[发明专利]一种石墨纤维及其制备方法

说明书

本发明涉及一种石墨纤维及其制备方法，在无催化剂条件下采用气相沉积的方法直接生长单体纤维石墨纤维，所得产物纯度大于99.99%；外观呈笔直的细丝状，直径范围为0.1~50μm，长度范围为3~100mm；产物之间大体平行；顶端均具有半球形封盖，纤维内部为实心；拉曼光谱显示该石墨纤维G峰强度大于D峰；石墨纤维在可见光照射下有金属光泽，电阻率与石墨相当；该石墨纤维采用石英片作为基片，以氩气和氢气作为载流气体，甲烷作为碳源，通过基片清洗、装炉、气相沉积生长、取样的步骤制备。本方法制备的石墨纤维的特殊形态和物性，在用于制作真空电子学器件，如冷场发射电子枪灯丝时，可保证器件之间的性能一致性。

技术领域

本发明涉及一种石墨纤维及其制备方法，尤其是涉及一种无催化剂条件下制备石墨纤维。

背景技术

近几年来，各种碳纳米材料先后成为研究的热点，如碳纳米管、纳米碳纤维等。由于具有纳米尺度的直径和微米尺度的长度，并且具有良好的力学、电学、热学性能和化学稳定性，在工程材料、微电子、微机电系统、生物、医疗等领域被寄予厚望。但由于碳纳米材料尺度极小，比表面积极大，导致碳纳米管彼此之间有很强的吸附能力，常规工艺制备的碳纳米管通常纠缠在一起，难以独立装配在器件指定位置，为其应用带来挑战。微纳电子系统需要从纳米到微米甚至宏观的跨尺度材料，单纯的碳纳米管并不能满足应用需求，需要丰富材料的尺度体系。从器件装配角度来看，还要求材料具备形态和尺度上的一致性，一维纳米材料端部形态各异，纤体随机弯曲，无法满足这一要求。

另一方面，碳纤维按原料来源可分为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维、粘胶基碳纤维、酚醛基碳纤维、气相生长碳纤维；除气相生长碳纤维外，其他类型的碳纤维，如沥青基碳纤维和聚丙烯腈基碳纤维，需要将沥青、化纤等高分子材料经纺丝、预氧化、碳化、石墨化等流程才能获得，生产流程复杂，设备性能要求高，导致其生产成本过高，纤维质量受原料的制约、性能不稳定，限制了碳纤维的应用及其相关工业的进一步发展。这类碳纤维主要用作复合材料的增强相。由于不具备形态和尺度一致的端部和管体，无法采用其个体来组装电子学器件。

气相生长碳纤维制备方法的出现，促进了碳纤维的进一步发展。常见的催化剂气相沉积法采用金属作为催化剂来制备碳纳米材料，在制备纳米碳纤维过程中引入了催化剂等杂质，又因目前碳纤维材料应用的诸多领域的很大一部分需要采用纯净的碳纤维材料才能使其性能达到最佳效果。这就需要对催化剂辅助化学气相沉积法得到的碳纤维材料进一步纯化，以去除碳纳米管中残留的催化剂颗粒，这种获得纯净碳纳米材料的主要手段提高了生产成本，收率低，同时在纯化的过程中可能导致碳纳米管的结构受损或引入新的杂质。

石墨纤维是指分子结构已石墨化、含碳量高于99%的具有层状六方晶格石墨结构的纤维。目前，应用气相沉积的方法在无催化剂条件下制备石墨纤维的方法仍未见报道，特别是制备统一具有笔直形态和半球形顶端、长度在宏观尺度的石墨纤维的方法及产品均未见报道，即使采用气相生长方法制备了宏观尺度的碳纳米管束或绳，但产品是由大量碳纳米管聚集在一起形成的，不是个体化的产品。而使用有机纤维经碳化及石墨化处理得到石墨纤维的方法，因渗碳等的工序处理，其纤维在石墨晶格完整性和石墨化方面都较低。而且这样的纤维在切割成器件所需要的长度时，个体之间顶端形态必然差异甚大，无法统一，因此不适合在真空电子学器件中应用。

发明内容

本发明提供了一种无催化剂条件下直接生长单体石墨纤维的方法，通过本方法可以获得生长方向大致平行，互不纠缠且一致具有半球形顶端的石墨纤维，便于石墨纤维的单个拾取和操纵，且利用该方法制得的石墨纤维不引入新的杂质，纯度较高。这样的石墨纤维个体用于组装真空电子学器件时可保证器件之间有一致的电子学特性，

为实现上述目的，本发明采用在无催化剂条件下，甲烷气体在高温下裂解，从而在基片上直接生长石墨纤维的方法制备石墨纤维：