碳纳米管简介讲解课件

碳纳米管张浩&郭瑶&吴敏&赵云丽&侯晓岩碳纳米管张浩&郭瑶&吴敏1一、碳纳米管定义二、碳纳米管的发展史三、碳纳米管的结构四、碳纳米管的性能五、碳纳米管的制备六、碳纳米管的应用七、碳纳米管的挑战与展望八、对复合材料课程建议一、碳纳米管定义2一、碳纳米管定义碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构的一维量子材料，碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子组成的数层到数十层的同轴圆管构成。层与层之间保持固定的距离，约0.34nm，直径一般为2～20nm。碳纳米管具有许多特殊力学、电学和化学性能。在辅助科学实验、制造复合材料等方面应用广泛。一、碳纳米管定义碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构的一3二、碳纳米管的发展史1857年，法拉第制备出金纳米颗粒1985年柯尔、克罗托和斯莫利在模拟宇宙长链碳分子的生长研究中，发现了与金刚石、石墨的无限结构不同的，具有封闭球状结构的分子C60。（1996年获得诺贝尔化学奖）1991年日本电气公司的S.

Iijima在制备C60、对电弧放电后的石墨棒进行观察时，发现圆柱状沉积。空的管状物直径0.7-30

nm，被称为Carbon

nanotubes(CNTs）；1992年瑞士洛桑联邦综合工科大学的D.Ugarte等发现了巴基葱(Carbonnanoonion)；二、碳纳米管的发展史1857年，法拉第制备出金纳米颗粒42000年，北大彭练矛研究组用电子束轰击单壁碳纳米管，发现了Ф0.33nm的碳纳米管,稳定性稍差;2003年5月，日本信州大学和三井物产下属的公司研制成功Ф0.4nm的碳纳米管。2004年3月下旬,中国科学院高能物理研究所赵宇亮、陈振玲、柴之芳等研究人员，利用一定能量的中子与C70分子相互作用，首次成功合成、分离、表征了单原子数目富勒烯分子C141。2004，曼彻斯特大学的科学家发现Graphene(石墨烯)。进一步激发了人们研究碳纳米材料的热潮。。。。。。。2000年，北大彭练矛研究组用电子束轰击单壁碳纳米管，发现了5三、碳纳米管的结构1.按形态分三、碳纳米管的结构1.按形态分62.按手性分通常依照n，m的相对关系，将单壁碳纳米管分为achiral和chiral两个基本类型。Achiral型又分为zigzag（锯齿型）和armchair（扶手椅型）两类。当n和m其中之一为0时，为zigzag型；当n=m时为armchair型；其它所有情况都称为chiral型(手性管）2.按手性分通常依照n，m的相对关系，将单壁碳纳米管分为73.按照石墨烯片的层数可分为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（1）SWNT+3.按照石墨烯片的层数可分为管壁由单石墨片层卷绕而成，两侧8（2）MWNT可视为“同轴多层碳圆柱体的组装体”–Russiandoll层间距~0.34nm(石墨片层间距0.335nm)多层碳圆柱体间由弱的VandeWaals力提供绑缚力（2）MWNT可视为“同轴多层碳圆柱体的组装体”–Rus9四、碳纳米管的性能1.力学性能碳纳米管的抗拉强度达到50～200GPa,是最强的纤维，在强度与重量之比方面，这种纤维是最理想的。高机械强度：钢100倍强度，1/6重量高长径比:103数量级高比表面:400-500m2/g天梯材料的唯一选择5万个纳米管并排起来才有人的一根头发那么宽四、碳纳米管的性能1.力学性能碳纳米管的抗拉强度达到50～2102.电学性能

由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。当CNTs的管径大于6mm时，导电性能下降；当管径小于6mm时，CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。

2.电学性能由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具11由量子限域效应带来的金属性和半导体性

根据卷起的方向矢量(n,m)不同，单壁纳米管（大致）可以呈现金属性（metallic,无能隙(bandgap)）或半导体性（semiconducting,有能隙）。根据折起的外部形态上可以分为A椅式(armchair)、B交错式(zigzag)、C手性(chiral)。所以椅式管一定是金属性管，而交错式和手性则既有可能是金属性管，也有可能是半导体性管。

由量子限域效应带来的金属性和半导体性123.热学性能一维碳纳米管具有非常大的长径比，虽然在管轴平行方向的热交换性能很高，但在其垂直方向的热交换性能较低。因而大量热是沿着长度方向传递的，通过适当排列碳纳米管，可以合成热高各向异性材料。纳米管的横向尺寸比多数在室温至150oC电介质的晶格振动波长大一个量级，这使得弥散的纳米管在散布声子界面的形成中是有效的，同时降低了导热性能。3.热学性能一维碳纳米管具有非常大的长径比，虽然在管13碳纳米管简介讲解课件144.场发射特性

碳纳米管具有优良的场致发射特性（其中包括FED对阴极所要求的发射的一致性、稳定性和高的发射点密度），尤为适于制作新型平板显示器。使用定向排列的CNT薄膜作为阴极的FED具有成本低，工艺简单，可靠性高的特点，可以用来制作点阵式显示器、数码管等各种显示装置。4.场发射特性碳纳米管具有优良的场致发射特性（其中包155.储氢性能

5.储氢性能166.吸附性能硝酸氧化处理后的碳纳米管对铅，铜和镉离子显示出了良好的吸附效果，单一金属离子的吸附研究结果表明，碳纳米管对铅、铜和镉离子的最大吸附容量分别为97.08，28.49和10.86mg/g；碳纳米管对Pb2+的亲合性最强，Cu2+次之，Cd2+最弱；碳纳米管对3种金属离子的吸附量随着溶液pH值的升高和离子强度的减小而增加。6.吸附性能硝酸氧化处理后的碳纳米管对铅，铜和镉离子显示出了177.其它性能低密度可低至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

……7.其它性能低密度可低至1.33-1.40g/cm318五、碳纳米管的制备1.石墨电弧放电法基本原理：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，电弧区温度非常高，碳纳米管缺陷较多理想的工艺条件：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。五、碳纳米管的制备1.石墨电弧放电法基本原理：192.碳氢化合物催化分解法2.碳氢化合物催化分解法20单壁碳纳米管的CVD合成条件单壁碳纳米管的CVD合成条件213.激光烧蚀法激光烧蚀法的具体过程是：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CNTs3.激光烧蚀法激光烧蚀法的具体过程是：在一长条石英管中间放置224.等离子体法将苯蒸气通过等离子体分解后产生的碳原子簇沉积于水冷铜板上，得到长度可达200μm的碳纳米管。在该方法中多壁碳纳米管的生长按外延生长模式进行，其生长速率为0.1nm/s。此方法的设备复杂、造价昂贵推广使用存在困难。4.等离子体法将苯蒸气通过等离子体分解后产生的碳原子簇沉积于235.增强等离子热流体化学蒸气分解沉积法(PE-HF-CVD法)1.通过等频磁控管喷镀法将金属镍涂敷在玻璃上，厚度为40nm;2.以乙炔气体作为碳源，同时以氨气作为催化剂，在666℃条件下，通过等离子体热流体化学蒸气分解沉积;3.可制备在镀有镍层的玻璃上排列整齐的由多根碳纳米管组成的管束，碳纳米管管束的直径和长度分别为20-40nm和0.1-50μm。5.增强等离子热流体化学蒸气分解沉积法(PE-HF-CVD法246.热解聚合物法通过热解某种聚合物、聚乙烯或有机金属化合物，也可以得到碳纳米管。如通过把柠檬酸和甘醇聚酯化作用得到的聚合物在400℃空气气氛下热处理8h，然后冷却到室温，得到了碳纳米管。在420～450℃下用金属镍作为催化剂，在氢气气氛下热解粒状的聚乙烯，合成了碳纳米管。在900℃、氩气和氢气气氛下热解二茂铁、二茂镍、二茂钴，也得到了碳纳米管材料。6.热解聚合物法通过热解某种聚合物、聚乙烯或有机金属化合物，257.其它得到碳纳米管的方法碳纳米管可以在50℃的低温下通过铯与纳米孔状无定形碳的放热反应自发形成；乙炔和苯低压火焰燃烧的烟灰里也发现了碳纳米管；以熔融碱金属卤化物为电解液，以石墨棒为电极，在氩气气氛中通过电解方法合成了碳纳米管以及葱状结构；在粉末冶金法制备的合金Fe-Ni-C、Fe-Ni-Co-C的微孔洞中发现了富勒烯和单层碳纳米管。7.其它得到碳纳米管的方法碳纳米管可以在50℃的低温下通过铯26六、碳纳米管的应用1.高强度碳纤维材料

决定增强型纤维强度的一个关键是长度和直径之比。目前材料材料工程师希望得到的长度直径比至少是20∶1。碳纳米管的长度是直径的几千倍，因而号称“超级纤维”。它们的强度比钢高100倍，但重量只有钢的六分之一六、碳纳米管的应用1.高强度碳纤维材料决定272.电化学器件

碳纳米管具有非常高的比表面积、导电性能和良好的机械性能，是电化学领域所需的理想材料。碳纳米管电容器具有非常好的放电性能，能在几毫秒的时间内将所存储的能量全部放出，这一优越性能已在混合电力汽车中开始实验使用。由于可在瞬间释放巨大电流，为汽车瞬间加速提供能量，同时也可用于风力发电系统稳定电压和小型太阳能发电系统的能量存储。锂离子电池是碳纳米管应用研究领域之一。碳纳米管锂离子电池容量大，放电速度快，充放电容量达到1000mA.h/g2.电化学器件碳纳米管具有非常高的比表面积、导28电容器电容器293.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，环氧树脂和纳米碳管之间可形成数百MPa的界面强度。除做结构复合材料的增强剂外，纳米碳管还可做为功能增强剂填充到聚合物中，提高其导电性、散热能力等如：在共轭发光聚合物中添加纳米碳管后，不但其导电率大大提高，强度也得到了改善。同时，由于纳米碳管在纳米尺度散热，避免了局部形成的热积累，可防止共轭聚合物中链的断裂，从而抑制聚合物的光褪色作用。

3.碳纳米管复合材料基于纳米碳管的优良力学性能可304.电磁干扰屏蔽材料及隐形材料

碳纳米管是一种有前途的理想微波吸收剂,可用于隐形材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料。碳纳米管对红外和电磁波有隐身作用的主要原因有两点: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,这就大大减少波的反射率,使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱,从而达到隐身的作用;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,这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低,因此很难发现被探测目标,起到了隐身作用。由于发射到该材料表面的电磁波被吸收,不产生反射,因此而达到隐形效果。

4.电磁干扰屏蔽材料及隐形材料碳纳米管是一种31碳纳米管简介讲解课件325.催化剂载体

纳米材料比表面积大,表面原子比率大(约占总原子数的50%),使体系的电子结构和晶体结构明显改变,表现出特殊的电子效应和表面效应。如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,担载催化剂后极大提高催化剂的活性和选择性。碳纳米管作为纳米材料家族的新成员,其特殊的结构和表面特性、优异的储氢能力和金属及半导体导电性,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。碳纳米管一旦在催化上获得应用,可望极大提高反应的活性和选择性,产生巨大的经济效益。5.催化剂载体纳米材料比表面积大,表面原子比率大336.污水处理

较大的比表面积,可以用作固体杂质的吸附剂。环境中存在的重金属,如铅、铜、铬、汞、镉、锌等对各种生物都有危害作用。用硝酸氧化后的碳纳米管对这些重金属的单一和多元离子均有很强的吸附性能。解决目前水质重金属污染问题6.污水处理较大的比表面积,可以用作固体杂质347.碳纳米管作为电子显微镜等的探针优点：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

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AFM的应用范围。HafnerJH在室温下能够清晰的观测到G型球蛋白的Y型结构。7.碳纳米管作为电子显微镜等的探针优点：对碳纳351.用碳纳米管制成像纸一样薄的弹簧

莫斯科大学的研究人员为了弄清纳米管的受压强度，将少量纳米管置于29Kpa的水压下（相当于水下18000千米深的压力）做实验。不料未加到预定压力的1/3，纳米管就被压扁了。他们马上卸去压力，它却像弹簧一样立即恢复了原来形状。应用：科学家得到启发，发明了用碳纳米管制成像纸一样薄的弹簧，用作汽车或火车的减震装置，可大大减轻车辆的重量。潜在应用1.用碳纳米管制成像纸一样薄的弹簧莫斯科大362.纳米管做成的“纳米秤”

美国、中国、法国和巴西科学家用精密的电子显微镜测量纳米管在电流中出现的摆频率时，发现可以测出纳米管上极小微粒引起的变化，从而发明了能称量一亿分之二百克的单个病毒的“纳米秤”。这种世界上最小的秤，为科学家区分病毒种类，发现新病毒作出了贡献。2.纳米管做成的“纳米秤”美国、中国、法国373.碳纳米管制造人造卫星的拖绳

在航天事业中，利用碳纳米管制造人造卫星的拖绳，不仅可以为卫星供电，还可以耐受很高的温度而不会烧毁。3.碳纳米管制造人造卫星的拖绳在航天事业中，384.碳纳米管仿效骨胶原纤维帮骨折痊愈

美国加利福尼亚大学罗伯特•哈顿博士及其同事发现，碳纳米管是骨组织生长的理想基体。

4.碳纳米管仿效骨胶原纤维帮骨折痊愈美国加利福尼亚大学罗伯395.纳米电子器件

对碳纳米管的表面结构进行修饰制成纳米驱动器存储器：存储量大，耗电量低;较好的抵抗可能出现的高温、低温或磁性损坏。以电压梯度为驱动力、过程可逆、能够精确控制纳米颗粒的转移。

5.纳米电子器件对碳纳米管的表面结构进行修饰制成纳米驱动406.碳纳米管有望实现存储器微型化

诺丁汉大学化学学院ElenaBichoutskaia领导的研究组发现，将两根碳纳米管套在一起将能够最终产生使用二进制编码保存信息所需的“1”或“0”状态。

如果一根纳米管位于另一根稍微大一点的纳米管之中，那么由于静电、范德华力和毛细力的作用，内部管就会随着外部管“流动”。当电流通过纳米管的时候就会使内部管被推着在外部管中进出。这种压缩动作可以使内部管与电极连接或断开，从而最终产生使用二进制编码保存信息所需的“1”或“0”状态。

6.碳纳米管有望实现存储器微型化诺丁汉大417.碳纳米管在生物学上的应用基本上分为两大类：一类是药物/基因输送；另一类