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碳纤维管是如何形成的?

在碳纤维管的生长过程中,碳原子在催化剂颗粒中存在着浓度差,与气相接触的面(即固气接触面)上的碳原子的浓度相对较大,而另一面(即固碳接触面)上及附近碳原子的浓度相对较小。该浓度差的存在为碳原子的扩散提供了主要动力。同时催化剂颗粒中存在的温度梯度也为碳原子在催化剂中的扩散提供了力量源泉。一般而言,当物体内部存在温度梯度时,物质总是由温度高的地方向温度低的地方扩散。在利用化学气相沉积法合成碳纤维管时,由于碳氢化合物的裂解反应主要为放热反应,而固态碳的析出为吸热反应,因此催化剂与碳氢化合物接触的一面由于碳氢化合物的裂解而温度上升,而另一面则温度下降,从而导致催化剂内部温度梯度的产生。该温度梯度的存在可以加速碳纤维等材料的生长。

在利用化学气相沉积法合成碳纤维管的过程中,碳纤维管的形成可以分为碳纤维管的核化和生长两个阶段。首先在高温条件下,由于微波等离子体的作用,甲烷裂解获得的碳原子渗透进入并溶解于催化剂颗粒中。一定时间后,碳在其中处于过饱和状态而开始在催化剂某个方向的外表面上析出而形成石墨层,此时完成碳纤维管的核化过程。随后,气相中裂解产生的碳原子源源不断地从另一个面上渗入并向附有石墨层的一面扩散,从而促进碳纤维管生长。


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