【摘要】：高導(dǎo)電碳膜具有廣泛的應(yīng)用前景,特別是用于電熱器件、儲(chǔ)能器件以及太陽能電池等領(lǐng)域。目前高導(dǎo)電碳膜的研究主要在石墨烯薄膜和石墨炔薄膜,但結(jié)構(gòu)良好、性能優(yōu)異的石墨烯和石墨炔薄膜所需的制備工藝復(fù)雜、條件苛刻、生產(chǎn)成本和設(shè)備成本較高,難以廣泛的用于工業(yè)生產(chǎn)。因此尋求廉價(jià)的碳源與簡(jiǎn)單的方法制備高導(dǎo)電碳膜是十分必要的。本文采用高溫煤焦油為碳源,石英玻璃片為反應(yīng)基底,在不同工藝參數(shù)下成功制備了不同導(dǎo)電能力的碳膜材料,并探究了碳膜的制備工藝參數(shù)對(duì)碳膜結(jié)構(gòu)和性能的影響,揭示了煤焦油基碳膜結(jié)構(gòu)和其導(dǎo)電性能、電熱性能間的關(guān)系。最后又采用芳烴化合物和雜原子化合物為碳源制備碳膜,探究了煤焦油中的不同組分對(duì)碳膜結(jié)構(gòu)和性能的影響。通過對(duì)煤焦油基碳膜的性能表征發(fā)現(xiàn),碳化時(shí)間、煤焦油添加量和碳化溫度的變化均會(huì)影響碳膜的導(dǎo)電性能和電熱性能,并可通過改變制備參數(shù)(如碳化時(shí)間、碳化溫度以及煤焦油添加量等)來達(dá)到碳膜的可控制備。延長(zhǎng)碳化時(shí)間可有效降低碳膜的電阻率和方塊電阻,提高碳膜的電熱性能,電阻率從1.34×10~(-3)Ohm·cm降低到6.96×10~-44 Ohm·cm,方塊電阻從1312.7 Ohm/sq降低到793.0Ohm/sq,碳膜在30 V的最高發(fā)熱溫度能達(dá)到88.9 ~oC。提高煤焦油煤焦油添加量同樣會(huì)改變碳膜的電阻率和方塊電阻,其中碳膜電阻率隨煤焦油添加量的提高而先增加再降低,最低為6.42×10~-44 Ohm·cm;碳膜的方塊電阻和電熱性能均隨著煤焦油添加量的增加而降低,碳膜在30 V下的最高發(fā)熱溫度可達(dá)174 ~oC,而方塊電阻從793.0 Ohm/sq降低至108.2 Ohm/sq。碳化溫度是影響碳膜導(dǎo)電性能的最主要的因素之一,提高碳化溫度可顯著降低碳膜的電阻率和方塊電阻并提高電熱性能,電阻率從700 ~oC下的8.9×10~-22 Ohm·cm顯著降低至1100 ~oC下的7.07×10~(-4)Ohm·cm,而方塊電阻從1.07×10~5Ohm/sq降低至296.1 Ohm/sq,碳膜在30 V下的最高發(fā)熱溫度可達(dá)127 ~oC。通過對(duì)煤焦油基碳膜的結(jié)構(gòu)表征發(fā)現(xiàn),改變碳膜的制備參數(shù),可影響碳膜的石墨化程度,改變碳膜中的載流子濃度和遷移率的大小。實(shí)驗(yàn)中所制備的碳膜的載流子濃度較大,均在10~(21)-10~(22)/cm~3范圍內(nèi);而遷移率較小,一般小于1 cm~2/Vs。隨著碳化時(shí)間的增加,碳膜中的載流子濃度逐漸增加,最高為4.6×10~(22)/cm~3,而載流子遷移率卻隨之降低,最低為0.17 cm~2/Vs。改變煤焦油添加量同樣會(huì)改變碳膜的石墨化程度和載流子濃度及其遷移率的大小,但并沒有呈現(xiàn)明確的變化規(guī)律。提高碳化溫度可顯著提高碳膜的石墨化程度,增強(qiáng)碳膜的導(dǎo)電性能,但其載流子濃度及其遷移率的變化同樣沒有明確的變化規(guī)律。通過對(duì)不同碳源制備的碳膜的性能和結(jié)構(gòu)表征發(fā)現(xiàn),碳源的種類對(duì)碳膜的導(dǎo)電性和電熱性質(zhì)有很大的影響。芳烴基碳膜的電阻率和方塊電阻均低于煤焦油基碳膜,其中萘基碳膜的導(dǎo)電性能和電熱性質(zhì)最好,其電阻率和方塊電阻分別為6.4×10~-44 Ohm·cm和43.4 Ohm/sq,碳膜在30 V下的最大發(fā)熱溫度超過300 ~oC;雜原子化合物基碳膜中,對(duì)羥基聯(lián)苯基碳膜的電阻率略小于煤焦油基碳膜,而吡啶基和苯并噻吩基碳膜的電阻率均高于煤焦油基碳膜。雜原子的種類對(duì)碳膜的導(dǎo)電性能具有不同的影響,向甲苯中加入氧元素可降低碳膜的電阻率,而加入氮、硫元素則會(huì)提高碳膜的電阻率。不同結(jié)構(gòu)的碳源會(huì)影響碳膜的石墨化程度,改變碳膜中載流子的濃度和遷移率。而雜原子的存在會(huì)增加碳膜的載流子濃度(均大于1×10~-44 Ohm·cm),但同時(shí)會(huì)降低碳膜的載流子遷移率(均小于1 cm~2/Vs)。
【圖文】：

材料的種類與應(yīng)用用特定的方法在襯底表面生長(zhǎng)出薄層固態(tài)物質(zhì)，當(dāng)薄層固態(tài)物質(zhì)的的長(zhǎng)、寬尺寸時(shí)，一般將這樣的薄層固態(tài)物質(zhì)稱為膜。薄膜材料通料厚度有著較高要求的行業(yè)，，如微電子行業(yè)等。這些行業(yè)不僅對(duì)材有著較高的要求外，還需要材料的厚度有著嚴(yán)苛的要求。碳膜材料中的一種，由于碳原子的獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)[1]，使其在成鍵時(shí)會(huì)發(fā)生化方式[2, 3]，這使得碳元素具有許多的同素異形體。同時(shí)，雜化方致了碳膜材料具有諸多優(yōu)異的性能，使其可應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。碳具同素異形體，使得碳膜材料也多種多樣，如石墨烯膜、石墨炔膜、膜等等。這里將詳細(xì)介紹石墨烯膜、石墨炔膜和非晶態(tài)碳膜這三種、性能以及在不同領(lǐng)域的應(yīng)用情況。墨烯膜烯的結(jié)構(gòu)

煤焦油基碳膜的可控制備及其電性能研究圖 1-1 所示[5]。石墨烯可通過卷曲的方式形成具有一定富勒烯；也可通過彎曲的方式形成具有中空結(jié)構(gòu)的碳納的范德華力和π-π相互作用而相互疊加形成石墨。中碳原子存在三個(gè)完全相同的 sp2雜化軌道，可與相鄰“頭碰頭”的方式形成 C-C 鍵。剩下的 2pz軌道則可與肩并肩”的方式重疊形成大π共軛平面[6]，其能帶結(jié)構(gòu)如獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)以及雜化方式，導(dǎo)致其同時(shí)具有許多性能（石墨烯具有彈性、強(qiáng)度和一定的柔韌性）[8, 9]、30 Ohm/sq）[10]、光學(xué)性能（透光率高達(dá) 97.7%）[11, 12]、5000 W/mK）[13]、超高的載流子遷移率（2.5×105cm2/Vs
【學(xué)位授予單位】：安徽工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TQ127.11;TB383.2

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