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在碳纖維管的生長過程中，碳原子在催化劑顆粒中存在濃度差，與氣接觸面（即固體氣接觸面）上的碳原子濃度相對較大，而另一面（即固體碳接觸面）和附近的碳原子濃度相對較小。濃度差的存在為碳原子的擴散提供了主要的驅動力。同時，催化劑顆粒中的溫度梯度也為催化劑中碳原子的擴散提供了力源。一般來說，當物體內部有溫度梯度時，物質總是從高溫擴散到低溫。使用化學氣相沉積法合成碳纖維管時，由于碳氫化合物的裂解反應主要是放熱反應，而固體碳的沉淀是吸熱反應，催化劑與碳氫化合物接觸的一面由于碳氫化合物的裂解而升溫，另一面由于催化劑內部溫度梯度的降低。溫度梯度的存在可以加速碳纖維等材料的生長。
在利用化學氣相沉積法合成碳纖維管的過程中，碳纖維管的形成可分為兩個階段：碳纖維管的核化和生長。首先，在高溫條件下，由于微波等離子體的作用，甲烷裂解獲得的碳原子滲入并溶解在催化劑顆粒中。一段時間后，碳處于過飽和狀態，開始在催化劑的某個方向的外表面沉淀，形成石墨層，完成碳纖維管的核化過程。然后，氣相裂解產生的碳原子不斷從另一個表面滲透到附著在石墨層上的一側，從而促進碳纖維管的生長。
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