碳纳米管(Carbon Nanotube,CNT)是纳米材料中最富代表性的新型材料。由于其独特的结构以及由此产生的诸多奇异特性,已经成为近十几年来国际纳米技术和新材料领域的研究热点。理论预测和实验研究表明,碳纳米管几乎涵盖了地球上大多数物质的性质甚至相对立的两种性质,从高硬度到高韧性,从全息光到全透光,从绝热到良导热,从半导体到高导体等。正是因为碳纳米管具有的这些奇异性质,使得它可能在电子、生物、材料、化学等诸多领域获得广泛的应用。所有这些应用目标的实现依赖于对碳纳米管结构及其性能的全面研究。高产量、高质量、低成本的制备方法及工艺技术的深入探讨是进行碳纳米管结构性能以及应用研究的前提。因此对碳纳米管制备的研究仍然是一项具有重要意义的工作。 本文使用直流电弧等离子体射流反应装置,分别以煤、煤直接液化残渣、有机化合物等为碳源制备纳米炭材料,考察了不同原料、辅助原料以及工艺参数对产品结构形态的影响;产物的表征采用扫描电子显微镜、X射线能谱仪和透射电子显微镜等先进技术。结合实验现象以及结果对碳纳米管及特殊形态的纳米炭材料的生成机理进行了初步讨论。得到如下结论: 以粘结性煤为碳源,直流电弧等离子体射流为手段可以制得碳纳米管。与传统的煤基碳纳米管的制备工艺相比,该工艺无需对煤进行成型、炭化等预处理,反应体系不需要高真空,因而生产成本更低。另外,煤的物理、化学性质以及催化剂、水、工作气氛对碳纳米管生成和产量均有影响,其中,煤自身具有粘结性是获得纳米碳管的必要条件。 以煤直接液化残渣为原料,利用煤直接液化残渣中残留的催化剂作为活性组分,残留有机物为碳源,成功地制得纳米炭纤维(Carbon Nano Fiber,CNF),为煤直接液化残渣提供了一条低成本,高附加值的利用方式。制备过程中液化残渣未经任何处理,且无需额外添加催化剂。结果表明反应时间是纳米炭纤维生成的重要影响因素。 以乙醇为碳源,二茂铁为催化剂,利用等离子体射流在常压下制备高纯度竹节状多壁碳纳米管。结果表明,在本文实验条件下,可以批量的获得竹节状碳纳米管,管径尺寸均匀,为20nm左右,长度为数微米,纯度可达90%以上。HRTEM观察结果表明碳纳米管管壁为典型的鱼骨状。