《高能重離子輻照聚合物製備碳質功能材料與機理研究》是依託蘭州大學，由謝二慶擔任項目負責人的聯合基金項目。
基本介紹
- 中文名：高能重離子輻照聚合物製備碳質功能材料與機理研究
- 依託單位：蘭州大學
- 項目負責人：謝二慶
- 項目類別：聯合基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
石墨烯，碳納米管，富勒烯，類金剛石等具有特殊結構的新型碳質材料在信息、複合材料、能源、生物等領域具有廣闊的套用前景，而這些材料的合成通常需要高溫、高壓、極高真空等苛刻條件下實現。高能重離子輻照可引起材料定向、納米局域相變，為結構可控碳質結構材料的製備開闢了新途徑。本項目擬採用高能重離子束輻照高聚物及金屬-高聚物複合薄膜研究離子束輻照工藝參數（離子種類,輻照劑量,離子流密度等）與不同功能聚合物薄膜的結構相變，特別是碳化的條件以及碳化的結構和性質的關係；離子輻照引起的金屬-高聚物的複合薄膜中金屬離子的再分布及其對薄膜結構和性能變化的影響；探索高能重離子輻照製備具有特殊結構的碳質材料的機理。研究成果將為特殊結構碳質材料(尤其是石墨烯)的製備及其套用提供重要的科學數據和依據。
結題摘要
具有特殊結構的碳質材料是近年來出現的新材料，這些材料在信息、複合材料、能源、生物等領域特別是在未來碳基積體電路中具有廣闊的套用前景。其合成卻較為困難，直接熱處理，很難控制材料納米局域化的相變。 聚丙烯腈、殼聚糖、酚醛樹脂、聚苯並咪唑等高聚物產常用來做合成碳的前驅物。其中聚丙烯腈由於其密度低、比強度和比模量高以及良好的耐熱性等優點成為被研究和套用最廣泛的碳材料前驅體，但由於其本身一些天然的缺陷，包括力學和電學性能限制了它的套用。因此需要對材料進行表面改性，最佳化提升其性能。離子束加工可引起材料定向、納米局域的相變，為結構可控碳質結構材料的製備開闢了新途徑。實驗參數可人工控制，通過選擇合適的聚合物和高能重離子輻照，能夠實現有選擇結構相變，合成具有特殊結構的碳質材料。 本項目採用高能γ射線、Ar離子束輻照聚丙烯腈及金屬-聚丙烯腈複合薄膜，主要研究：離子束輻照工藝參數（輻照劑量和離子流密度）與聚合物薄膜的結構相變，特別是碳化的條件以及碳化的結構和性質的關係；離子輻照引起金屬-高聚物複合薄膜中金屬離子的再分布及其對薄膜結構和性能變化的影響；探索高能重離子輻照製備具有特殊結構的碳質材料的機理。 本項目第一部分系統地研究了不同γ輻照劑量下，預氧化溫度和時間對碳纖維導電性和表面官能團的影響。發現經過γ輻照後的聚丙烯腈纖維表面存在軸向溝壑，同時對不同劑量的γ輻照後的聚丙烯腈纖維260℃進行預氧化，800℃碳化後拉曼圖譜中ID/IG的比值在36h輻照時間下最小，說明在輻照時間上，36h的輻照時間對樣品的改性更好。通過分析預氧化和碳化後的聚丙烯腈纖維的傅立葉紅外光譜，證明了碳化過程發生的環化脫氫過程。 第二部分利用高能離子輻照金屬-高聚物複合材料，研究了聚丙烯纖維中金屬離子含量和輻照劑量對複合纖維的形貌、碳化程度和金屬離子在複合材料中分布的影響。實驗結果表明，金屬的摻雜有利於輻照過程中聚丙烯腈纖維的交聯結構的形成，0g、0.4g、0.8g三種鈷鹽摻雜量，經過拉曼測試發現摻雜量過高會影響聚丙烯腈纖維的碳化。0.4 g Co-PAN複合纖維在輻照劑量5×1013 ions/cm2得到複合碳纖維，產生了導電性良好的交聯結構，同時達到了最好的碳化程度。 第三部分研究了碳質納米纖維在超級電容器中的套用。多孔碳纖維製備的電極在2000次循環後可以保持94%的比電容。組成的對稱電容彎折500次後，比電容
