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研究生:鍾裕湖
研究生(外文):YU HU CHUNG
論文名稱:以高分子聚合物合成奈米碳管之研究
論文名稱(外文):Synthesis of Carbon Nanotubes by Polymer
指導教授:周賢鎧
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣科技大學
系所名稱:工程技術研究所材料科技學程
學門:工程學門
學類:綜合工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:82
中文關鍵詞:奈米碳管高分子聚合物
外文關鍵詞:carbon nanotubespolymer
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本論文第一部份:研究以聚碳矽烷( PCS )製造奈米碳管的成長機制,本實驗室之前的研究,成功的以聚碳矽烷為原料製造出中空的奈米碳管,為多層管壁奈米碳管,其管約30~50nm之間,但其成長機制尚未明確,故本論文將設計一些實驗進一步加以探討研究。綜合本實驗的結果,以聚碳矽烷為原料來製造奈米碳管的成長機制為氣相-固相反應( gas-solid reaction )。
本論文第二部份:研究以有機高分子聚合物聚丙烯( PP )、聚苯乙烯( PS )為原料來合成奈米碳管,利用其熱分解所產生的碳當作碳源,再經由觸媒的催化反應形成中空的奈米碳管。根據實驗結果在700℃時為最佳反應溫度,可以形成中空的奈米碳管,其管徑約20~50nm之間。以高分子聚合物合成奈米碳管,可以在較低溫的狀態下合成,其製造方法簡單且成本也較低;若以氯化鐵來當觸媒,可以長出純度很高叢聚的奈米碳管,管徑可細小至15nm,此製程可以作為以後改進奈米碳管製程的參考。
The purpose of this research is to investigate the growth mechanisms of carbon nanotubes (CNT ) by pyrolyzing polycarbosilane ( PCS ), and synthesis of carbon nanotubes by polymer procedure .
Preparation of carbon nanotubes from polycarbosilane has been successfully performed in our laboratory, but the growth mechanisms has not been realized. Hence we designed several experiments to understand the growth mechanisms of carbon nanotubes. As a result, the growth mechanisms of carbon nanotubes by polycarbosilane is dominated by gas-solid reaction.
On the other hand, carbon nanotubes were synthesized from polypropylene ( PP ) and polystyrene ( PS ). The method has been developed to produce carbon nanotubes by the catalytic decomposition of the polymers at a temperature about 700℃. While iron chloride ( FeCl3 ) was used as the catalysts, the diameters of carbon nanotubes become as small as 15nm. So this experiment can offer a simple way to from carbon nanotubes.
目 錄
中文摘要………………………………………………………………....…Ⅰ
英文摘要………………………………………………………………………Ⅱ
誌謝…………………………………………………………………………..Ⅲ
目錄…………………………………………….……...……………………Ⅳ
圖索引………………..………………………………………………………Ⅸ
第一章 序論……………….………………………………….………… .1
1-1 前言 ..…..……………………………………………….1
第二章 文獻回顧…………………………………………………………...3
2-1 奈米碳管的發現………………………………………………...3
2-2 奈米碳管的結構………………………………………………...3
2-3 奈米碳管的特性………………………………...………………8
2-4 奈米碳管的應用………………………………………………...9
2-4.1 強化複合材料…………………………………………………..9
2-4.2 顯微鏡(AFM、STM)掃描探針………………………………..10
2-4.3 微電子元件……………………………………………………10
2-4.4 奈米模具………………………………………………………10
2-4.5 場發射陰極電極………………………………………………11
2-4.6 鋰離子電池負極………………………………………………12
2-4.7 氣體儲存………………………………………………………12
2-4.8 奈米級鑷子……………………………………………………13
2-4.9 奈米級線性軸承………………………………………………13
2-5 奈米碳管的製造方法…………………………………………...14
2-5.1 電弧放電法(Arc Dischargem)………………………………...14
2-5.2 雷射氣化法(Laser Ablation)…………………………………..15
2-5.3 化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition)……………….15
2-5.4 電漿輔助化學氣相沉積法(Plasma Enhance CVD )………….16
2-5.5 熱裂解法(Pyrolysis)……………………………………….16
2-5.6 模板法(Template method )………………………………….....17
2-5.7 高溫昇華法( Sublimation decomposition of silicon carbide18
2-6 以聚碳矽烷為原料生成奈米碳管…………………………….18
2-6.1 聚碳矽烷熱分解形成碳化矽過程…………………………..18
2-6.2 聚碳矽烷成長奈米碳管……………………………………..20
2-6.3 A-type PCS生長奈米碳管的TEM影像………….…………20
2-6.4 L-type PCS生長奈米碳管的TEM影像…………………….22
2-7 奈米碳管成長模型…………………………………………….23
Part Ⅰ聚碳矽烷成長奈米碳管的機制探討
第三章 實驗方法及步驟(Ⅰ)………………...…………………………25
3-1 實驗目的………………………………………………….25
3-2 使用原料…………………………………………………26
3-3 儀器設備………………………………………………….27
3-4 實驗流程………………………………………………….29
3-4.1實驗步驟…………………………………………………30
第四章 結果與討論(Ⅰ)…………………………………………………31
4-1 A-type PCS成長奈米碳管的狀態………………………31
4-2 L-type PCS 成長奈米碳管的狀態……………………31
4-3 聚碳矽烷成長奈米碳管的機制…………………………35
4-3.1 以高分子狀態的聚碳矽烷成長奈米碳管……………35
4-3.2 以非結晶態的SiC來成長奈米碳管……………………36
4-3.3 以結晶態的SiC來成長奈米碳管………………………36
4-4 結論(Ⅰ)…………………………………………………36
Part Ⅱ 以高分子聚合物為原料製造奈米碳管
第五章 實驗方法及步驟(Ⅱ)………………………………………………38
5-1 原料………………………………………………………38
5-2 實驗設備…………………………………………………39
5-3 實驗步驟…………………………………………………41
第六章 結果與討論(Ⅱ)……………………………………………………42
6-1 以PS當原料鐵粉當觸媒來生長奈米碳管……………….43
6-1.1 PS成長奈米碳管的SEM影像……………………………43
6-1.2 PS成長奈米碳管的TEM 影像……..…………………45
6-2 以PP當原料鐵粉當觸媒來生長碳管……………………47
6-2.1 PP 成長奈米碳管的SEM 影像…………………………47
6-2.1 PP 成長奈米碳管的TEM 影像…………………………49
6-2.3 PP 成長奈米碳管的繞射圖紋…………………….…53
6-2.4 PP 成長奈米碳管的 HRTEM 影像……………………58
6-2.5 PP成長奈米碳管的EDS分析……………………………63
6-3 結論(Ⅱ)…………………………………………………64
Part Ⅲ 以PP為原料氯化鐵當觸媒生長奈米碳管
第七章 實驗方法及結果( Ⅲ) ……………………………………………65
7-1 氯化鐵的鐵粒子析出………………………………………65
7-1.1 氯化鐵溶於水中…………………………………………65
7-1.2 氯化鐵溶於酒精中………………………………………66
7-2 以PP當原料FeCl3當觸媒生長奈米碳管…………………68
7-2.1 PP為原料FeCl3當觸媒生長奈米碳管的SEM影像………68
7-2.2 PP為原料FeCl3當觸媒生長奈米碳管的TEM影像……………72
7-2.3 EDS 分析……………………………………………………...…73
7-3 以Bulk的形式來生長奈米管……………………………………74
7-4 結論(Ⅲ)…………………...……………………………………….76
第八章 總 結……………………………………………………………….77
參 考 文 獻……………………………………………………………78
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