統(tǒng)一，因此不適合在真空電子學(xué)器件中應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種無催化劑條件下直接生長單體石墨纖維的方法，通過本方法可以獲得生長方向大致平行，互不糾纏且一致具有半球形頂端的石墨纖維，便于石墨纖維的單個拾取和操縱，且利用該方法制得的石墨纖維不引入新的雜質(zhì)，純度較高。這樣的石墨纖維個體用于組裝真空電子學(xué)器件時可保證器件之間有一致的電子學(xué)特性，

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用在無催化劑條件下，甲烷氣體在高溫下裂解，從而在基片上直接生長石墨纖維的方法制備石墨纖維：