用电镜照片定量描述多壁碳纳米管的曲折状态(2)

(1)用圆周上的一段圆弧来模拟MWCNTs的曲折形貌,圆弧的弦长为计算标尺;

(2)真实状态的MWCNTs具有三维形貌,其圆弧所在平面与基准平面的夹角为 ,我们通过电镜照片所测量的MWCNTs形貌是其三维形貌在基准面上的投影(一段椭圆弧);

在进行曲折因子和计算标尺的定义之后,就可以对MWCNTs样品的曲折状态进行定量描述。但值得注意的是,TEM照片和SEM照片反映的都是

MWCNTs形貌在二维平面的投影,只是其真实三维形貌的近似,因此为了使我们对MWCNTs形貌的表征更有意义,需要根据实际情况对MWCNTs的曲折因子进行必要的修正。在三种样品中,样品1的曲折程度最大,且基本上处于!自由状态?,所以该样品在三维z方向上伸展的可能性最大;在样品2中,

图8??硅片上MWCNTs的AFM像。a:二维像;b:三维像

Fig.8??AFMimagesofMWCNTsonthesiliconwafer.a:two??dimensionimage;b:three??dimensionimage

??

??128

电子显微学报??J.Chin.Electr.Microsc.Soc.表2??MWCNTs与硅片表面夹角的概率分布

Table2??TheprobabilitydistributionofanglesbetweenMWCNTsandthesiliconwafer

第25卷

MWCNTs与硅片表面的夹角(度)

概率分布

0~233??96%

2~49??43%

4~618??87%

6~820??75%

8~107??55%

10~127??55%

12~161??89%

>160%

????(3)根据测量得到的曲折因子TF及 ,我们可还原得到三维MWCNTs的曲折因子TF# ;

(4)MWCNTs圆弧所在平面与基准平面的夹角 无法直接得到,但通过AFM观测我们得到了MWCNTs与基准面夹角的概率分布P( i),所以可认为真实的曲折因子TF#为:

TF#=

?P( )

i

%TF# i

????(5)对各个计算标尺下得到曲折因子TF都进行上述的计算,就可以得到修正后的曲折因子TF#。由于样品1、2中MWCNTs长度的均值为0??60??m,为保证样本容量,对三种MWCNTs的曲折因子进行比较时,选择最大的计算标尺为500nm。在30nm到500nm等不同的计算标尺下,分别对三种MWCNTs的曲折因子进行了测量和计算,图9中给出了这些MWCNTs在不同计算标尺下曲折因子的平均值,其中样品1的曲折因子是修正后的结果。

在0&CS&500nm的范围内,三种MWCNTs的曲折因子随着计算标尺的增加有着不同的变化趋势:样品1和样品3的计算标尺和曲折因子分别满

-4-6

足TF=1+4??75%10CS和TF=1+5??67%10CS的线性关系;而样品2的曲折因子在计算标尺等于300nm时出现了一个拐点。根据样品1和样品2曲折因子的差异,可以进一步分析引起MWCNTs形貌变化的原因。样品1和2的MWCNTs来源相同,纯化处理的方法也相同,唯一的不同点在于样品2中的MWCNTs经历了静电纺丝的过程,所以这两种MWCNTs曲折因子差异是由于不同的后处理过程所带来的。我们知道在静电纺的过程中,纺丝溶液的带电射流在高压静电场中会经历分裂、鞭动等复杂

图9??三种MWCNTs在不同计算标尺下的曲折因子。Fig.9??TFsofthethreekindsofMWCNTsatdifferentCSs.

过程,射流的直径会从几十微米迅速降至几十或几

百纳米,因此从理论上分析在这个动态过程中包含在射流中的MWCNTs也会受到较强的拉伸和取向。图9中样品1和2曲折因子的对比结果也证实了MWCNTs在静电纺过程中的确受到了拉伸的作用。这个结果还可以进一步用于研究MWCNTs与高分子基体间的相互作用,这将会对MWCNTs??高分子复合材料的制备有重要的指导意义。尽管样品1和3的计算标尺和曲折因子满足线性关系,但两个线性方程中斜率是不同的,样品1的斜率要远远大于样品2的斜率,这显然是由于制备方法不同而造成的。样品1是在聚团流化床中用CVD法制备的

图10??超长MWCNTs在较大计算标尺下的曲折因子。

Fig.10??super??larger

第2期周卫平等:用电镜照片定量描述多壁碳纳米管的曲折状态

[7]

????129

MWCNTs,它的形貌比较不规则,弯曲明显;而通过浮游法制备的阵列超长MWCNTs在0&CS&500nm基本上可以认为TF=1,但当计算标尺较大时(图

10),曲折因子也显著增大,这与图6中看到的形貌是一致的。

AnKH,KimWS,ParkYS,etal.Electrochemicalpropertiesofhigh??powersupercapacitorsusingsingle??walledcarbonnanotubeelectrodes[J].Materials,2001,11(5):387-392.

AdvancedFunctional

[8]NiuCM,SichelEK,HochR,etal.Highpowerelectrochemicalcapacitorsbasedoncarbonnanotubeelectrodes[J].AppliedPhysicsLetters,1997,70(11):1480-1482.

3??结论

本文用HRTEM和SEM观察了三种不同的MWCNTs:纳米聚团流化床反应器制备的MWCNTs、浮游法制备的超长阵列MWCNTs以及静电纺PEO

纳米纤维中的MWCNTs。并通过引入曲折因子和计算标尺两个参数,定量表征了MWCNTs的曲折程度。结果显示对于所统计的计算标尺,不同MWCNTs的曲折因子有着显著的差异,并根据它们曲折因子的差异进一步分析了处理过程、制备工艺对MWCNTs曲折形貌的影响。参考文献:

[1][2]

IijimaS.Helicalmicrotubulesofgraphiticcarbon[J].Nature,1991,354:56-58.

LiuC,FanYY,LiuM,etal.Hydrogenstorageinsinglewalledcarbonnanotubesatroomtemperature[J].Science,1999,286:1127-1129.

[3]

ChenY,ShawDT,BaiXD,etal.Hydrogenstorageinalignedcarbonnanotubes[J].AppliedPhysicsLetters,2001,78(15):2128-2130.

[4]

JiaZJ,WangZY,XuCL,etal.Studyonpoly(methylmethacrylate)??carbonnanotubecomposites[J].MaterSciEngA,1999,271(1):395-400.

[5]

DaltonAB,CollinsS,MunozE,etal.Super??toughcarbon??nanotubefibres??Theseextraordinarycompositefibrescanbewovenintoelectronictextiles[J].Nature,2003,423:703.

[6]

HafnerJH,CheungCL,LieberCM.Growthofnanotubesforprobemicroscopytips[J].Nature,1999,398:761.

[18][17][16][15][14][11][10][9]

ZhuW,BowerC,ZhouO,etal.Largecurrentdensityfromcarbonnanotubefieldemitters[J].AppliedPhysicsLetters,1999,75(6):873-875.

EbbesenTW,AuayanPM.Largescalesynthesisofcarbonnanotubes[J].Nature,1992,358:220.

GuoT,NikolaevP,ThessA,etal.Catalyticgrowthofsingle??wallednanotubesbylaservaporization[J].ChemPhysLett,1995,243(1):49-54.

[12][13]

DaiH,WongW,LuY,etal.Synthesisandcharacterizationofcarbidenanorods[J].Nature,1995,375:769-771王

,吴

,魏飞,等.碳纳米管团聚结构的电镜研究

[J].电子显微学报,2002,21(4):422-427.

胡洁,张宇军,李鹏,等.碳纳米管分散形态的电镜研究[J].电子显微学报,2003,22(5):415-419.WangY,WeiF,LuoGH,etal.Large??scaleproductionofcarbonnanotubesinanano??agglomeratefluidized??bedreactor[J].ChemPhysLett,2002,364(5):568-572.QianWZ,YuH,WeiF,etal.Synthesisofcarbonnanotubesfromliquefiedpetroleumgascontainingsulfur[J].Carbon,2002,40(15):2968-2970.

WangY,WuJ,WeiF.Atreatmentmethodtogiveseparatedmulti??walledcarbonnanotubeswithhighpurity,highcrystallizationandalargeaspectratio[J].Carbon,2003,41(15):2939-2948.

DrorY,SalalhaW,KhalfinRL,etal.Carbonnanotubesembeddedinorientedpolymernanofibersbyelectrospinning[J].Langmuir,2003,19(17):7012-7020.

????130电子显微学报??J.Chin.Electr.Microsc.Soc.第25卷

Quantitativedescriptionofthetortuosityofmulti??walled

carbonnanotubesbyelectronmicroscopyimages

ZHOUWei??ping,XIANGRong,WEIFei,LUOGuo??hua

(DepartmentofChemicalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

Abstract:Themorphologiesofcarbonnanotubes(CNTs)areinfluencedbythemethodsofpreparationandpost??treatedprocesses.InordertodescribethemorphologicalfeaturesofCNTsclearly,amethodtoquantitativelycharacterizethetortuosityofCNTshasbeendevelopedinthisworkbyintroducingtwoparameters:TortuosityFactor(TF)andCalculatingScale(CS).ThesetwoparameterswereusedtoanalyzetheimagesofMulti??WalledCarbonNanotubes(MWCNTs)takenbytheHighResolutionTransmissionElectronMicroscopy(HRTEM)andtheScanElectronMicroscopy(SEM).Usingthismethod,threedifferentkindsofMWCNTswerecharacterized,whichwereMWCNTspreparedbythecatalyticchemicalvapordeposition(CCVD)methodinanano??agglomeratefluidized??bedreactor(NAFBR),MWCNTsembeddedinelectrospunPolyEthyleneOxide(PEO)nanofibersandwell??alignedlongMWCNTspreparedbyfloatingCVDmethod,respectively.TheresultsshowthatthethreetypesofMWCNTspossessdifferentTFswithsameCS.Theinformationisveryimportantforinstructingthepreparationandpost??treatedprocessesofMWCNTsaswellasforpreparingMWCNTs??polymercomposites.

Keywords:MWCNTs;TEM;SEM;electrospun;tortuosityfactor;calculatingscale*

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