第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 碳及碳纳米材料 2
1.2.1 碳的同素异形体 2
1.2.2 碳纳米材料的定义和分类 7
1.3 碳纳米材料的制备 9
1.3.1 零维碳纳米材料的制备 9
1.3.2 一维碳纳米材料的制备 12
1.3.3 二维碳纳米材料的制备 15
1.4 碳纳米材料的性能与应用 16
1.4.1 零维碳纳米材料的性能与应用 17
1.4.2 一维碳纳米材料的性能与应用 18
1.4.3 二维碳纳米材料的性能与应用 19
1.5 火焰法制备碳纳米材料及其特性 20
1.5.1 火焰法制备零维碳纳米材料及其特性 20
1.5.2 火焰法制备一维碳纳米材料及其特性 21
1.5.3 火焰法制备二维碳纳米材料及其特性 22
参考文献 22
第2章 火焰中的零维碳纳米材料 28
2.1 引言 28
2.2 火焰法制备炭黑颗粒 28
2.2.1 炭黑及其生产方式 28
2.2.2 火焰中生成炭黑的类型及特征 30
2.2.3 气体燃料燃烧生成炭黑的影响因素及机理 31
2.2.4 液体燃料燃烧生成炭黑的影响因素及机理 32
2.2.5 固体燃料燃烧生成炭黑的影响因素及机理 33
2.2.6 炭黑的应用 33
2.3 火焰法制备富勒烯 34
2.3.1 富勒烯及其制备方法 34
2.3.2 富勒烯的制备、分离和提纯 37
2.3.3 火焰法制备富勒烯的影响因素 38
2.3.4 火焰法制备富勒烯的机理 44
2.3.5 火焰法制备富勒烯的形貌特征 45
2.3.6 富勒烯的应用 49
2.4 火焰法制备金刚石 51
2.4.1 金刚石及其制备方法 51
2.4.2 火焰法制备金刚石及其影响因素 55
2.4.3 火焰中金刚石的生长机理 59
2.4.4 火焰法制备金刚石的形貌特征 60
2.4.5 纳米金刚石的性质 64
2.4.6 纳米金刚石的应用 67
参考文献 69
第3章 火焰法制备一维碳纳米材料及其生长机理 75
3.1 引言 75
3.2 关于碳纳米管和碳纳米纤维的定义 75
3.3 液体火焰的温度场特征 76
3.4 基板材料对一维碳纳米材料形貌和结构的影响 79
3.4.1 乙醇火焰法中含Ni基板上的燃烧产物 80
3.4.2 乙醇火焰法中含Fe基板上的燃烧产物 81
3.5 一维碳纳米材料的拉曼光谱表征 84
3.6 火焰法中一维碳纳米材料的生长机制 86
参考文献 88
第4章 胺燃料火焰制备氮掺杂碳纳米管及其生长机理 92
4.1 引言 92
4.2 氮掺杂碳纳米管的研究现状与进展 93
4.2.1 氮掺杂碳纳米管的研究背景 93
4.2.2 氮掺杂碳纳米管的制备方法和结构特征 93
4.2.3 氮掺杂碳纳米管的生长机理 96
4.2.4 氮掺杂碳纳米材料的物性及其应用 97
4.3 胺燃料火焰法氮掺杂碳纳米管的制备 100
4.4 不同胺燃料的火焰温度场特征 102
4.5 火焰高度和燃烧时间对制备产物的影响 104
4.6 不同胺燃料对氮掺杂碳纳米管形貌的影响 106
4.7 “石墨型”为主的氮掺杂碳纳米管的结构特征 107
4.8 “石墨型”为主的氮掺杂碳纳米管的形成机理 110
4.9 氮掺杂碳纳米管中C？N键的形成机理 111
参考文献 113
第5章 火焰法制备螺旋碳纳米纤维及其生长机理 117
5.1 引言 117
5.2 螺旋碳纳米纤维的研究现状及进展 118
5.2.1 螺旋碳纳米纤维的制备和生长机理 118
5.2.2 螺旋碳纳米纤维的物性与应用 119
5.3 螺旋碳纳米纤维的制备 120
5.3.1 乙醇燃料和电镀Fe纳米晶 120
5.3.2 液体胺燃料和涂覆Ni金属盐 121
5.4 螺旋碳纳米纤维的形貌特征 122
5.4.1 胺火焰中涂覆Ni金属盐法制备螺旋碳纳米纤维 122
5.4.2 乙醇火焰中电镀Fe纳米晶薄膜表面生长的螺旋碳纳米纤维 124
5.5 火焰法中螺旋碳纳米纤维的生长机理 125
参考文献 127
第6章 一维碳纳米材料的直径可控生长 130
6.1 引言 130
6.2 脉冲电沉积金属纳米晶薄膜技术简介 130
6.2.1 脉冲电沉积技术制备金属纳米晶薄膜 131
6.2.2 利用脉冲电沉积技术制备金属纳米晶薄膜的研究现状 134
6.2.3 脉冲电沉积技术制备金属纳米晶薄膜的应用 135
6.3 碳纳米管的直径可控制备及生长机理 136
6.3.1 脉冲电沉积参数对金属Ni纳米晶薄膜晶粒度的影响 137
6.3.2 脉冲电沉积参数对碳纳米管直径的影响 142
6.3.3 碳纳米管的直径控制生长机制 146
6.4 碳纳米纤维的直径可控制备及生长机理 147
6.4.1 脉冲电沉积参数对金属Fe纳米晶薄膜晶粒度的影响 147
6.4.2 脉冲电沉积参数对碳纳米纤维的直径的影响 151
6.4.3 螺旋碳纳米纤维的制备 155
6.4.4 碳纳米纤维的直径控制生长机制 157
参考文献 158
第7章 电场辅助下的一维碳纳米材料可控生长 163
7.1 引言 163
7.2 电场控制一维碳纳米材料生长的研究进展 164
7.2.1 制备时无意引入电场 164
7.2.2 制备时有意引入电场 166
7.2.3 制备后的电场处理 166
7.3 电场辅助对碳纳米管形态与结构的调控及其作用机理 168
7.3.1 实验材料与方法 168
7.3.2 电场诱导可控生长碳纳米管 169
7.3.3 电场中碳纳米管可控生长的机理 172
7.3.4 电场辅助碳纳米管的结构优化 177
7.4 电场辅助碳纳米管可控生长过程的模拟计算 179
7.4.1 计算基本模型的建立 179
7.4.2 有限元模拟 181
7.4.3 单根碳纳米管的受力分析 181
7.4.4 两根碳纳米管的受力分析 182
7.4.5 多根碳纳米管的受力分析 183
7.4.6 多根碳纳米管在生长过程中的受力分析 186
7.4.7 不同管径碳纳米管的受力分析 189
参考文献 191
第8章 大电场辅助下的一维碳纳米材料可控生长 196
8.1 引言 196
8.2 大电场对“实心”碳纳米纤维直径的调控及作用机理 196
8.2.1 实验材料与方法 197
8.2.2 电场强度与“实心”碳纳米纤维形貌及直径的关系 198
8.2.3 电场调控“实心”碳纳米纤维直径的作用机理 200
8.3 大电场诱导制备“一维奶牛乳房状微／纳米碳同质异构”阵列 202
8.3.1 实验材料和方法 203
8.3.2 “一维奶牛乳房状微／纳米碳同质异构结构”的特征 204
8.3.3 “一维奶牛乳房状微／纳米碳同质异构结构”的影响因素 206
8.3.4 “一维奶牛乳房状微／纳米碳同质异构结构”的生长机理 210
参考文献 212
第9章 磁场辅助下碳纳米管的可控生长 215
9.1 引言 215
9.2 磁场控制碳纳米管生长的研究进展 216
9.2.1 制备前引入磁场 216
9.2.2 制备时引入磁场 216
9.2.3 制备后引入磁场 217
9.3 实验材料与方法 218
9.4 磁场对碳纳米管微观形貌的调控 218
9.5 磁场对碳纳米管微结构及结晶的调控 220
9.6 磁场调控碳纳米管的作用机理 222
参考文献 225
第10章 一种具有“有序—无序—有序—无序……”周期性变化的同质异构碳纳米管 227
10.1 引言 227
10.2 碳基一维纳米异质结的研究现状与进展 227
10.2.1 碳基一维纳米异质结的结构 227
10.2.2 碳基一维纳米异质结的制备方法 228
10.2.3 碳基一维纳米异质结的物理性质及其应用 232
10.3 全碳基一维纳米同质异构结的研究现状与进展 236
10.3.1 全碳基一维纳米同质异构结的制备 236
10.3.2 全碳基一维纳米同质异构结的物理化学性质及其应用 237
10.4 “有序—无序—有序—无序……”周期性变化的同质异构碳纳米管的制备 238
10.4.1 电场诱导碳纳米管的微结构转变 238
10.4.2 电场控制周期性“同质异构”碳纳米管的生长与特征 240
10.5 “有序—无序—有序—无序……”周期性变化的同质异构碳纳米管的生长机理 243
参考文献 247
第11章 碳纳米纤维微结构的高温转变 252
11.1 引言 252
11.2 一维碳纳米材料微结构高温转变的研究进展 252
11.2.1 碳纳米管微结构的高温转变 253
11.2.2 碳纳米纤维微结构的高温转变 255
11.3 放电等离子体烧结（SPS）技术简介 257
11.3.1 放电等离子体烧结（SPS）技术的发展 257
11.3.2 放电等离子体烧结设备的基本结构 257
11.3.3 放电等离子体烧结的原理 258
11.3.4 放电等离子体烧结技术的应用 261
11.4 实验材料与方法 262
11.4.1 “实心”碳纳米纤维的制备 262
11.4.2 碳纳米纤维的高温热处理 263
11.5 非晶态“实心”碳纳米纤维微结构的高温转变 265
11.5.1 高温热处理对非晶态“实心”碳纳米纤维微结构的影响 265
11.5.2 非晶态“实心”碳纳米纤维微结构的高温转变机制 269
11.6 一种具有“晶态—非晶态”变化特征的同质异构碳纳米纤维 271
11.6.1 “晶态—非晶态”同质异构碳纳米纤维的微结构特征 271
11.6.2 “晶态—非晶态”同质异构碳纳米纤维的形成机制 274
11.6.3 单根“晶态—非晶态”同质异构碳纳米纤维的电输运特性 275
11.7 非晶态“实心”碳纳米纤维结构模型的模拟计算 278
11.7.1 非晶态“实心”碳纳米纤维结构模型的逆向蒙特卡罗（RMC）法模拟 279
11.7.2 模拟结果及讨论分析 283
11.8 “晶态—非晶态”同质异构碳纳米纤维的整流机制 286
11.8.1 “非晶态”碳的费米能级 286
11.8.2 “晶态”碳和“非晶态”碳的接触 288
11.8.3 “晶态—非晶态”同质异构碳纳米纤维I-V曲线的拟合 289
参考文献 291
第12章 无纠缠阵列碳纳米管的可控生长 300
12.1 引言 300
12.2 纳米晶催化剂颗粒的形貌特征 301
12.3 直立无纠缠碳纳米管的制备 304
12.4 直立无纠缠碳纳米管阵列的生长机理 308
参考文献 309
第13章 碳纳米管致密块材的制备及其物性特征 312
13.1 引言 312
13.2 原始碳纳米管粉体的显微结构特征 312
13.3 碳纳米管致密块材的显微结构特征 314
13.4 碳纳米管致密块材的物性特征 316
13.4.1 碳纳米管致密块材的低温电输运特性 317
13.4.2 碳纳米管致密块材的热电势特性 318
13.4.3 碳纳米管致密块材电输运性能的各向异性 320
参考文献 321
第14章 火焰法碳纳米管的大量制备 323
14.1 引言 323
14.2 火焰法大量制备碳纳米管的原理 326
14.2.1 液态碳-氢燃料的燃烧原理 326
14.2.2 涂覆法的原理 327
14.3 碳纳米管的大量制备方法 329
14.3.1 制备材料的选择 329
14.3.2 制备方法与步骤 330
14.4 火焰法大量制备碳纳米管的影响因素 331
14.4.1 火焰温度场的测量 331
14.4.2 涂覆物对燃烧产物的影响 333
14.4.3 基板材料对燃烧产物的影响 335
14.4.4 碳源对燃烧产物的影响 338
参考文献 339
第15章 火焰法碳纳米管在玻璃纤维／树脂复合材料界面改性中的应用 341
15.1 引言 341
15.2 玻璃纤维／树脂复合材料及其改性的研究进展 342
15.2.1 玻璃纤维／树脂复合材料的历史及应用 342
15.2.2 玻璃纤维／树脂复合材料作为建筑材料的优缺点 343
15.2.3 玻璃纤维／树脂复合材料改性的研究进展 344
15.3 实验材料与方法 346
15.4 不同碳纳米管的结构与形貌特征 348
15.5 玻璃纤维表面喷涂不同碳纳米管前后的形貌 350
15.6 碳纳米管界面改性对GFRP力学性能的影响 352
15.7 碳纳米管界面改性后GFRP的冲击断口特征 358
15.8 火焰法碳纳米管对GFRP的界面增强机理 361
参考文献 364
第16章 火焰法可控生长碳纳米管的低温荧光特性 367
16.1 引言 367
16.2 实验材料与方法 368
16.3 碳纳米管的低温荧光特性 368
16.3.1 温度对碳纳米管荧光的影响 368
16.3.2 其他因素对碳纳米管荧光的影响 369
16.3.3 不同气氛中碳纳米管荧光的恢复 374
16.4 碳纳米管的低温荧光机理探讨 375
16.4.1 物理吸附大气分子的影响 376
16.4.2 碳纳米管的结构缺陷 376
16.4.3 碳纳米管表面的官能团 377
16.4.4 结构缺陷和官能团对碳纳米管电子结构的影响 378
16.4.5 碳纳米管低温荧光模型 381
参考文献 383
第17章 火焰法可控生长碳纳米管的电学性能 386
17.1 引言 386
17.2 单根碳纳米管电学性能的测试方法 386
17.2.1 基于微电极系统的电学性能测试 386
17.2.2 基于AFM的单根碳纳米管电学性能测试 387
17.3 不同结构的碳纳米管的电学性能 388
17.4 单根碳纳米管的导电性测试 390
参考文献 394
第18章 火焰法一维碳纳米材料的电化学性能及其在超级电容器中的应用 395
18.1 引言 395
18.2 实验材料与方法 396
18.3 碳纳米管和碳纳米纤维的形貌与结构表征 397
18.4 碳纳米管和碳纳米纤维的表面积与孔径分布 400
18.5 碳纳米管和碳纳米纤维的表面官能团 402
18.6 电化学性能及与CVD法制备的碳纳米管的比较 403
参考文献 406
第19章 火焰法氮掺杂一维碳纳米材料的电化学性能及其在超级电容器中的应用 409
19.1 引言 409
19.2 火焰法氮掺杂碳纳米管的电化学性能及其在超级电容器中的应用 409
19.2.1 火焰法氮掺杂碳纳米管与电极的制备 410
19.2.2 氮掺杂碳纳米管的形貌与结构特征 411
19.2.3 氮掺杂碳纳米管的比表面积与孔径分布特征 412
19.2.4 氮掺杂碳纳米管超级电容器电极的表面化学特性 414
19.2.5 氮掺杂碳纳米管电极的电化学性能 415
19.2.6 氮掺杂碳纳米管电极的电化学性能增强机理 418
19.3 火焰法氮掺杂螺旋碳纳米纤维电化学性能及其在超级电容器中的应用 419
19.3.1 氮掺杂螺旋碳纳米纤维的形貌结构特征 420
19.3.2 氮掺杂螺旋碳纳米纤维的表面化学基团 421
19.3.3 氮掺杂螺旋碳纳米纤维的生长机理 423
19.3.4 氮掺杂螺旋碳纳米纤维的电化学性能 424
参考文献 427
第20章 火焰法生长碳纳米管的场发射性能 430
20.1 引言 430
20.2 实验材料与方法 432
20.2.1 燃料与基底的选择 432
20.2.2 Si基底的预处理 432
20.2.3 催化剂的制备 433
20.2.4 场发射性能的测量 433
20.3 火焰法生长碳纳米管及其场发射性能特征 434
20.3.1 在光刻胶涂覆辅助镍催化剂平面上生长碳纳米管情况 434
20.3.2 在标准抛光硅平面上生长碳纳米管情况 437
20.3.3 在硅纳米级金字塔上生长的碳纳米管情况 438
20.3.4 在硅微米级金字塔上生长的碳纳米管情况 441
20.4 ZnO棒上二次生长碳纳米管的场发射增强效应 445
20.4.1 ZnO棒与碳纳米管复合结构的制备 445
20.4.2 ZnO棒与碳纳米管复合结构的表征与场发射性能 446
参考文献 450
第21章 火焰法碳纳米管的表面改性及其在高分子复合材料中的应用 452
21.1 引言 452
21.2 碳纳米管／聚合物复合材料 453
21.2.1 碳纳米管／聚合物复合材料的制备方法 453
21.2.2 碳纳米管的表面修饰与改性 456
21.2.3 聚合物／碳纳米管复合材料性能的研究进展 458
21.2.4 聚合物／碳纳米管纳米复合材料的研究展望 461
21.3 碳纳米管的表面修饰和改性 461
21.3.1 样品的制备与表征 462
21.3.2 样品表面修饰特征与机理 463
21.4 碳纳米管／聚苯乙烯复合材料 470
21.4.1 样品的制备与表征 471
21.4.2 复合材料的形貌特征与性能分析 471
21.5 碳纳米管／尼龙6复合材料 475
21.5.1 碳纳米管／尼龙6复合材料的研究进展 476
21.5.2 样品的制备与表征 477
21.5.3 复合材料的形貌特征与性能分析 478
21.6 碳纳米管／环氧乙烯基酯树脂（A430）复合材料 485
21.6.1 样品的制备与表征 487
21.6.2 复合材料的形貌特征与性能分析 487
参考文献 492
第22章 碳纳米管／MnO2复合材料及其电化学性能 495
22.1 引言 495
22.2 实验材料与方法 496
22.3 碳纳米管／MnO2复合材料的微结构特征 497
22.3.1 显微组织特征 497
22.3.2 拉曼光谱特征 499
22.3.3 物相与化学成分特征 499
22.4 碳纳米管／MnO2复合材料制备的影响因素 500
22.4.1 碳纳米管对反应产物的影响 500
22.4.2 高锰酸钾浓度的影响 502
22.5 碳纳米管／MnO2复合材料的包敷机理 504
22.6 碳纳米管／MnO2复合材料的电化学性能 505
参考文献 507
第23章 火焰法制备石墨烯与氮掺杂石墨烯 510
23.1 引言 510
23.2 石墨烯制备方法的研究现状和进展 511
23.2.1 机械剥离法 511
23.2.2 SiC外延生长法 512
23.2.3 化学气相沉积法 513
23.2.4 化学剥离法 515
23.2.5 火焰法 515
23.3 氮掺杂石墨烯及其制备方法 516
23.4 石墨烯和氮掺杂石墨烯的火焰法制备 521
23.5 火焰法制备石墨烯的形貌特征 522
23.6 火焰法制备氮掺杂石墨烯的成分结构分析 524
23.7 火焰法制备石墨烯的生长机理 528
23.8 火焰法制备石墨烯的方法改进 528
参考文献 530
第24章 纳米压痕法测量石墨烯的弹性模量和层数 533
24.1 引言 533
24.2 石墨烯力学性能的研究现状与进展 536
24.3 石墨烯的层数表征 538
24.4 纳米压痕技术简介 541
24.5 利用纳米压痕测量石墨烯的弹性模量和层数 543
24.5.1 利用纳米压痕测量石墨烯的弹性模量 545
24.5.2 利用纳米压痕测量石墨烯的层数 546
参考文献 546
第25章 石墨烯在高温高压下的转变与高质量石墨烯的大量制备 549
25.1 引言 549
25.2 石墨烯褶皱结构的研究现状与进展 549
25.3 高质量石墨烯制备的研究现状与进展 552
25.4 实验材料与方法 552
25.4.1 化学剥离法制备石墨烯 552
25.4.2 SPS高温处理 553
25.4.3 SPS高温高压处理 554
25.5 石墨烯在高温下的转变特征 554
25.5.1 SPS高温处理前后石墨烯的形貌结构特征 554
25.5.2 石墨烯褶皱的产生机制 556
25.5.3 SPS处理前后石墨烯的表面性能 557
25.6 石墨烯在高温高压下的转变特征 557
25.6.1 SPS高温高压处理前后石墨烯的形貌结构特征 557
25.6.2 SPS高温高压制备高质量石墨烯的机理分析 560
25.6.3 SPS高温高压处理前后石墨烯的电输运性能 561
参考文献 562
第26章 石墨烯／TiO2复合材料的制备及其光催化中的应用 565
26.1 引言 565
26.1.1 TiO2光催化原理及降解机理 565
26.1.2 石墨烯在光催化复合材料中的作用 567
26.2 石墨烯／TiO2复合材料的研究现状及进展 568
26.3 实验材料与方法 573
26.3.1 氧化石墨烯的制备 573
26.3.2 热处理制备石墨烯／TiO2复合材料 573
26.3.3 石墨烯／TiO2层状复合材料的制备 573
26.3.4 光催化性能测试 574
26.4 热处理制备石墨烯／TiO2复合材料及其可见光催化性能 574
26.5 高催化活性的石墨烯／TiO2层状复合材料 577
参考文献 579
第27章 石墨烯纳米带的制备及其在超级电容器中的应用 582
27.1 引言 582
27.2 石墨烯纳米带的研究现状与进展 583
27.2.1 碳纳米管纵切法 583
27.2.2 有机合成法 584
27.2.3 掩模刻蚀法 584
27.3 化学剖开法制备石墨烯纳米带 587
27.4 石墨烯纳米带的形貌结构特征 588
27.5 氧化石墨烯和功能碳纳米管的表面化学基团 590
27.6 三种不同结构碳纳米材料的电化学性能对比 590
27.7 边缘结构在碳基超级电容器中的重要意义 593
参考文献 594
第28章 基于石墨烯应变效应的纳米电源研究 597
28.1 引言 597
28.2 纳米电源的研究现状与进展 598
28.2.1 压电式纳米电源 598
28.2.2 摩擦式纳米电源 600
28.3 石墨烯应变效应的研究现状 602
28.4 实验材料与方法 604
28.5 单层石墨烯的应力-应变及其表征 605
28.6 基于石墨烯应变效应的纳米电源 606
参考文献 608
附录 发表论文列表 611