1、本文先分別以Fe、Co及Ni單/雙金屬納米顆粒為催化劑，采用催化熱解酚醛樹(shù)脂的方法制備了碳納米管，研究了溫度、催化劑種類和用量及升溫速率等對(duì)碳納米管生長(zhǎng)的影響，并采用密度泛函理論(DFT)計(jì)算了主要碳源乙烯分子（C2H4）在Fe、Co及Ni單/雙金屬納米團(tuán)簇上的帶電量和鍵長(zhǎng)變化、碳納米管生長(zhǎng)過(guò)程中的化學(xué)勢(shì)變化和碳納米管與Fe、Co及Ni單/雙金屬納米團(tuán)簇的結(jié)合能;同時(shí)采用分子動(dòng)力學(xué)(MD)計(jì)算了Fe和Ni納米團(tuán)簇的熔點(diǎn)，并依據(jù)DFT和M

2、D的計(jì)算結(jié)果，探討了實(shí)驗(yàn)條件下碳納米管的生長(zhǎng)機(jī)理。而后，又以Fe、Co及Ni納米顆粒為催化劑，分別采用常規(guī)加熱和微波加熱兩種方法催化Si粉碳化制備了碳化硅粉體，研究了溫度、催化劑種類和用量、保溫時(shí)間及硅源等對(duì)制備碳化硅粉體的影響，并依據(jù)DFT的計(jì)算結(jié)果探討了Fe、Co及Ni納米顆粒催化Si粉和SiO2轉(zhuǎn)化為SiC的機(jī)理。最后，又以Fe、Co及Ni為催化劑，采用原位催化的方法制備了碳納米管/碳化硅復(fù)合低碳MgO-C耐火材料，并研究了其常溫

3、物理性能和高溫力學(xué)性能。研究結(jié)果表明:
　　(1)以酚醛樹(shù)脂為原料，以硝酸鐵、硝酸鈷及硝酸鎳為催化劑前驅(qū)體，催化熱解酚醛樹(shù)脂制備碳納米管的最佳工藝條件為:Fe催化劑的用量為0.75～1.00wt％，靜態(tài)氬氣氛，1073～1273K熱解3h。所生成碳納米管的長(zhǎng)度可達(dá)幾十至幾百微米。DFT和MD的計(jì)算結(jié)果表明，F(xiàn)e、Co和Ni催化劑納米團(tuán)簇會(huì)向碳源C2H4分子轉(zhuǎn)移電子，促進(jìn)C2H4的分解，進(jìn)而促進(jìn)碳納米管的生長(zhǎng);在碳納米管的生成過(guò)程中

4、，最難的步驟是碳5元環(huán)的形成，之后其合成過(guò)程將自發(fā)進(jìn)行。Fe納米團(tuán)簇的熔點(diǎn)比Co及Ni高，是制備高長(zhǎng)徑比碳納米管的最佳催化劑。
　　(2)以酚醛樹(shù)脂為原料，以含F(xiàn)e、Co及Ni的雙金屬納米顆粒為催化劑，在靜態(tài)氬氣氛下，催化熱解酚醛樹(shù)脂制備碳納米管的最佳工藝條件如下:加入0.75～1.00wt％的Fe50Co50雙金屬為催化劑，1073～1273K熱解3h。所生成碳納米管的數(shù)量?jī)?yōu)于相應(yīng)的單金屬催化劑。DFT計(jì)算結(jié)果表明，F(xiàn)eCo、F

5、eNi和CoNi雙金屬催化劑均可促進(jìn)C2H4的分解，最終促進(jìn)碳納米管的生長(zhǎng)。高溫下FeCo納米催化劑催化熱解酚醛樹(shù)脂生成碳納米管的效果優(yōu)于FeNi及CoNi催化劑。
　　(3)以酚醛樹(shù)脂為碳源、硅粉為硅源，F(xiàn)e、Co及Ni納米顆粒為催化劑，常規(guī)加熱催化碳化反應(yīng)制備碳化硅超細(xì)粉體的最佳工藝條件為:1523K反應(yīng)3h，加入1.5wt％的Co或Fe為催化劑。所合成β-SiC粉體的粒徑約為100nm。催化劑的加入使硅粉完全碳化的溫度降低了

6、50～100K。β-SiC晶須的生成主要遵循固-液-氣-固生長(zhǎng)機(jī)制，晶須的直徑約為幾十納米，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)微米。
　　(4)以硅藻土代替Si粉，以酚醛樹(shù)脂為碳源，采用Fe、Co及Ni納米顆粒催化碳熱還原反應(yīng)制備碳化硅粉體的最佳工藝條件為:以1.0wt％的Fe為催化劑，1673K反應(yīng)3h，所合成β-SiC粉體的粒徑均在納米或微米級(jí)。該合成溫度比傳統(tǒng)的碳熱還原工藝至少降低了200K。DFT計(jì)算結(jié)果表明，F(xiàn)e、Co及Ni納米催化劑的存在促進(jìn)

7、了Si-O鍵的斷裂，加快了SiC的生成。
　　(5)以酚醛樹(shù)脂為碳源、硅粉為硅源，F(xiàn)e、Co及Ni納米顆粒為催化劑，微波加熱催化碳化反應(yīng)合成碳化硅納米粉體的最佳工藝條件為:加入2.0wt％的Fe為催化劑，1373K反應(yīng)0.5h。與常規(guī)加熱相比，微波加熱可使碳化硅的合成溫度降低100～150K，反應(yīng)時(shí)間縮短2.5h。Fe納米顆粒的催化效果優(yōu)于Co和Ni。DFT計(jì)算結(jié)果表明，F(xiàn)e、Co及Ni納米顆粒催化劑首先會(huì)與Si形成合金，進(jìn)而促進(jìn)

8、Si粉的解離;另外，催化劑的加入也促進(jìn)了C原子在Si粉上的吸附。DFT的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全吻合。
　　(6)以摻入Fe、Co及Ni催化劑的酚醛樹(shù)脂為結(jié)合劑，以不同粒度的氧化鎂顆粒、硅粉及鱗片石墨為原料，在氬氣氣氛下，原位催化熱解酚醛樹(shù)脂制備了碳納米管/碳化硅復(fù)合低碳MgO-C耐火材料。催化劑Fe的引入促進(jìn)了碳納米管和碳化硅晶須的生成，顯著地提高了耐火材料的力學(xué)性能。當(dāng)Fe催化劑的加入量為0.50wt％時(shí)，試樣的抗折強(qiáng)度和耐壓強(qiáng)