碳纳米管介绍

1、吕岩Carbon Nanotubes碳纳米管简介及其分类碳纳米管的性能碳纳米管的制备方法碳纳米管的应用一.二.三.四.一.碳纳米管简介 又叫巴基管，碳的同素异形体 由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的无缝、中空纳米管单壁碳纳米管多壁碳纳米管碳纳米管的结构碳纳米管的结构与金刚石、石墨、富勒烯一样，是碳的一种同素异形体 。它是一种管状的碳分子，管上每个碳原子采取sp2杂化，相互之间以碳-碳键结合起来。碳纳米管材料构http:/www.ppthi-碳纳米管于1991年由日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛澄男首先发现。他在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时

2、，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子，这就是今天被广泛关注的碳纳米管。碳纳米管的发现实际制备的碳纳米管的管身并不完全是平直或均匀的，有时会出现各种结构，如弯曲、分叉、螺旋等。这些结构的出现多是由于碳六边形网格中引入了碳五边形和碳七变形所致。碳五边形引起正弯曲，碳七边形引起负弯曲。碳纳米管的分类变径型洋葱型海胆型竹节型念珠型纺锤型其他异型普通封口型螺旋型1）单壁碳纳米管（Single-walled nanotubes, SWNTs）：由一层石墨烯片组成。单壁管典型的直径和长度分别为 0.753nm和150m。又称富勒管(Fullerenes tubes)。 2）多壁碳纳米管（Multi-w

3、alled nanotubes, MWNTs）：为由不同直径的单壁碳纳米管套构而成。 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230 nm和 0.150m。 单壁碳纳米管多壁碳纳米管根据构成单壁碳纳米管的石墨层片的螺旋性，可以将单壁碳纳米管分为：非手性型（对称）手性型（不对称）扶手椅型锯齿型12定向碳纳米管 非定向碳纳米管 12二.碳纳米管材料的性能碳纳米管主要的性能可以从五个方面说明力学性能力学性能其他性能其他性能电学性能电学性能储氢性能储氢性能热学性能热学性能碳纳米管材料的性能 力学性能力学性能

4、金刚石是我们所知道的自然界中金刚石是我们所知道的自然界中最为坚硬的物质。而作为金刚石的同最为坚硬的物质。而作为金刚石的同素异形体，碳纳米管具有良好的力学素异形体，碳纳米管具有良好的力学性能。性能。硬度硬度：碳碳- -碳共价键碳共价键是自然界中最稳定是自然界中最稳定的化学键，而碳纳米管的强度接近于的化学键，而碳纳米管的强度接近于碳碳- -碳键的碳键的强度，强度，因此单壁碳纳米管的因此单壁碳纳米管的抗拉强度达到抗拉强度达到5050200GPa200GPa，杨氏模量，杨氏模量与金刚石相当，强度是钢的与金刚石相当，强度是钢的100 100 倍。倍。碳纳米管材料的性能 力学性能力学性能弹性弹性：与金刚石

5、的三维结构不同，碳：与金刚石的三维结构不同，碳纳米管作为一维纳米材料可弯可拉具纳米管作为一维纳米材料可弯可拉具有有相当好的相当好的弹性弹性。实验。实验表明碳纳米管表明碳纳米管在拉升达原来长度的在拉升达原来长度的136%136%时仍时仍 然可以然可以恢复到原来的恢复到原来的样子。样子。而且即使受到了而且即使受到了很大的外加应力，碳纳米管也不会发很大的外加应力，碳纳米管也不会发生脆性断裂生脆性断裂 。碳纳米管材料的性能 电学性能电学性能 碳纳米管在电学性能上也有很碳纳米管在电学性能上也有很大的大的发展空间发展空间。 实验表明不同类型的碳纳米管，实验表明不同类型的碳纳米管，导电性能也不相同，例如，单

6、壁纳米管导电性能也不相同，例如，单壁纳米管总是总是金属性金属性的的，手性，手性形纳米管中则部分形纳米管中则部分为半导体性，部分为金属性为半导体性，部分为金属性的。的。 有报道说有报道说HuangHuang通过计算认为直通过计算认为直径为径为0.7nm0.7nm的碳纳米管具有超导性，尽的碳纳米管具有超导性，尽管其超导转变温度只有管其超导转变温度只有1.51.510-4K10-4K，但，但是预示着碳纳米管在是预示着碳纳米管在超导领域超导领域的应用前的应用前景。景。二.碳纳米管材料的性能 热学性能热学性能 碳纳米管具有良好的碳纳米管具有良好的传热性能传热性能，由于是一维材料，其在径向上的导热由于是一

7、维材料，其在径向上的导热性能优越，我们甚至可以在性能优越，我们甚至可以在复合材料复合材料中掺杂中掺杂微量的碳纳米管微量的碳纳米管 , ,使得复合材使得复合材料的热导率得到很大的改善。料的热导率得到很大的改善。碳纳米管材料的性能 储氢性能储氢性能 碳纳米管具有比较大的表面积，碳纳米管具有比较大的表面积，且具有且具有大量的微孔大量的微孔，其储氢量远远大，其储氢量远远大于传统材料的储氢量，因此被认为是于传统材料的储氢量，因此被认为是良好的存储材料。良好的存储材料。 其他性能其他性能 碳纳米管还具有碳纳米管还具有光学和毛细光学和毛细，化学等其他良好的性能，也正是这些化学等其他良好的性能，也正是这些特性

8、使得碳纳米管成为许多新材料的特性使得碳纳米管成为许多新材料的基础。基础。CNTs的制备方法有多种，主要有：l电弧法l激光蒸发法l化学气相沉积法l燃烧火焰法l电解法通过各种外加能量，将碳源分解为原子或离子形式，然后在凝聚就可以得到这种碳的一维结构。三.碳纳米管的制备方法主要工艺：在真空容器中充满一定压力的惰性气体或氢气，以掺有催化剂(金属镍、钴、铁等) 的石墨为电极，在电弧放电的过程中，两石墨电极间总保持一定的间隙。阳极石墨被蒸发消耗，同时在阴极石墨上沉积碳纳米管，从而生产出碳纳米管。1.电弧法（Arc Discharge Methods）优缺点：电弧法的特点是简单快速, 制得的碳纳米管管直,

9、结晶度高,但产量不高,阴极上除了碳纳米管还沉积有富勒烯、石墨颗粒、无定形碳和其他形式的炭颗粒。而且由于电弧温度高达30003700 , 形成的碳纳米管会被烧结成一体,烧结成束, 束中还存在很多非晶碳杂质, 造成较多的缺陷。电弧法目前主要用于生产单壁碳纳米管。选择合适的催化剂组合与含量, 是电弧法制备单壁碳纳米管研究的主要方向之一。在一长条石英管中间放置一根金属催化剂/石墨混合的石墨靶，该管则置于一加热炉内。当炉温升至一定温度时，将惰性气体充入管内，并将一束激光聚焦于石墨靶上。在激光照射下生成气态碳，这些气态碳和催化剂粒子被气流从高温区带向低温区时，在催化剂的作用下生长成碳纳米管。激光蒸发法制备

10、碳纳米管的装置2.激光蒸发法(Laser Ablation)激光蒸发法是一种简单有效的制备碳纳米管的新方法。与电弧法相比，前者用电弧放电的方式产生高温，后者则用激光蒸发产生高温。得到的碳纳米管的形态与电弧法得到的相似，但碳纳米管质量更高，并无无定形碳出现。这种方法易于连续生产，但制备出的碳纳米管的纯度低，易缠结，且需要昂贵的激光器，耗费大。LA制备的SWNT束的TEM照片Science 273 , 483487(1996)3.化学气相沉积法（CVD） 化学气相沉积法又名催化裂解法, 其原理是通过烃类(如甲烷、乙烯、丙烯和苯等) 或含碳氧化物(如CO) 在催化剂的催化下裂解为碳原子，碳原子在催化

11、剂作用下，附着在催化剂微粒表面上形成碳纳米管。此法特点：操作简单, 工艺参数更易控制，生长温度相对较低，成本低，产量大，可规模化生产。但由于其制备的碳纳米管含有许多杂质,且碳纳米管缠绕成微米级大团，需要进一步纯化和分散处理。四.碳纳米管的应用由于碳纳米管具有极好的力学性能，因此将其用作复合材料的增强体，能有效提高金属、高分子聚合物或陶瓷基体的力学性能。利用碳纳米管极好的导电特性、电致发光等其他性能，可制备功能复合材料。可将其用作防静电材料，这种导电性碳纳米管复合材料有望用于汽车车体上。另外，经化学修饰的碳纳米管衍生物与聚合物共混纺制碳纳米管复合纤维，其不仅具有导电或抗静电性，还具有高的强度和模

12、量，该类复合纤维可望应用于轻便且刀枪不入的装甲和防弹背心或服装材料。复合材料这种新型碳纳米管“橡胶”其实是一种名为粘弹性物质传统材料。这种材料无论被怎样扭曲、拉伸，弯曲，甚至被穿透，到最后都会恢复到原始状态。它能抗低温，耐高温。 任何极端温度下都不会损坏的特殊的“钢筋铁骨橡胶”纳米级直径，高的长径比，高的机械柔软性、电子稳定性。分辨率高，探测深度深，可进行狭缝和深层次探测扫描隧道显微镜和原子力显微镜针尖对碳纳米管的端部有选择性地进行化学修饰，可以进一步拓展显微镜在蛋白质、生物大分子结构和表征中的应用。碳纳米管已被证明是一种常温常压下的新型化学传感器。其原理是电子施主（如NO2、O2等）和电子受

13、主（如NH3）分子在碳纳米管上的吸附导致碳纳米管导电性能的变化。通过这种效应，可以探测这些气体在某些环境中的含量。这种传感器响应速度快，灵敏度要远远高于现有室温下的探测器（较常规高1000倍），经过加温或在大气气氛中存放一定时间可使传感器作用恢复。分子传感器碳纳米管对红外和电磁波有隐身作用：一方面由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，大大减少波的反射率；另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3-4 个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，也使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，起到了隐身作用。可用于隐形材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料。隐形材料在硅芯片晶体管接近其物理性能极限的当今，碳纳米管是未来替代硅芯片极具竞争力的候选材料之一。科学家预计碳纳米晶体管的运算速度将比目前看好的下一代硅芯片的还要快10倍，而且耗能更少，这将有助于研发具有超级运算速度和低能耗的微处理器。新型芯片在消费性电子产品中，常见的是电容性触摸屏，而它常用的材料则是ITO（纳米铟锡金属氧化物）导体。ITO薄膜是制造触摸屏导体的理想材料。但铟非常稀有，且ITO薄膜还有易碎、可塑性差的缺点，处