碳纳米管CNT课件

碳纳米管CarbonNanotubes,CNTs太空电梯－未来的地球-太空班车“太空电梯”工作原理图CNT-basedCable力学性能beforetestaftertest

杨氏模量1~5TPa，与石墨片层相当(1.06TPa)，

比碳纤维高一个数量级，约为钢的100

倍，而密度仅为钢的1/6

拉伸强度

10~150GPa，石墨片层为36.5GPa，是

高强钢的20倍

韧性

拉伸形变至40％无明显脆性行为、塑性

形变和断裂MWNTtensiletestSWNTtensiletestbeforetestaftertestE=120±10GPaσ=116±10MPa简史~1985Bacon和Endo在碳纤维合成过程中，可能已经制备出并观察到了碳

纳米管，但研究不够系统和深入1985Kroto,Smalley和Curl(1996年NobelPrize)发现并系统研究了富勒烯，

从而激励了对碳纳米材料的系统研究，直接促进了碳纳米管的发现

1991Iijima(NEC,Japan)利用HRTEM观察到了碳纳米管状结构－多壁碳

纳米管（MWNT）

1992前苏联科学家也独立发现了碳纳米管，但结果发表在俄语杂志上

1993Iijima(NEC,Japan)和Bethune(IBM,USA)的研究组各自独立发现了

单壁碳纳米管（SWNT）结构

SWNT管壁由单石墨片层卷绕而成，两侧由富勒烯半球封端根据卷绕方式（n,m）的不同，SWNT可分为

armchairn=m

zigzagn=0

chiraln≠m,m≠0

根据电子结构的不同，SWNT可分为金属性(n-m)/3为整数

半导体性(n-m)/3为非整数单石墨片层armchair型SWNTzigzag型SWNTchiral型SWNT合成方法

电弧放电法（Arc-Discharge）以掺有过渡金属（如Fe,Co,Ni,Mo等）或

其氧化物的石墨为电极，在惰性气体环境中，

电弧放电，消耗阳极石墨，在阴极上生成碳

纳米管

电压－12~25V;电流－50~120A;电极间

隙－~1mm

最早应用的碳纳米管合成方法

可生产SWNT和MWNT

简单、快速，制得的碳纳米管直而管径较细

碳纳米管易烧结成束，难于分离和提纯，收

率较低合成方法（续）

激光烧蚀法（LaserAblation）惰性气氛中，利用激光的高能量蒸发石墨靶（含金属催化剂）来合成碳纳米管可生产SWNT和MWNT所得碳纳米管品质高，结构完整，缺陷较少，适合生长SWNT

成本高，收率低合成方法（续）典型的化学气相沉积工艺

化学气相沉积法（ChemicalVaporDeposition,CVD）利用纳米尺度的过渡金属或其氧化物为催化剂，在相对较低的温度(500-1200℃)下热解碳

源气体(甲烷、乙炔、乙烯、丙烯、苯和一氧化碳等)来合成碳纳米管可生产SWNT和MWNT成本低，收率高，可大量生产

碳纳米管的管径在很大程度上依赖于催化剂颗粒的成分和尺寸，分布较宽；较多的结晶

缺陷，石墨化程度较低，常发生弯曲和变形，管端和管壁上包有催化剂颗粒分离与提纯碳纳米管在进行结构表征、性能测试和应用之前，通常须进行分离与提纯CVD碳纳米管，根据应用需要，有时须进行高温石墨化处理以提高其结构完整性合成产物中，常伴有大量杂质，如无定型碳、富勒烯、金属催化剂等常用的分离与提纯方法－氧化法利用碳纳米管与杂质的氧化性差异将产物中的杂质氧化除去

具体实施方法包括空气氧化法、二氧化碳氧化法、酸氧化法、电化学氧化法等

气体氧化法的选择性较差，碳纳米管的收率降低幅度较大

常用的酸氧化法具有较高的选择性，但会在碳纳米管管端和管壁上引入较多缺陷

高温热处理

（annealingininertatmosphere）

金属催化剂在高温下会发生汽化

石墨化碳纳米管，有利于其结构更完美直接合成的SWNT提纯后的SWNT性能超高的长径比准一维量子线

直径纳米级，长度微米至毫米甚至厘米级，长径比可高达28,000,000

理想的复合材料增强填料

经填充、包裹和空间限制反应可用于制备其它一维纳米材料CNT力学性能性能（续）beforetestaftertest

杨氏模量1~5TPa，与石墨片层相当(1.06TPa)，

比碳纤维高一个数量级，约为钢的100

倍，而密度仅为钢的1/6

拉伸强度

10~150GPa，石墨片层为36.5GPa，是

高强钢的20倍

韧性

拉伸形变至40％无明显脆性行为、塑性

形变和断裂MWNTtensiletestSWNTtensiletestbeforetestaftertest热性能性能（续）

热稳定性真空环境可耐温至2800oC，空气中700oC

热导率理论值6000W.(m.K)-1；实验值3000W.(m.K)-1单根MWNT（直径14nm）的热导性测试结果插图为用于热导性测试的微器件，标尺为10μm碳纳米管在铁磁性基底表面沿长度方向（如蓝色箭头所示）的磁化过程示意图其它优异性能性能（续）

低密度可低至1.33-1.40g/cm3，而铝的密度为2.70g/cm3

高场发射效率电极间距为1μm时，1~3V电压即可激发出荧光，而钼针尖需50~100V电

电压，且寿命有限

奇异的光学性能

能够吸收光波，而后散发还原光波（即碳纳米管材料具有传输、储存

和恢复光波信号的性能）

磁学性能在磁场中，能被磁化，磁化率各向异性

……1234AFMimageof150nm-thicknessfilm大面积、透明碳纳米管薄膜：厚度50~150nm，直径~10cm储氢材料应用领域室温、1bar压力下，SWNT可储氢5-10wt%，MWNT则为14wt%

可逆储/放氢量~5wt%，迄今为止最好的储氢材料嵌入碱金属后，能极大地提高储氢性能分子（纳米）器件催化剂载体比表面积大，表面原子与总原子比率可高达50％

气体通过碳纳米管的扩散速度为通过常规催化剂颗粒的上千倍担载后，催化剂的反应活性和选择性指数级上升，对传统的化学合成工业将产生革命性的影响复合材料填料仅就使用量而言，复合材料用填料是碳纳米管目前最大的应用领域可用于制备高性能化和多功能性兼备的纳米复合材料小尺寸特点决定了其聚合物复合材料可通过通用型聚合物加工设备进行生产生物、医药领域利用其高强度和柔韧性制备人造肌肉、人造骨骼等药物输运(drugdelivery)……应用举例（续）纳米秤(Nanobalance)vi－碳管的振动频率

D－碳管直径

L－碳管长度ρ

－碳管密度Eb

－碳管弯曲模量利用碳纳米管的力学特性实现对纳米颗粒质量的称量：a)纳米颗粒黏附至碳纳米管表面时的初始(v0)状态b)第一谐波共振(v1

=0.968MHz)状态测量原理：根据碳纳米管在纳米颗粒黏附后共振频率的变化，由下式计算出碳管的密度变化；同时，假设纳米颗粒为近似球状，从而计算出其质量(~2.2×10-14g)纳米镊子(Nanotweezer)应用举例（续）纳米镊子的尖部2μm纳米镊子用于纳米颗粒的搬移2μm纳米镊子在电压驱动下的序列动作1μm平板显示器应用举例（续）A碳纳米管基平板显示器示意图；B由分离的碳纳米管构成的电子发射极；C韩国Samsung公司制造的5-inch碳纳米管基显示器显示的画面PDMS/MWNT复合材料的压阻特性PDMS/MWNTPDMS/CBPDMS/MWNT及PDMS/CB复合材料的压阻特性机理主要供应商（续）美国－Unidym,Inc.

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HiPCO单壁碳纳米管高品质碳纳米管的代表，高附加值~2,000US$/g美国－SouthwestNanotechnologies,Inc.

网站http://主要产品

CoMoCAT工艺单壁碳纳米管高品质碳纳米管，高附加值~500US$/g英国－ThomasSwan

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单壁碳纳米管

多壁碳纳米管

工业级单壁碳纳米管工业级多壁碳纳米管挑战与展望

与10年前相比，碳纳米管的价格有了显著降低，但仍显过高，特别是用于复合材料填

料时，与其它填料相比性价比偏高

品质和产量间存在矛盾，如CVD技术能用来大量生产碳管，但所得产品石墨化程度

低，缺陷多，