碳纳米管的应用 王峥.docx

成控0802班碳纳米管材料及其应用王峥080201040碳纳米管的应用成控0802班 王峥 0802010401991 年日本 NEC 公司的饭岛纯雄首次利用电子显微镜观察到中空碳纤维，直径一般在几纳米到几十个纳米之间，长度为数微米，甚至毫米，称为“碳纳米管”。从此便引发了碳纳米管研究的热潮和近十几年来碳纳米管科学和技术的飞速发展纳米材料概述： 纳米材料:指晶粒尺寸为纳米级(10-9 米)的超细材料。从材料的结构单元层次来说，它处于宏观物质和微观原子、分子之间的介观领域。在纳米材料中，界面原子占极大比例，而且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。纳米科学技术：研究在千万分之一米(10-8)到亿分之一米(10-9 米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问；同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工又被称为纳米技术。 2 .纳米材料的特性: 科学技术常常会有认识上的盲区或人类知识大厦上的裂缝裂缝的一边是以原子、分子为主体的微观世界，另一岸是人类活动的宏观世界。两个世界之间不是直接而简单的联结，存在一个过渡区域纳米尺度,而这个“年轻的”世界，有一些不可思议的奇妙性质。a .纳米材料的表面效应: 纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化；b .纳米材料的体积效应： 体积效应中的典型例子是久保理论。其是针对金属纳米粒子费米面附近电子能级状态分布而提出的。该理论把金属纳米粒子靠近费米面附近的电子状态看作是受尺寸限制的简并电子态，并进一步假设它们的能级为准粒子态的不连续能级，并认为相邻电子能级间距和金属纳米粒子的直径 d 的关系为:=4EF/3N V-1 1/d（其中 N 为一个金属纳米粒子的总导电电子数，V 为纳米粒子的体积；EF 为费米能级）。 随着纳米粒子的直径减小，能级间隔增大，电子移动困难，电阻率增大，从而使能隙变宽，金属导体将变为绝缘体。 c .纳米材料的量子尺寸效应： 当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散能级；并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级，使得能隙变宽的现象，被称为纳米材料的量子尺寸效应。在纳米粒子中处于分立的量子化能级中的电子的波动性带来了纳米粒子的一系列特殊性质，如高的光学非线性，特异的催化和光催化性质等。当纳米粒子的尺寸与光波波长，德布罗意波长，超导态的相干长度或与磁场穿透深度相当或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常。 3纳米材料的分类： a.按结构： 零维纳米材料：量子点纳米粒子一维纳米材料：如纳米线(量子线)、纳米管二维纳米材料：薄层纳米孔材料：如介孔分子筛b.按组成： 金属纳米材料半导体纳米材料有机和高分子纳米材料复合纳米材料等4碳纳米管概述： 碳纳米管(Carbon nanotubes,CNTs)是 1991 年才被发现的一种碳结构,它是石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状纤维，内部是空的，外部直径只有几到几十纳米。理想碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体，这样的材料很轻，但很结实。它的密度是钢的 1/6，而强度却是钢的 100 倍。 5碳纳米管历史与发展： 人们公认的观点认为，纳米科学技术思想的来源是理查德费曼，他被看作爱因斯坦之后最杰出的量子物理学家，在 1959 年的美国物理学年会上发表的一篇演讲：底部有很大空间。1991 年，理论上预计了碳纳米管具有许多的奇特电学性能，几乎同时 NEC 公司 S Iijima在高分辨电子显微镜下观察采用电弧法制备的富勒烯中发现了一种管状结构，经过研究表明它们是同轴多层富勒管，被称为多壁碳纳米管，随后 NEC 公司的 TW Ebbesen 和 PM Ajayan找到大量制备多壁碳纳米管（MWNT）方法。1993 年 S. Iijima 和 IBM 公司的研究小组同时报道观察到了单壁碳纳米管（SWNTs）。在 SWNTs 的物理性质的研究开始于 1995 年，Rice 大学的 Richard Smalley 研究小组发现激光蒸发方法可以得到极高产率的 SWNTs。此后，法国Montpellier 大学的 Bernier 研究小组采用电弧法也可以得到高产率的 SWNTs。1998 年，中国科学院金属研究所成会明研究小组采用催化热解碳氢化合物的方法也得到较高产率的SWNTs。6碳纳米管的制法： a.综述： 碳纳米管主要制备法方法有电弧法、热解法和激光刻蚀法。其中电弧法（与Wolfgang-Kratschmer 法制备富勒烯类似）为在惰性气体气氛中，两根石墨电极直流放电，阴极上产生碳纳米管。热解法就是采用过渡金属作催化剂，7001600K 的条件下，通过碳氢化合物的分解得到碳纳米管。激光刻蚀法采用激光刻蚀高温炉中的石墨靶子，碳纳米管就存在于惰性气体夹带的石墨蒸发产物中。碳纳米管的形成过程游离态的碳原子或者碳原子团，发生重新排布的过程。制备 SWNT 时，必须添加一定数量的催化剂，如过渡元素（Ni、Co、Fe 等），或者镧系元素（Ld、Nd、La、Y 等），或者它们的混合物。催化剂在 SWNTs 的生长过程中，能够降低弯曲应力，促进碳原子排列整齐并且阻止 SWNTs 两端的富勒烯分子的形成。得到的碳纳米管的直径和直径分布主要取决于制备方法、催化剂的种类、生长温度等反应条件。7碳纳米管的分类： 根据碳纳米管管壁中碳原子层的数目被分为单壁和多壁碳纳米管。a.单壁碳纳米管（SWNTs）： 石墨烯的片层一般可以从一层到上百层，含有一层石墨烯片层的称为单壁纳米碳管(Single walled carbon nanotube,SWNT)。SWNT 的直径一般为 16 nm，最小直径大约为 0.5 nm，与 C36 分子的直径相当, 但 SWNT 的直径大于 6nm 以后特别不稳定，会发生 SWNT 管的塌陷，长度则可达几百纳米到几个微米。因为 SWNT 的最小直径与富勒烯分子类似，故也有人称其为巴基管或富勒管。b .多壁碳纳米管（MWNT）： 多壁碳纳米管（Multi-walled nanotubes, MWNTs）：含有多层石墨烯片。形状象个同轴电缆。其层数从 250 不等，层间距为 0.340.01nm，与石墨层间距(0.34nm)相当。多壁管的典型直径和长度分别为 230nm 和 0.150m。 多壁管在开始形成的时候，层与层之间很容易成为陷阱中心而捕获各种缺陷，因而多壁管的管壁上通常布满小洞样的缺陷。8.碳纳米管的物理性质：、 高的机械强度和弹性。 强度100 倍的钢，密度1/6 倍的钢优良的导体和半导体特性（量子限域所致）高的比表面积强的吸附性能 优良的光学特性发光强度随发射电流的增大而增强应用层次上的研究：1. 纳米科技新热点、新发现及前景预测： 材料和制备 ：在纳米尺度上，通过精确地控制尺寸和成分来合成材料单元，制备更轻、更强和可设计的材料，同时具有长寿命和低维修费用的特点。 微电子和计算机技术：纳米结构的微处理器的效率提高 1 兆倍，并实现太比特的存储器(提高 1000 倍)；研制集成纳米传感器系统。环境和能源 ：发展绿色能源和环境处理技术，减少污染和恢复被破坏的环境.如把孔径 lnm 的纳孔材料作为催化剂的载体，成倍的提高太阳能电池的能量转换效率；将有序纳米孔材料和纳米膜材料(孔径 l0l00nm)用来消除水和空气中的污染等。医学与健康 :纳米级粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后，可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织；在人工器官外面涂上纳米粒子可预防移植后的排斥反应；应用纳米传感器系统进行疾病的早期诊断。生物技术 :在纳米尺度上按照预定的对称性和排列制备具有生物活性的蛋白质、核糖核酸等，在纳米材料和器件中植入生物材料使其兼具生物功能和其他功能，生物仿生化学药品和生物可降解材料；动植物的基因改善和治疗，测定 DNA 的基因芯片等。航天和航空 :纳米器件在航空航天领域的应用，不仅是增加有效载荷，更重要的是使耗能指标成指数倍的降低。这方面的研究内容还包括：研制低能耗、抗辐照、高性能计算机；微型航天器用纳米集成的测试、控制电子设备；抗热障、耐磨损的纳米结构涂层材料。国家安全 :由于纳米技术对经济社会的广泛渗透性，拥有纳米技术知识产权和广泛应用这些技术的国家，将在国家经济安全和国防安全方面处于有利地位。通过先进的纳米电子器件在信息控制方面的应用，将使军队在预警、导弹拦截等领域快速反应；通过纳米机械学，微小机器人的应用，将提高部队的灵活性和增加战斗的有效性；用纳米和微米机械设备控制，国家核防卫系统的性能将大幅度提高；通过纳米材料技术的应用，可使武器装备的耐腐蚀、吸波性和隐蔽性大大提高，可用于舰船、潜艇和战斗机等。 2.碳纳米管的潜在应用： a.综述： 碳纳米管具有奇异的物理化学性能，如独特的金属或半导体导电性、极高的机械强度、储氢能力、吸附能力和较强的微波吸收能力等，90 年代初一经发现即刻受到物理、化学和材料科学界以及高新技术产业部门的极大重视。应用研究表明，碳纳米管可用于多种高科技领域。如用它作为增强剂和导电剂可制造性能优良的汽车防护件；用它作催化剂载体可显著提高催化剂的活性和选择性；碳纳米管较强的微波吸收性能，使它可作为吸收剂制备隐形材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料等。碳纳米管还是一种优良的构材料，世界各国均在制备和应用方面投入大量的研究开发力量，期望能占领该技术领域的制高点。 碳纳米管电导性质的应用： 碳纳米管的直径一般为几纳米至几十纳米，长度为几至几十微米。碳纳米管的直径和长度以及结构随不同的制备方法及条件的变化而不同，从而影响到碳纳米管的物理性质。如碳纳米管可以因直径或手性的不同而呈现很好的金属导电性(椅型碳管)或半导体性。而在小直径的纳米碳管中量子效应尤为明显，作为典型的一维量子输运材料，用具有金属性的单层碳纳米管制成的三极管在低温下表现出典型的库仑阻塞和量子电导效应。碳原子经过稍微诱导，即可自动排列成与原子尺度上的镀锌铁丝网圆筒相似的管状结构。这种单层碳纳米管是已知最坚固的物质之一，能像导线中的金属或硅片中的半导体那样导电，甚至能做到导电时没有电阻。根据这些性质碳纳米管既可作为最细的导线被用在纳米电子学器件中，也可以被制成新一代的量子器件。实验中已经发现 SWNTs 是真正的量子导线。与此同时，通过理论计算表明如果把一根具有金属性的 SWNT 和一根具有半导体性的 SW