纳米碳同素异形体电爆炸合成机理研究

New spatial forms of carbon - fullerenes, nanotubes, etc., are of great scientfic and applied value in the field of physics, chemistry, life science and medicine etc. due to their unique physicochemical and mechanical properties. Formation and phase transformations mechanism of the nano carbon allotropes will be researched when they are fabricated by electric wires explosion.The main research work are as follow: 1.Conditions for the reconstruct of the of the carbon molecule; 2.Experimental research of the nano carbon allotropes fabrication under different conditions vary with the parameters electric circuit, the size of the conductor and the surrounding medium etc. furthermore, the influence of related parameters on the products as well as their characters will also studied; 3. Mechanism of nano carbon allotropes formation and the optimization of the parameters will also be studied. An integrated mechanism of the nano carbon allotropes formation by the method of elctric wire explosion will be established, and the relations of the related parameters and the products as well as their characters will be described quantitatively. The establish of the multi-parameter related calculation model for the molecule reconstruct with the high pressure and high temperature effects considered is innovative, and that for the molecule structure evolvement as well as the numerical calculation method is another innovation of this research work.

富勒烯（C60）、碳纳米管等纳米碳材料具备独特的物理化学性能和力学性能，在物理、化学、生命科学、医学等许多领域具有较高的应用价值。本项目针对上述碳纳米材料的电爆炸合成机理开展研究。主要研究内容包括：1. 针对典型纳米碳材料的同素异形体开展其分子结构重构条件的研究；2. 不同参数条件下（脉冲高压放电参数、材料特性、尺寸特征、气氛环境等）纳米尺度碳同素异形体的制备试验研究，探索相关参数对产物及产物微观结构特征的影响；3.纳米尺度碳同素异形体形成细观机理研究及制备参数优化分析。通过本项目的研究，建立较为完整的电爆条件下纳米碳同素异形体的形成机制、微观结构演化机理，并将定性描述相关因素对纳米碳同素异形体产物及产物微观结构特征等的影响关系。其中在考虑电爆炸引起的高温高压效应的基础上微观角度的多参数分子重构条件计算模型的建立和分子构形演化模型及数值计算方法是本项目的主要创新之处。

石墨烯、碳包覆金属颗粒等新型碳纳米材料具备独特的力学、磁学、电学、热学及光学性能，在国防科技、生物医学、电子工业、新能源等许多领域显示出的巨大潜在应用前景。本项目针对上述碳纳米材料的电爆炸合成机理展开研究，主要研究内容及结论包括：1. 研制了一种用于纳米粉体制备及其过程量探测的电爆炸实验和测试系统。该系统能够实现对介质环境、电路参数以及爆炸丝材料参数的有效控制。同时还能够对电爆炸过程中的脉冲电流、电压以及爆炸冲击波进行有效的测试，为理论模型的建立提供充分的实验依据。2. 通过对气化开始之后电流分布特征、压力分布特征以及不稳定性发展特征的分析，揭示了电爆炸的基本过程及其形成机理，并将电爆炸过程分为三个阶段：稳定加热及相变阶段、气化和爆炸形成阶段以及爆炸产物扩散冷凝阶段，为电爆炸实验参数的选择和爆炸产物形成过程分析提供理论指导。3. 通过石墨水下电爆炸方法成功制备了多层石墨烯材料，利用金属丝在有机溶液中的电爆炸制备出不同种类的碳包覆金属纳米粉体，并通过透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射仪（XRD）以及拉曼光谱仪对爆炸产物的形貌以及成分进行了表征。证明了电爆炸方法在新型碳纳米材料及碳包覆金属纳米材料制备方面的可行性。4.通过金属丝在有机液体中的电爆炸实验分析了介质环境、电路参数以及爆炸丝材料特征三大因素在电爆炸过程中所起的作用。结合水的模态沸腾和气泡脉动现象揭示了液体介质环境下爆炸发生后的特殊冷凝成型过程。5.建立了电爆炸条件下纳米碳同素异形体的形成机制及微观结构演化机理。通过本项目的研究，建立了较为完整的电爆炸条件下的碳纳米材料及碳包覆金属纳米材料的形成机制，对于拓宽电爆炸法在纳米材料制备方面的应用和提高产品质量具有重要的工程研究意义。同时，本项目还涉及到电磁学、热力学、材料学等学科内容的研究，促进了上述学科的交叉与融合，故还具有重要的科学研究意义。