碳纳米纤维

碳纳米纤维(CNF)、气相生长碳纤维(VGCF)或气相生长碳纳米纤维(VGCNF)是圆柱形纳米结构，石墨烯层排列为堆叠的圆锥、杯或板。石墨烯层包裹成完美圆柱体的碳纳米纤维称为碳纳米管。

碳具有高度的化学键合灵活性，这有助于形成许多稳定的有机和无机分子。元素碳具有许多同素异形体（变体），包括金刚石、石墨和富勒烯。虽然它们都由元素碳组成，但它们的性质差异很大。这强调了CNF的多功能性，其以热、电、电磁屏蔽和机械性能增强而著称。由于碳很容易以低成本获得，因此CNF是复合材料的常用添加剂。CNF非常小，存在于纳米尺度。原子介于0.1-0.5nm之间，因此需要专门的显微技术，例如扫描隧道显微镜和原子力显微镜来检查CNF的特性。

催化化学气相沉积(CCVD)或具有热和等离子体辅助等变体的简单CVD是制造VGCF和VGCNF的主要商业技术。在这里，气相分子在高温下分解，碳在过渡金属催化剂的存在下沉积在基材上，随后在催化剂颗粒周围实现纤维的生长。通常，该过程涉及单独的阶段，例如气体分解、碳沉积、纤维生长、纤维增稠、石墨化和提纯，并产生中空纤维。纳米纤维直径取决于催化剂尺寸。用于制造VGCF的CVD工艺通常分为两类：1)固定催化剂工艺（间歇式），和2)浮动催化剂工艺（连续式）。

在Tibbetts开发的批处理过程中，烃/氢/氦的混合物通过保持在1000°C的细铁催化剂颗粒沉积物的富铝红柱石（结晶硅酸铝）。使用的烃是浓度为15体积％的甲烷。在20秒的气体停留时间下，仅需10分钟即可实现几厘米的纤维生长。一般来说，纤维长度可以通过反应器中的气体停留时间来控制。气流的重力和方向通常会影响纤维生长的方向。

连续或浮动催化剂工艺较早由Koyama和Endo获得专利，后来由Hatano及其同事修改。这个过程通常产生具有亚微米直径和几到100µm长度的VGCF，这符合碳纳米纤维的定义。他们利用溶解在苯等挥发性溶剂中的有机金属化合物，当温度升至1100°C时，会在碳氢化合物气体中产生超细催化剂颗粒（直径5-25nm）的混合物。在熔炉中，纤维在催化剂颗粒表面开始生长，并持续到催化剂因系统中的杂质而中毒。在Baker及其同事描述的纤维生长机制中，只有暴露在气体混合物中的催化剂颗粒部分有助于纤维的生长，一旦暴露的部分被覆盖，生长就会停止，即催化剂中毒。催化剂颗粒以大约百万分之几的最终浓度埋在纤维的生长尖端中。在这个阶段，发生了纤维增稠。

最常用的催化剂是铁，通常用硫、硫化氢等处理，以降低熔点并促进其渗透到碳的孔隙中，从而产生更多的生长位点。Fe/Ni、Ni、Co、Mn、Cu、V、Cr、Mo、Pd、MgO和Al2O3也用作催化剂。乙炔、乙烯、甲烷、天然气和苯是最常用的含碳气体。通常是一氧化碳(CO)被引入气流中，以通过还原系统中可能的铁氧化物来增加碳产率。

2017年，清华大学的一个研究小组报道了从碳纳米管模板中定向、连续、无催化剂的碳纳米纤维的外延生长。制造过程包括通过气相热解碳沉积加厚连续的碳纳米管薄膜，并通过高温处理进一步使碳层石墨化。由于外延生长机制，该纤维具有优异的性能，包括低密度、高机械强度、高导电性、高导热性。

在2013年毒理学会年度会议之前进行的另一项研究旨在确定与多壁碳纳米管(MWCNT)相关的潜在致癌作用。研究结果表明，在引发剂化学物质存在的情况下，MWCNTs在小鼠中引起了更高的肿瘤发病率。然而，没有迹象表明在没有引发剂化学物质的情况下肿瘤的存在增加。这种情况需要进一步研究。

识别与CNF相关的危害的主要障碍之一是存在的纤维的多样性。造成这种多样性的一些因素包括形状、大小和化学成分。一项暴露标准(2015)规定，CNT和CNF暴露的可接受限值为1μg/m3的可吸入尺寸分数元素碳（8小时时间加权平均值）。该标准基于从通过透射电子显微镜(TEM)分析样品的14个地点收集的信息。

最近的安全数据表(SDS)forCNF（2016年修订）将纳米纤维列为眼睛刺激物，并指出它们具有单次接触呼吸系统器官毒性。较小的CNF在处理时具有更大的形成尘云的可能性。因此，在处理CNF时必须非常小心。推荐用于处理CNF的个人防护设备(PPE)包括丁腈手套、防颗粒物呼吸器和纳米材料防渗服（取决于工作场所条件）。除了在使用CNF时进行暴露控制外，安全的储存条件对于xxx限度地降低与CNF相关的风险也很重要。安全的CNF储存需要将纤维储存在远离氧化剂和明火的地方。在火灾条件下，CNF会形成危险的分解产物，尽管这些分解产物的确切性质目前尚不清楚。

• 研究人员正在使用纳米纤维来提供治疗药物。他们开发了一种嵌入针状碳纳米纤维的弹性材料。该材料旨在用作气球，将其插入下一个患病组织，然后充气。当气球对碳充气时，纳米纤维会穿透患病细胞并输送治疗药物。麻省理工学院的研究人员使用碳纳米纤维制造锂离子电池电极，其存储容量是当前锂离子电池的四倍。研究人员正在使用纳米纤维制造可在吸收化学蒸汽时改变颜色的传感器。他们计划使用这些传感器来显示防毒面具中的吸收材料何时饱和。
• 这些多孔碳纳米纤维的独特结构在用作可充电锂离子电池的负极时，具有良好的电化学性能，例如高可逆容量和良好的循环稳定性。
• 进一步的市场发展将取决于价格合理的材料供应情况。我们通过催化化学气相沉积(CCVD)工艺以低成本实现了高纯度碳纳米纤维(CNF)的批量生产能力。
• 与催化合成不同，静电纺丝聚丙烯腈（PAN）随后稳定化和碳化已成为制造连续碳纳米纤维的直接便捷途径。
• 场电子发射源
  • 场电子发射（也称为场发射(FE)和电子场发射）是由静电场感应的电子发射。最常见的情况是从固体表面到真空的场发射。然而，场发射可以从固体或液体表面发生到真空、空气、流体或任何非导电或弱导电电介质中。电子从半导体的价带到导带的场致促进（齐纳效应）也可以看作是场发射的一种形式。
• 复合材料
• 扫描探针显微镜提示
  • 扫描探针显微镜(SPM)是显微镜的一个分支，它使用扫描样本的物理探针形成表面图像。
• 石油化工中各种催化剂的载体材料
• 在垂直排列的阵列中，基因传递的平台。（见穿孔）
  • Impalefection是一种使用纳米材料（如碳纳米纤维、碳纳米管、纳米线）进行基因传递的方法。针状纳米结构垂直于基底表面合成。用于细胞内递送的含有基因的质粒DNA附着在纳米结构表面。然后将带有这些针阵列的芯片压在细胞或组织上。被纳米结构刺穿的细胞可以表达所传递的基因。
• 用于电极材料
• 溢油修复
  • 溢油修复：碳-碳-复合材料的制造方法包括用含金属催化剂材料处理碳质载体材料的步骤。该金属能够形成纳米级碳结构，并且能够通过化学气相沉积方法在包含含碳气体的气体气氛中在处理过的载体上生长纳米级碳结构，随后是可选的表面改性步骤。该过程允许优化孔隙率、流体动力学性质和表面化学，彼此独立，这对于使用复合材料进行水净化特别有益。炭黑基复合材料特别适用于填料应用。