[科普中国]-气相生长炭纤维

气相生长炭纤维（vapor grown carbon fiber）是指低碳烃类或氧化碳等在催化剂作用下，经高温热解而生成的纤维状炭。气相生长炭纤维就是以低碳烃为原料，用过渡金属等超微细粒子(催化剂)为晶核，在氢气及其它含氧气体中进行热解析出的纤维状炭素材料，属不规则短纤维。虽然早在一百多年前就有人观察到从气相烃生长炭纤维的现象，1889年Hugher T.V和Chambers G R在铁增锅中热解甲烷气体，制备用作电灯灯丝的炭纤维，并获得美国专利。但直到本世纪五十年代中期才引起人们的广泛注意，而大量的研究乃是近二十年的事情，主要集中在日本，美国和法国。

简介气相生长炭纤维（vapor grown carbon fiber）是指低碳烃类或氧化碳等在催化剂作用下，经高温热解而生成的纤维状炭1。

简史气相生长炭纤维就是以低碳烃为原料，用过渡金属等超微细粒子(催化剂)为晶核，在氢气及其它含氧气体中进行热解析出的纤维状炭素材料，属不规则短纤维。

虽然早在一百多年前就有人观察到从气相烃生长炭纤维的现象，1889年Hugher T.V和Chambers G R在铁增锅中热解甲烷气体，制备用作电灯灯丝的炭纤维，并获得美国专利。但直到本世纪五十年代中期才引起人们的广泛注意，而大量的研究乃是近二十年的事情，主要集中在日本，美国和法国。

日本是从事气相生长炭纤维研究最多的国家信州大学的小山恒夫教授最先研究了这种纤维此外还有长崎大学材料化学研究室、昭和电工公司以及与小山恒夫教授合作的美国麻省理工学院等也进行了气相生长炭纤维的研究与开发。研究内容包括以烃如:苯或天然气为原料、氢为载气，在载有催化剂的基板上或不锈钢管内，炭纤维生长条件对气相生长炭纤维产率和性能的影响，得到了性能良好的气相生长炭纤维，并通过对其结构分析推测生长机理，提出了不同的生长机理学说在日本又开展了以烃如:苯为主体原料，添加其它化合物，氢气和其它含氧气体为载气，过渡金属化合物为催化剂，无基极的气相流动法生长炭纤维的研究研究目标是提高炭纤维产率，采用更廉价的原料以及实现过程连续化此外还采用激光等离子体液体脉冲注射等技术进行烃热解制气相生长炭纤维的研究2。

气相生长炭纤维的制备方法气相生长炭纤维的生产方法较其它炭纤维工艺简单，原料资源丰富和成本低，制备气相生长炭纤维的方法有两种：基板播种法和气相流动法。

（1）基板播种法

基板播种法就是将催化剂和基板或预先载有催化剂微粒的基板置入反应管内适当的位置处然后在高温下将载气和烃的混合气导入，从而在基板表面析出炭纤维。

（2）气相流动法

气相流动法就是直接把催化剂、烃类化合物和氢气组成的三元混合物导入高温反应系统，从而直接由气相析出炭纤维1。

气相生长炭纤维的生长机理炭纤维的催化生长已研究许多年了。关于气相生长炭纤维的生长机理众说纷纭，无法统一。

随着研究的深入，人们对气相生长炭纤维的生长机理有了进一步了解，在基础上又提出了许多机理，如:扩散控制机理、两步生长机理、碳化物机理、三步生长机理等。

（1）扩散控制机理

该机理认为气相生长炭纤维的形成过程是:首先吸附在催化剂微粒前表面的烃热解产生表面碳原子，然后这些碳原子扩散通过催化剂微粒体，最终以类石墨结构的形式在催化剂微粒背面沉积出来，形成炭纤维在这个过程中，碳通过催化剂微粒的扩散是气相生长炭纤维生长的速度控制步骤按扩散驱动力的不同，扩散控制机理又分为温度驱动机理和浓度驱动机理。

（2）两步生长机理

该机理将气相生长炭纤维的生长过程分为纵向增长及横向增粗两个阶段这两个阶段是相互交错，不可分割的。在炭纤维形成初期，主要是纵向增长过程随着反应的进行，炭纤维的横向增粗变得越来越显著。到了后期，炭纤维的纵向增长几乎停止，这时炭纤维的生长主要为横向增粗过程。

（3）碳化物机理

碳化物机理认为:对炭纤维生长具有催化活性的催化剂是以亚稳态的中间物碳化物形式存在这里存在两种观点：体相碳化物机理和表面碳化物机理。

（4）三步生长机理

该机理将气相生长炭纤维的生长分为碳溶解、碳扩散和碳沉积三个过程首先表面反应产生的碳溶解在金属中，然后通过扩散，在石墨与金属界面处碳以石墨的形式沉积出来这就是三步生长机理的观点3。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学