高能重离子辐照聚合物制备碳质功能材料与机理研究

Special structures of carbon materials such as Graphite, carbon nanotubes, fullerene, diamond-like carbon etc. has attracted tremendous research in information technology, compound materials, energy, biology and so on. However, these carbon materials are produced under harsh conditions like high temperature, high pressure and high vacuum. High-energy ion radiation opens a new approach for controlling structures of carbon materials. High-energy ion radiation leads to aligned material, phase change of local nano-area. In this study, high energy heavy ion radiate polymer and metal-polymer compound films are utilized to investigate the relationship between ion radiation parameters (ionic kinds, irradiation dose, ionic current density, etc.) and structure of phase change for different functional polymers, especially the relationship between carbonization conditions / structuries and properties, the redistribution of metal ions and its effect on structure and properties of films, and the formation mechanism of special structured carbon materials radiated by high energy ions. It will provide important scientific data and evidences for preparation and application of special structured carbon materials especially for graphite.

石墨烯，碳纳米管，富勒烯，类金刚石等具有特殊结构的新型碳质材料在信息、复合材料、能源、生物等领域具有广阔的应用前景，而这些材料的合成通常需要高温、高压、极高真空等苛刻条件下实现。高能重离子辐照可引起材料定向、纳米局域相变，为结构可控碳质结构材料的制备开辟了新途径。本项目拟采用高能重离子束辐照高聚物及金属-高聚物复合薄膜研究离子束辐照工艺参数（离子种类,辐照剂量,离子流密度等）与不同功能聚合物薄膜的结构相变，特别是碳化的条件以及碳化的结构和性质的关系；离子辐照引起的金属-高聚物的复合薄膜中金属离子的再分布及其对薄膜结构和性能变化的影响；探索高能重离子辐照制备具有特殊结构的碳质材料的机理。研究成果将为特殊结构碳质材料(尤其是石墨烯)的制备及其应用提供重要的科学数据和依据。

具有特殊结构的碳质材料是近年来出现的新材料，这些材料在信息、复合材料、能源、生物等领域特别是在未来碳基集成电路中具有广阔的应用前景。其合成却较为困难，直接热处理，很难控制材料纳米局域化的相变。.聚丙烯腈、壳聚糖、酚醛树脂、聚苯并咪唑等高聚物产常用来做合成碳的前驱物。其中聚丙烯腈由于其密度低、比强度和比模量高以及良好的耐热性等优点成为被研究和应用最广泛的碳材料前驱体，但由于其本身一些天然的缺陷，包括力学和电学性能限制了它的应用。因此需要对材料进行表面改性，优化提升其性能。离子束加工可引起材料定向、纳米局域的相变，为结构可控碳质结构材料的制备开辟了新途径。实验参数可人工控制，通过选择合适的聚合物和高能重离子辐照，能够实现有选择结构相变，合成具有特殊结构的碳质材料。.本项目采用高能γ射线、Ar离子束辐照聚丙烯腈及金属-聚丙烯腈复合薄膜，主要研究：离子束辐照工艺参数（辐照剂量和离子流密度）与聚合物薄膜的结构相变，特别是碳化的条件以及碳化的结构和性质的关系；离子辐照引起金属-高聚物复合薄膜中金属离子的再分布及其对薄膜结构和性能变化的影响；探索高能重离子辐照制备具有特殊结构的碳质材料的机理。.本项目第一部分系统地研究了不同γ辐照剂量下，预氧化温度和时间对碳纤维导电性和表面官能团的影响。发现经过γ辐照后的聚丙烯腈纤维表面存在轴向沟壑，同时对不同剂量的γ辐照后的聚丙烯腈纤维260℃进行预氧化，800℃碳化后拉曼图谱中ID/IG的比值在36h辐照时间下最小，说明在辐照时间上，36h的辐照时间对样品的改性更好。通过分析预氧化和碳化后的聚丙烯腈纤维的傅里叶红外光谱，证明了碳化过程发生的环化脱氢过程。.第二部分利用高能离子辐照金属-高聚物复合材料，研究了聚丙烯纤维中金属离子含量和辐照剂量对复合纤维的形貌、碳化程度和金属离子在复合材料中分布的影响。实验结果表明，金属的掺杂有利于辐照过程中聚丙烯腈纤维的交联结构的形成，0g、0.4g、0.8g三种钴盐掺杂量，经过拉曼测试发现掺杂量过高会影响聚丙烯腈纤维的碳化。0.4 g Co-PAN复合纤维在辐照剂量5×1013 ions/cm2得到复合碳纤维，产生了导电性良好的交联结构，同时达到了最好的碳化程度。.第三部分研究了碳质纳米纤维在超级电容器中的应用。多孔碳纤维制备的电极在2000次循环后可以保持94%的比电容。组成的对称电容弯折500次后，比电容