低维材料之碳纳米管

低维材料

之碳纳米管

一、碳纳米管简介碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口）的一维量子材料。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，约0.34nm，直径一般为2~20nm。并且根据碳六边形沿轴向的不同取向可以将其分成锯齿形、扶手椅型和螺旋型三种。其中螺旋型的碳纳米管具有手性，而锯齿形和扶手椅型碳纳米管没有手性。碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。

二、碳纳米管1991年，日本NEC公司基础研究实验室的电子显镜专家Iijima发现了多壁碳纳米管（MultiWalledCarbonNanotubes，MWNTs），直径为4-30nm，长度为1um。，最初称之为“Graphitetubular”。1993年单壁碳纳米管也被发现（Single-WalledCarbonNanotubes，SWNTs），直径从0.4nm到3-4nm，长度可达几微米。碳纳米管的发现碳纳米管

碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成，因此按照石墨烯片的层数可分为：单壁碳纳米管和多壁碳纳米管，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。与多壁管相比，单壁管直径大小的分布范围小，缺陷少，具有更高的均匀一致性。单壁管典型直径在0.6-2nm，多壁管最内层可达0.4nm，最粗可达数百纳米，但典型管径为2-100nm。碳纳米管依其结构特征可以分为三种类型：碳纳米管的手性指数（n，m）与其螺旋度和电学性能等有直接关系，习惯上n>=m。当n=m时，碳纳米管称为扶手椅形纳米管，手性角（螺旋角）为30o；当n>m=0时，碳纳米管称为锯齿形纳米管，手性角（螺旋角）为0o；当n>m≠0时，将其称为手性碳纳米管。根据碳纳米管的导电性质可以将其分为金属型碳纳米管和半导体型碳纳米管：当n-m=3k(k为整数)时，碳纳米管为金属型；当n-m=3k±1，碳纳米管为半导体型。按照外形的均匀性和整体形态，可分为：直管型，碳纳米管束，Y型，蛇型等。碳纳米管的分类(1）石墨电弧法：基本原理：

电弧室充惰性气体保护，两石墨棒电极靠近，拉起电弧，再拉开，以保持电弧稳定。放电过程中阳极温度相对阴极较高，所以阳极石墨棒不断被消耗，同时在石墨阴极上沉积出含有碳纳米管的产物。理想的工艺条件：氦气为载气，气压60—50Pa，电流60A～100A，电压19V～25V，电极间距1mm～4mm，产率50％。Iijima等生产出了半径约1nm的单层碳管。三、碳纳米管的制备使用这一方法制备碳纳米管技术上比较简单，但是生成的碳纳米管与C60等产物混杂在一起，很难得到纯度较高的碳纳米管，并且得到的往往都是多层碳纳米管，而实际研究中人们往往需要的是单层的碳纳米管。此外该方法反应消耗能量太大。有些研究人员发现，如果采用熔融的氯化锂作为阳极，可以有效地降低反应中消耗的能量，产物纯化也比较容易。发展出了化学气相沉积法，或称为碳氢气体热解法，在一定程度上克服了电弧放电法的缺陷。这种方法是让气态烃通过附着有催化剂微粒的模板，在800~1200度的条件下，气态烃可以分解生成碳纳米管。这种方法突出的优点是残余反应物为气体，可以离开反应体系，得到纯度比较高的碳纳米管，同时温度亦不需要很高，相对而言节省了能量。但是制得的碳纳米管管径不整齐，形状不规则，并且在制备过程中必须要用到催化剂。这种方法的主要研究方向是希望通过控制模板上催化剂的排列方式来控制生成的碳纳米管的结构，已经取得了一定进展。(2)激光蒸发法：影响因素：催化剂保护压强（3.0x104一4.5x104Pa）气体（氦气、氩气）激光脉冲时间间隔（间隔越短，产率越高）激光脉冲功率（功率↑，直径↓）具体过程是：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，将惰性气体冲入管内，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CNTs。碳纳米管具有优异的力学性能，高强度，韧性，伸长率，低密度，理想的增强体热学性能，理论导热率达6600k/（Km）实验达3000电学性能，近金属的电导率，可以做为半导体材料磁学性能，吸波性能显著，频带宽储氢性能，碳纳米管的中空结构，理论储氢量可达10％（重量比）四、碳纳米管物理化学性能

由于碳纳米管中碳原子采取SP2杂化，相比SP3杂化，SP2杂化中S轨道成分比较大，使碳纳米管具有高模量和高强度。碳纳米管具有良好的力学性能，CNTs抗拉强度达到50～200GPa,是钢的100倍,密度却只有钢的1/6，至少比常规石墨纤维高一个数量级；它的弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。对于具有理想结构的单层壁的碳纳米管，其抗拉强度约800GPa。碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似，但其结构却比高分子材料稳定得多。碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。若将以其他工程材料为基体与碳纳米管制成复合材料,可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性，给复合材料的性能带来极大的改善。碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，可以拉伸。在工业上常用的增强型纤维中，决定强度的一个关键因素是长径比，即长度和直径之比。材料工程师希望得到的长径比至少是20:1，而碳纳米管的长径比一般在1000:1以上，是理想的高强度纤维材料。长径比一般在1000:1以上，强度高，是理想的高强度纤维材料。碳纳米管的熔点是目前已知材料中最高（预计3652-3697℃）。碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域π键，由于共轭效应显著，碳纳米管具有一些特殊的电学性质。理论预测当CNTs的管径大于6nm时，导电性能下降；当管径小于6nm时，CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。碳纳米管具有良好的传热性能，CNTs具有非常大的长径比，因而其沿着长度方向的热交换性能很高，相对的其垂直方向的热交换性能较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合成高各向异性的热传导材料。理论热导率很高，达6600W/（m.K）12可以与金属，无机陶瓷材料，有机高聚物复合，应用广泛结构复合材料：碳纳米管复合材料基于纳米碳管的优良力学性能可将其作为结构复合材料的增强剂。

研究表明，与无机复合明显提高韧性，有机聚合物复合提高强度。环氧树脂和纳米管之间可形成数百MPa的界面强度。功能复合材料：基于碳纳米管优良的导电，导热，吸波，介电，储氢功能五、碳纳米管复合材料六、碳纳米管应用碳纳米管可以制成透明导电的薄膜，用以代替ITO（氧化铟锡）作为触摸屏的材料。先前的技术中，科学家利用粉状的碳纳米管配成溶液，直接涂布在PET或玻璃衬底上，但是这样的技术至今没有进入量产阶段；目前可成功量产的是利用超顺排碳纳米管技术；该技术是从一超顺排碳纳米管阵列中直接抽出薄膜，铺在衬底上做成透明导电膜，就像从棉条中抽出纱线一样。储氢应用：纳米碳管是一种很有发展前途的储氢材料。单壁纳米碳管的吸氢过程研究发现，氢以很大密度填充到单壁纳米碳管的管体内部以及单壁纳米碳管束之间的孔隙，因此单壁纳米碳管具有极佳的储氢能力，据推测单壁纳米碳管的储氢量可达10％（重量比）。催化剂载体：纳米材料比表面积大，具有特殊的电子效应和表面效应。如气体通过纳米碳管的扩散速度为常规催化剂颗粒的上千倍，担载上催化剂后可极大地提高催化剂的活性和选择性，使其在加氢、脱氢和择型催化等反应中具有很大的应用潜力。纳米器件：纳米碳管的电学性质与其结构密切相关。就其导电性而言，由于纳米碳管直径和螺旋角不同，可以是金属性的，也可以是半导体性的，甚至在同一根纳米碳管上的不同部位，由于结构的变化，也可以呈现出不同的导电性。纳米碳管中存在大量未成对电子，但其在纳米碳管中的径向运动却受到限制，表现出典型的量子限域效应；而电子在轴向的运动不受任何限制。因此，可以认为纳米碳管是一维量子导线。

纳米秤：碳纳米管还给物理学家提供了研究毛细现象机理最细的毛细管，给化学家提供了进行纳米化学反应最