碳纳米管的性能综述

碳纳米管的性能综述摘要碳纳米管因为性能多方面并且应用广泛而受到很多研究员的关注，本文将对碳纳米管的几个性能的研究进行综述，包括碳纳米管的碳纳米管/FeS类Fenton催化剂催化性能、纳米连接性能、碳纳米管增强复合材料风机叶片性能、碳纳米管稳定性能分析、碳纳米管机械强度、碳纳米管吸附特性的综述。关键字：碳纳米管性能 催化剂催化性能 连接性能稳定性能纤维的性能吸附特性碳纳米管/FeS类Fenton催化剂催化性能杨明轩等以浮动催化热分解法制备碳纳米管（CNTs），采用氧化-还原-硫化的方法制备了CNTs/FeS催化剂，采用X射线衍射（XRD）透射电子显微镜（TEM）和热重（TG）分析等技术对催化剂进行了结构表征。将CNTs/FeS作为类Fenton催化剂用于水中环丙沙星的去除，研究了降解过程中H2O2浓度CNTs/FeS催化剂的投加量环丙沙星浓度及pH等因素对催化降解性能的影响。结果表明，CNTs/FeS类Fenton催化反应在H2O2浓度为20mmol/L和CNTs/FeS催化剂的投加量为10mg的条件下具有最优的降解效果，其催化反应过程符合一级动力学方程，且具有更加宽泛的pH适应范围（pH=3〜8），同时，CNTs/FeS类Fenton催化剂在使用寿命方面也具有一定的优势.结论是采用碳纳米管原始样品制备了CNTs/FeS类Fenton催化剂，并应用于环丙沙星的催化降解反应中，在pH=3〜8范围内可保持较高去除率（可达89%）;当H2O2浓度为20mmol/L时，去除率最高（可达90%）;CNTs/FeS催化剂催化降解环丙沙星反应过程符合表观一级动力学方程。CNTs/FeS类Fenton催化反应在固液比1:2的情况下，循环使用4次后仍然保持较高的催化降解效率。碳纳米管的连接性能2002年，Derycke等采用恒定的电流施加于Au电极结果表明，在焦耳热作用下，单壁碳纳米管（SWCNTs）与金电极接触处的氧气等吸附物发生脱附，并获得了较低的接触电阻。2006年，Chen等提出一种新颖的超声纳米焊接技术该技术使用超高频微幅振动的压头，成功地将CNTs压焊到金属电极上，形成可靠的电接触结果表明，焊接后的结构具有较高的机械强度和较低的接触电阻采用这种超声纳米焊接技术，能极大地改善基于CNTs的场效应晶体管性能。目前的纳米连接技术主要包括局部焦耳热法高温退火法电子束焊接法超声纳米焊接和原子力显微镜操纵法。2011年，Karita等研究了多壁碳纳米管（MWCNTs）和金电极间的电接触，并在接触处施加电流结果表明，当电流密度达到108A/cm2时，金表面沿着MWCNTs端开始熔化当电流密度提高2倍时，观察到接触区域的金表面结构发生显著性改变，从而减少了接触阻抗该研究组还针对开口和封口CNTs与金电极的纳米连接进行了研究发现，在与Au电极接触的区域中，采用开口CNTs所获单位面积电导率约为封口CNTs电导率的4倍但同时观测到，采用局部焦耳热法时，所产生的大电流引起连接区域材料过度熔化及表面形貌的改变，进而影响器件的性能。碳纳米管的稳定性能梁峰等应用非局部黏弹性夹层梁模型分析双参数弹性介质中输送脉动流碳纳米管的稳定性。新模型中同时考虑了由管道内、外壁上的薄表面层引起的表面弹性效应和表面残余应力，经典的欧拉梁模型因此通过引入非局部参数和表面参数得到了改进。用平均法对其控制方程进行求解，得到了管道稳定性区域。数值算例揭示了纳米材料的非局部效应、表面效应及两个弹性介质参数对管道固有频率、临界流速和动态稳定性的复杂影响，结论可为纳米流体机械的结构设计和振动分析提供理论基础。结论(1)非局部效应会降低系统的固有频率和临界流速，而表面效应却会使其值升高，而且还会降低非局部效应的影响。(2)非局部效应和表面效应均可以提高输流碳纳米管系统的参数共振稳定性，而表面效应又会降低非局部效应和流速对系统稳定性的影响。(3)提高纳米管外部双参数弹性介质的两个参数值均可以提高系统的稳定性，但剪切刚度对稳定性的影响要远大于线性刚度，应重点考虑。双参数模型比传统Winkler模型更接近实际弹性介质，其计算结果更加精确可靠。碳纳米管纤维的性能CNTs具有独特的力学性质，理论计算表明,CNTs的拉伸强度比钢高100倍,由CNTs悬臂梁振动测量结果可以估计出它们的杨氏模量高达1TPa左右，延伸率达百分之几，并具有良好的可弯曲性，SWNTs可承受扭转形变并可弯成小圆环,应力卸除后可完全恢复到原来状态,压力不会导致CNTs的断裂。优良的力学性能使得CNTs在增强复合材料方面具有广阔的应用前景。聚苯并咪唑(PBI)超细纤维，直径大约300nm,具有很高的比表面积。加入15wt%的PBI碳纳米管纤维制成的环氧化合物断裂韧度和模量都显著高于加入17wt%PBI碳纳米管纤维的环氧化合物。加入片状碳纳米管纤维增强体的丁苯橡胶(SBR)，其杨氏模量和剪切强度都明显高于纯的丁苯橡胶。电学和磁学性能从CNT的能带结构研究发现,在金属性SWNT的费米能级附近有两个互相交叉的能带能带中有2个通道、4个电子在输运过程中起作用，因此在无电子散射和理想接触条件下，SWNT具有两个单位量子电导，即每个通道产生一个量子单位电导。CNT是典型的量子导线，其电导是不连续的。CNT在输运过程中可发生输运过程的电子态优先、运过程具有弹道传输的特点。电子在CNT中进行弹道式输运时，不与杂质或声子发生任何散射，电子在运动过程中无能量散耗。由于CNTs优异的导电性，在PMMA中掺入CNTs后，其导电性明显得到改善，加入5wt%的CNTs可使PMMA的体积电阻率降低3个数量级，表面电阻率降低4个数量级。目前合成的CNTs的电导率普遍高于CNTs与高聚物混合制备的复合材料,而直接合成的CNFs电导率则高于CNTs。刘家安等采用原位聚合法合成出具有较高导电性的聚苯胺(PANi)/CNTs复合材料,研究表明不同的CNTs添加量对复合材料导电性的影响，其电导率比PANi提高了1〜2个数量级oAngrews制备的PVA/CNTs复合材料的电导率为10/(Q-cm)[14],Zhu研究小组制备的SWNTs束的电导率高达(1.4〜2)X105/(Q-cm),而Li合成的CNFs的电导率为8.3X105/(Q-cm)[10]°CNT具有负磁阻,当磁场垂直于碳管轴向时,可形成穿过导带和的Landu带，增加了费米能级附近的电子态密度，而平行磁场时，在费米能级附近的电子带结构以磁通为函数出现周期性变化,出现Aharonov2Bohm(简称A2B)效应。在CNT/高聚物中还没有关于A2B效应的报道。4.3 高吸附性CNTs和CNFs直径为纳米级，长径比大，具有高吸附性，可以吸附大量的气体作为储氢、储能材料。Terrones等[34]利用热解法制备出直径为15〜80nm的竹节形CNx碳纳米管，管长度小于100um,通过高分辨率电子能耗光谱线性扫描和元素映象研究表明,N2被密封在中空管中,CNx纳米管可被应用于气体储存型织物。4.4拉曼活性SWNT具有两个特征振动模式：呼吸振动模式和拉伸振动模式。呼吸振动模式出现在低频段(波数100〜300cm-1),它与SWNT的结构相关；拉伸振动模式位于1580cm-1,与SWNT的结构无关，由于在布里渊区发生折叠而产生与尺寸相关的区域折叠效应使其分裂成多个峰。目前,许多研究小组都采用拉曼光谱的分析方法研究CNTs以及CNT/高聚物的结构性能。Wang等利用拉曼光谱的变化来表明CNT的增长过程,Li利用拉曼光谱表明热处理过程对CNT的影响。1^通noz合成了PEI/SWNT复合材料，利用拉曼光谱表明部分PEI插入到SWNT的管。碳纳米管的吸附特性胡栩豪等针对多壁碳纳米管(MWCNTs)对敌草隆的吸附特性进行了研究，并考察了接触时间、温度和初始pH对敌草隆吸附效果的影响。碳纳米管对敌草隆的吸附在1h内可达到表观平衡，且其吸附动力学曲线符合准二级动力学方程。Polanyi-Manes方程可以准确的描述多壁碳纳米管对敌草隆的吸附行为。通过热力学研究可知，多壁碳纳米管对敌草隆的吸附过程是自发的放热过程。多壁碳纳米管的氧化处理不但可以增加碳纳米管的比表面积和孔容，而且可以在其表面产生多种亲水的含氧官能团。多壁碳纳米管对敌草隆的吸附受pH的影响，在中性和碱性条件下现出较强的吸附能力。结论随着pH的升高，未经处理的和经氧化处理的碳纳米管对敌草隆的吸附量均有提高，碱性pH比酸性pH时去除率更高；驻G0小于零，即反应为自发吸附反应；多壁碳纳米管对水中敌草隆的吸附动力学过程可采用准二级动力学方程进行描述；多壁碳纳米管对中敌草隆的吸附能力随温度升高而降低，且Polanyi-Manes方程更适合描述敌草隆在多壁碳纳米管上的吸附过程。参考文献：杨明轩，马杰，孙怡然，熊新竹，李晨璐，李强，陈君红碳纳米管/FeS类Fenton催化剂的制备及催化性能[J].高等学校化学学报,2014,35:570-575VDerycke,RMartel,JAppenzelleretal.Appl.Phys.Lett.2002，80(15):2773〜2775.KAsaka,MKarita,YSaito.Appl.Surf.Sci.2011，257(7):2850