碳纳米管
碳纳米管定义
碳纳米管定义
碳纳米管是一种由碳原子构成的纳米材料，具有管状结构。
它的直径通常在纳米尺度（纳米级别为1100纳米）范围内，
长度可以从纳米到微米级别。
碳纳米管的结构可以分为单壁碳
纳米管和多壁碳纳米管两种。
单壁碳纳米管由一个原子薄的石墨单层卷曲而成，形成一个
管状结构。
单壁碳纳米管的墙壁由碳原子构成，以六边形的芳
香环排列。
其典型特点是具有高强度、高导电性、高热导率和
良好的力学性能。
多壁碳纳米管由多个同心圆层组成，每个层均由碳原子六边
形结构构成，层与层之间的间距一般为0.34纳米。
多壁碳纳米管具有类似于单壁碳纳米管的特性，但其力学性能和导电性能
相对较差。
碳纳米管具有独特的物理和化学性质，广泛应用于材料科学、电子学、能源储存和传感器等领域。
由于其独特的结构和性能，碳纳米管在电子器件中可以用作纳米导线、场发射器件、纳米
传感器等。
此外，碳纳米管还被研究用于制备高性能锂离子电池、超级电容器和光催化材料等。
相信随着科学技术的不断发展，碳纳米管将在更多领域发挥重要作用。
碳纳米管简介
3）激光蒸发法. 这种方法是制备单壁纳米碳管的一种有效 方法。用高能CO2激光或Nd/YAG激光蒸发掺 有Fe、Co、Ni或其他合金的碳靶制备单壁纳 米碳管。用这种CO2激光蒸发法，在室温下 就可以得到单壁碳纳米管。
缺点： 单壁碳纳米管的纯度较低、易粘 结。
5.碳纳米管的独特性质
1)力学性能 碳纳米管的抗拉强度达到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。
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（碳纳米管 ）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。
3) 热学性能 一维管具有非常大的长径比，因而大量热是 沿着长度方向传递的，通过合适的取向， 这种管子可以合成高各向异性材料。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。适当排列 碳纳米管可得到非常高的各向异性热传导 材料。
4) 储氢性能 1997年，A. C. Dillon对单壁碳纳米管 (SWNT)的储氢性能做了研究，SWNT在0℃时 ,储氢量达到了5%。 DeLuchi指出:一辆燃料机车行驶500km,消耗 约31kg的氢气，以现有的油箱来推算，需 要氢气储存的重量和体积能量密度达到65% 和62kg/m3。 这两个结果大大增加了人们对碳纳米管储氢 应用前景的希望。
3.碳纳米管的分类
1)按形态分
普通封口型
变径型
洋葱型
海胆型
竹节型
2)按手性分
扶手椅型
锯齿型
碳纳米管
3.热学性能
由于碳管具有非常大的长径比，因而大量热是沿着长 度方向传递的，通过合适的取向，这种管子可以合成高各 向异性材料。 即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。适当排列碳纳米管可得到非常高的 各向异性热传导材料。
四、碳纳米管的制备
CNTs的制备方法有多种，主要有电弧法，激光 蒸发法，化学气象沉积法等方法。这些方法分别在 不同的实验条件下可以得到MWNT和SWNT。
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～25 V，电极间距1 mm～4mm， 产率50％。Iijima等生产出了半径约1 nm的单层碳管。
五、纳米管结构的表征：
扫描隧道显微镜 X射线衍射
电子显微镜
拉曼光谱
1.电子显微术
利用不同的电子显微术，可以非常详细地研究碳 纳米管结构，确定其生长机制，反过来又可以帮助人 们改进碳管的生长过程，或者去修饰他们的结构。 利用扫描电子显微镜（SEM）可以获得单壁碳纳 米管管束的图像。透射电子显微镜（TEM）对于碳纳 米管结构的研究更为有用。TEM是一种强有力的技术， 可以确定碳纳米管管壁的层数，还可以准确测量管径 和确定碳管结构中的缺陷。
饭岛澄男 S.Iijima
将这些针状产物在高分辨电子显微镜下观察， 发现该针状物是直径为4～30纳米，长约1微米，由 2个到50个同心管构成，相邻同心管之间平均距离 为0.34纳米。
单壁碳纳米管
多壁碳纳米管
进一步实验研究表明，这些纳米量级的微小管状结构是由碳 原子六边形网格按照一定方式排列而形成，或者可以将其想象成 是由一个六边形碳原子形成的平面卷成的中空管体，而在这些管 体的两端可能是由富勒烯形成帽子。这就是多壁纳米碳管。 在石墨电极中添加一定的催化剂，可以得到仅仅具有一层管壁的 纳米碳管，即单壁碳纳米管产物。
碳纳米管是什么材料
碳纳米管是什么材料碳纳米管是一种由碳原子构成的纳米材料。
它们具有独特的结构和特性，在材料科学和纳米技术领域引起了广泛的关注和研究。
碳纳米管可以是单壁碳纳米管（SWNT）或多壁碳纳米管（MWNT）。
在单壁碳纳米管中，碳原子以只有一个碳原子厚度的碳层形成管状结构，而在多壁碳纳米管中，形成了多层碳管。
碳纳米管具有许多独特的物理和化学性质，使其成为多个领域的研究热点。
首先，碳纳米管具有优异的力学性能。
由于碳原子之间的强共价键，碳纳米管具有很高的强度和刚度。
尽管碳纳米管的直径非常小，但它们可以以惊人的强度抵抗拉伸和压缩。
这使得碳纳米管成为可能的材料选择，用于构建轻型和高强度材料。
其次，碳纳米管具有优异的导电性能。
碳纳米管的导电性与其结构有关。
SWNT是从一个单一的碳层卷曲而成，因此具有较高的导电性，甚至可以比铜更好。
MWNT由多层碳管组成，导电性较差，但仍然较高。
这种优良的导电性使得碳纳米管成为纳米电子器件的重要组成部分，如场效应晶体管和纳米线。
此外，碳纳米管还具有出色的热导性。
由于碳纳米管的结构，热能可以在其结构的纵向方向上快速传导，而横向方向上的传导受到限制。
这使得碳纳米管成为制造高效热界面材料的理想选择，用于提高电子器件和热管理系统的散热性能。
碳纳米管还具有很强的化学稳定性和抗腐蚀性。
由于碳纳米管是由碳原子构成的，它们对大多数化学物质都具有良好的抗腐蚀性。
这种化学稳定性使得碳纳米管能够在极端的环境条件下使用，例如高温和酸碱溶液中。
由于碳纳米管具有独特的结构和性质，它们在许多领域都有着广泛的应用。
在材料领域，碳纳米管被用于制造复合材料、纳米增强材料和高性能纤维。
碳纳米管还被应用于电子领域，包括纳米电池、电子器件和传感器。
此外，碳纳米管还用于生物医学领域，如药物传递和生物传感器。
然而，尽管碳纳米管在许多领域都有着广泛的应用前景和潜力，但其大规模生产和应用仍然面临许多挑战。
首先，碳纳米管制备方法的成本较高，限制了其商业化应用。
碳纳米管
(B)热解法：这种方法也很简单，将一块基板放 进加热炉里加热至600℃，然后慢慢充入甲烷 一类的含碳气体。气体分解时产生自由的碳原 子，碳原子重新结合可能形成碳纳米管。
优点：最容易实现产业化，也可能制备很长的 碳纳米管。
缺点：制得的碳纳米管是多壁的，常常有许多 缺陷。与电弧放点法制备的碳纳米管相比，这 种碳纳米管抗张强度只有前者的十分之一。
初步估算，碳纳米管的强度大概是钢的100倍。 Lieber运用STM技术测试了碳纳米管的弯曲强度， 证明碳纳米管具有理想的弹性和很高的硬度。因此 用碳纳米管作为金属表面上的复合镀层，可以获得 超强的耐磨性和自润滑性，其耐磨性要比轴承钢高 100倍，摩擦系数为0.06～0.1，且还发现该复合镀层 还具有高的热稳定性和耐腐蚀性等性能。
（C）浓硝酸氧化法
将碳纳米管加入到浓硝酸中搅拌，超声波分散 后加热回流处理。自然冷却后用蒸馏水稀释、 洗涤至中性，经真空干燥、研磨后既得到纯化 处理的碳纳米管[14]。
优点：经过适当浓度硝酸氧化处理一定时间的 CNTs，其基本结构未发生本质变化，而表面 活性基团显著增加，在乙醇中分散浓度、均匀 性、稳定性得到提高，在复合材料中的分散均 匀性及与树脂的结合性能也得到相应提高。硝 酸氧化处理是CNTs表面活化的有效方法。
中美科学家在研究中对合成碳纳米管常用的化 学气相淀积方法进行了改进。改进结果显示，在化 学气相淀积过程中加入氢和另外一种含硫化合物后， 不仅能制造出更长的碳纳米管束，而且这些碳纳米 管束可由单层碳纳米管通过自我组装而有规律地排 列组成。
研究人员认为，他们的新方法作为一种更为简便 的替代工艺，也许还可以用来生产高纯度的单层碳 纳米管材料。
碳纳米管简介
加强基础研究和创新能力
深入研究结构与性能关系
进一步揭示碳纳米管的微观结构和性 能之间的关联，为新应用提供理论支 持。
探索新的合成方法
加强跨学科合作
与化学、物理、生物等学科进行交叉 合作，拓展碳纳米管的应用领域。
开展新合成方法的研究，实现碳纳米 管的绿色合成和可控合成。
建立产业联盟和创新平台
促进产学研合作
导电材料
碳纳米管具有优异的导电性能，可作为复合材料的导电填料，提高材料的导电性能。
半导体领域
晶体管
碳纳米管具有优异的半导体性能，可 用于制造高性能晶体管，提高集成电 路的性能和集成度。
传感器
碳纳米管具有较高的化学敏感性和光 电响应性，可用于制造高性能传感器 ，用于环境监测、生物医学等领域。
纳米电子领域
碳纳米管的应用领域
电池领域
电池电极材料
碳纳米管具有优异的导电性能和比表 面积，可作为高性能电池电极材料， 提高电池的能量密度和充放电效率。
电池隔膜材料
碳纳米管具有较高的机械强度和化学 稳定性，可用于制造高性能电池隔膜 ，提高电池的安全性和稳定性。
复合材料领域
增强材料
碳纳米管具有优异的力学性能和化学稳定性，可作为复合材料的增强剂，提高材料的强度和韧性。
化学反应性
碳纳米管具有较高的化学反应性，可以在高温下与多种氧化剂反应，也可以在催化剂的作 用下进行加氢反应。此外，碳纳米管还可以通过表面修饰改性来提高其化学反应性和相容 性。
表面基团
碳纳米管的表面可以含有多种基团，如羧基、羟基、羰基和环氧基等。这些基团的存在会 影响碳纳米管的化学反应性和相容性。
稳定性
碳纳米管简介
汇报人： 2023-12-15
金属-碳纳米管
金属-碳纳米管
金属-碳纳米管是一种新型复合材料，它将金属和碳纳米管结合在一起，形成了独特的纳米结构，具有许多优异的性能。
碳纳米管是一种典型的一维纳米材料，又名巴基管，是由单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝碳纳米管。
在微观尺度下，单根碳纳米管的拉伸强度可达200GPa，是碳素钢的100倍，而密度只有钢的1/7~1/6，弹性模量是钢的5倍；电导率可以达到108S·m-1，具有比铜高两个数量级的载流能力。
将金属和碳纳米管结合后，这种新型材料可以同时具备金属和碳纳米管的优异性能。
例如，它的强度和韧性可以得到显著提高，同时还具备良好的导电性和导热性。
此外，金属-碳纳米管复合材料还具有独特的结构和形态，可以用于制造各种高科技产品，如电子元件、传感器和医疗器械等。
总的来说，金属-碳纳米管复合材料具有广阔的应用前景和发展潜力，是一种极具前途的新型材料。
碳纳米管
碳纳米管是由单层或多层石墨片围绕同一中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管结构，两端通常被由五元环和七元环参与形成的半球形大富勒烯分子封住，端口的结构遵循鼎足五边形定则和欧拉定理。
端帽大部分都被认为是在六方网格状的碳纳米管中掺杂着五元环或者七元环的拓扑缺陷。
每层纳米管的管壁是一个由碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形网络平面所围成的圆柱面(图1)。
CNT根据管状物的石墨片层数可以分为单壁碳纳米管(SWNTs) 和多壁碳纳米管(MWNTs)。
图1SWNT的结构示意图(1)单壁碳纳米管的结构单壁碳纳米管在概念上可被认为是卷起来的单层石墨烯，直径大小分布范围小、缺陷少，具有更高的均匀一致性，是理想的分子纤维。
SWNT的管径一般为0. 7～3. 0 nm，长度为 1～50 μm，是一种理想的纳米通道，可用作储氢材料、半导体及场发射材料等。
SWNT可看做是由单层石墨烯片卷曲成的，在石墨烯片层卷成圆柱体的过程中，边界上的悬空键随即结合，从而导致碳纳米管轴方向的随机性。
在一般的碳纳米管结构中，碳原子的六边形格子是绕成螺旋型的，碳纳米管具有一定的螺旋度，如果将SWNT的石墨烯面沿纵向展开，就呈现类似于石墨烯面的二维几何形态。
碳纳米管的结构参数都能够由( n，m) 指数来确定。
不同的( n，m) 对应不同的手性矢量、手性角、卷曲方式、直径和周长等结构参数。
根据卷起的方向矢量(n，m)不同，SWNT 大致可呈现金属性(n－m = 3k，k为整数，无能隙)或半导体性(n－m ≠ 3k，k为整数，有能隙)。
根据折起的外部形态的不同，SWNT可分为扶手椅式、锯齿式和手性式。
通常，当m=n 时，称为扶手椅型管; 当 m=0 时，称为锯齿型管; 其他则一般称为手性管。
图2 几种不同类型的单壁碳纳米管(2)多壁碳纳米管的结构MWNT是由几层到几十层石墨烯片同轴卷曲而成的无缝管状物。
其层数从2到50不等，层间距为±nm，与层间距 nm的石墨相当，且层与层之间排列无序。
碳纳米管
e) Picture of a CNT and a polymeric sponge placed in a water bath. The CNT sponge is floating on the top while the polyurethane sponge absorbed water and sank to below the surface level. f) A CNT sponge bent to arch-shape at a large-angle by finger tips. g) A 5.5cm1 cm0.18cm sponge twisted by three round turns at the ends without breaking. h) Densification of two cubic-shaped sponges into small pellets (a flat carpet and a spherical particle, respectively) and full recovery to original structure upon ethanol absorption.
范守善院士
清华大学物理系
研究领域：近十余年的研究方向集中在纳米尺度材料的 科学与技术，主要研究方向为碳纳米管的生长机理、可 控制合成与应用探索。在深入揭示和理解碳纳米管生长 机理的基础上，实现了超顺排碳纳米管阵列、薄膜和线 材的可控制与规模化制备，研究并发现了碳纳米管材料 独特的物理化学性质，基于这些性质发展出了碳纳米管 发光和显示器件、透明柔性碳纳米管薄膜扬声器、碳纳 米管薄膜触摸屏等多种纳米产品，部分应用产品已具有 产业化前景，实现了从源头创新到产业化的转换。
低维材料之碳纳米管
五、碳纳米管复合材料
可以与金属，无机陶瓷材料，有机 高聚物复合，应用广泛
理想的工艺条件：氦气为载气，气压 60—50Pa，电流60A～ 100A，电压19V～25 V，电极间距1 mm～4mm，产率50％。 Iijima等生产出了半径约1 nm的单层碳管。
• 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。
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
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。
碳纳米管
碳纳米管的分类
• 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。
资料-碳纳米管
由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的同轴中空无缝管状结构，其管壁大都是由六边形碳原子网格组成。
根据管壁层数不同，一般分为单层碳纳米管和多层碳纳米管；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0.75～3nm和1～50μm。
又称富勒管(Fullerenes tubes多壁碳纳米管（Multi-walled nanotubes, MWNTs）：含有多层石墨烯片。
形状象个同轴电缆。
其层数从2～50不等，层间距为0.34±0.01nm，与石墨层间距(0.34nm)相当。
多壁管的典型直径和长度分别为2～30nm和0.1～50μm。
根据碳纳米管中碳六边形网格沿轴向的不同取向，可将其分为扶手椅型，锯齿型和螺旋型三种.SWNTs的顶端相当于半个富勒烯球组成的封闭管帽，是由适当数目和位置的五边形和六边形构成制备方法特点:通过各种外加能量，将碳源离解原子或离于形式，然后在凝聚就可以得到这种碳的一维结构。
1.电弧法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。
电弧法多采用直流电弧，电弧放电条件一般为：电极电压20～30V；电流50～150A；气体压力10～80kPa。
产率50％。
Iijima等生产出了半径约1 nm的单层碳管。
传统的电弧放电法只能制备多层纳米碳管，只有在加入金属催化剂时才可能得到单层碳纳米管，由此可见催化剂对于单层碳纳米管的生长是必不可少的。
2.化学气相沉积法CVD 方法利用热分解含碳化合物，在金属催化剂作用下，合成碳纤维。
常用的碳氢化合物包括甲烷、一氧化碳、苯等，而金属催化剂包括过渡金属( Fe 、Co 、Ni 及Mo 等) 以及它们的氧化物。
CVD 法具有设备简单、条件易控、能大规模制备、可以直接生长在合适的基底上等优点。
碳纳米管简介讲解
一、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
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）
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Ф0.33 nm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Ф 0.4 nm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。
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(band gap)）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。
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(CNTs)
碳纳米管（CNTs）—— “新时代的宠儿”2006 级普化论文碳纳米管（CNTs）—— “新时代的宠儿”赵婧 李坤桦 宋杨 刘涛北京大学化学与分子工程学院 一个崭新的碳纳米管世界提供给人类的将是不同于任何以往经验的东 西，它不仅会给人类生活带来一场革命，还会使我们再一次地感受到：科学与 技术正以日新月异的速度发展着，远没有终结的时候 ……摘要 Abstract:1991 年日本 NEC 公司的饭岛纯雄(Sumio Iijima)首次利用电子显微镜观察到中空碳纤 维，直径一般在几纳米到几十个纳米之间，长度为数微米，甚至毫米，称为“碳纳米管” 。
从此便引发了碳纳米管研究的热潮和近十几年来碳纳米管科学和技术的飞速发展。
本文主要 分为三部分： 1． 对纳米材料及碳纳米管的相关知识进行介绍 2． 于应用层次，讨论纳米材料及碳纳米管的应用前景 3． 客观比较各国研究现状，并预测纳米科技面临的机遇与挑战（见附文）关键字 Keywords： 纳米材料概述碳纳米管热点及应用现状与发展引言：生物科学技术、信息科学技术、纳米科学技术是下一世纪内科学技术发展的主流。
生 物科学技术中对基因的认识，产生了转基因生物技术，可以治疗顽症，也可以创造出自然界 不存在的生物； 信息科学技术使人们可以坐在家中便知天下大事， 因特网几乎可以改变人们 的生活方式。
而纳米科学技术作为二十一世纪的主导产业， 又将给人们带来怎样天翻地覆的 改变呢？……理论知识： 1.纳米材料概述： 纳米材料:指晶粒尺寸为纳米级(10-9 米)的超细材料。
从材料的结构单元层次来说， 它处于宏观物质和微观原子、分子之间的介观领域。
在纳米材料中，界面原子占极大比例，而 且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构成与晶态、非晶态均不同的一 种新的结构状态。
纳米科学技术：研究在千万分之一米(10-8)到亿分之一米(10-9 米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问； 同时在这一尺度范围内对原子、 分子进行操纵和加工又 被称为纳米技术。
碳纳米管
碳纳米管：贵比黄金、细赛人发的"超级纤维" -------------------------------------------------------------------------------- 贵比黄金、细赛人发的“超级纤维”碳纳米管，实际上和金刚石、石墨同属于一个家族。
作为近年来材料领域的研究热点，碳纳米管受到各国科学家的高度重视。
和厘米、微米一样，纳米是一种尺度单位，一纳米是一米的十亿分之一。
1991年被人类发现的碳纳米管，是由石墨碳原子层卷曲而成的碳管，管直径一般为几个纳米到几十个纳米，管壁厚度仅为几个纳米，像铁丝网卷成的一个空心圆柱状“笼形管”。
它非常微小，5万个并排起来才有人的一根头发丝宽，实际上是长度和直径之比很高的纤维。
作为石墨、金刚石等碳晶体家族的新成员，碳纳米管韧性很高，导电性极强，场发射性能优良，兼具金属性和半导体性，强度比钢高100倍，比重只有钢的1／6。
因为性能奇特，被科学家称为未来的“超级纤维”。
虽然成分和石墨一样，但碳纳米管潜在用途十分诱人：可制成极好的微细探针和导线、性能颇佳的加强材料、理想的储氢材料。
它使壁挂电视进一步成为可能，并在将来可能替代硅芯片的纳米芯片和纳米电子学中扮演极重要的角色，从而引发计算机行业革命。
碳纳米管也是“纳米世界”中的重要一员。
在纳米材料中，包括碳纳米管、碳纳米纤维在内的碳纳米材料一直是近年来国际科学的前沿领域之一。
从近期美国《科学索引》核心期刊发表的和碳纳米管有关论文数看，我国排在美、日之后位居世界前列。
碳纳米管的发展历程如下：1991年，日本科学家发现碳纳米管；1992年，科研人员发现碳纳米管随管壁曲卷结构不同而呈现出半导体或良导体的特异导电性；1995年，科学家研究并证实了其优良的场发射性能；1996年，我国科学家实现碳纳米管大面积定向生长；1998年，科研人员应用碳纳米管作电子管阴极；1998年，科学家使用碳纳米管制作室温工作的场效应晶体管；1999年，韩国一个研究小组制成碳纳米管阴极彩色显示器样管；2000年，日本科学家制成高亮度的碳纳米管场发射显示器样管。
纳米碳管 碳纳米管
纳米碳管碳纳米管
纳米碳管，也称为碳纳米管，是一种由碳原子构成的纳米结构
材料。
它们通常具有纳米级直径和微米级长度，呈现出管状结构。
碳纳米管可以分为单壁碳纳米管（SWCNTs）和多壁碳纳米管（MWCNTs）两种类型。
首先，让我们从结构和性质的角度来看待碳纳米管。
碳纳米管
的结构可以是单层（SWCNTs）或多层（MWCNTs）的碳原子排列而成
的管状结构。
它们通常具有优异的力学性能，如高强度、高导电性
和高导热性，这使得碳纳米管在材料科学和纳米技术领域具有重要
应用价值。
其次，从制备方法的角度来看，碳纳米管可以通过电弧放电法、化学气相沉积法、化学气相沉积法等多种方法制备。
每种方法都有
其独特的优点和局限性，因此在选择制备方法时需要综合考虑所需
的纯度、产率和成本等因素。
再者，从应用领域的角度来看，碳纳米管具有广泛的应用前景。
在材料科学领域，碳纳米管可以用于制备高性能复合材料、导电纳
米材料和传感器等；在生物医学领域，碳纳米管可以用于药物输送、
生物成像和组织工程等方面；在电子学领域，碳纳米管可以用于制备柔性电子器件和纳米电子器件等。
最后，从环境和安全的角度来看，碳纳米管的环境影响和安全性也备受关注。
由于其纳米级尺寸和特殊的化学性质，碳纳米管可能对环境和人体健康造成潜在风险，因此在碳纳米管的生产和应用过程中需要加强对其环境影响和安全性的评估和管理。
综上所述，碳纳米管作为一种重要的纳米结构材料，在结构和性质、制备方法、应用领域和环境安全等方面都具有重要意义和挑战。
对碳纳米管进行深入研究和全面评估，有助于推动其在各个领域的应用和发展。
碳纳米管
激光蒸发法
激光蒸发法是在1200℃ 下用激光蒸发石墨棒,以 镍、钴作为催化剂,得到 了纯度高达70管的应用和前景
碳纳米管具有强度高质 量轻的特点 ，比如应用 于跑车，飞机，卫星等。
新型纳米材料——碳纳米管
新型纳米材料——碳纳米管
简介：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。 结构性质：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。
碳纳米管的性能
力学性能
导电性能
传热性能
其他
力学性能
碳纳米管的抗拉强度是钢的 100倍,密度却只有钢的1/6， 它的弹性模量可达1TPa， 与金刚石的硬度相当，还具 有良好的柔韧性。碳纳米管 的结构却比高分子材料稳定 得多。碳纳米管是目前可可 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。
导电性能
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。电导率通常可达铜 的一万倍。
传热性能
纳米管具有良好的传热 性能和较高的热导率， 只要在复合材料中掺杂 微量的碳纳米管 ,该复 合材料的热导率将会可 能得到很大的改善。
碳纳米管的制备
电弧法
固相热解法
激光蒸发法
其他方法
电弧法
电弧法是制备碳纳米管的传 统方法。在真空室中充入一 定量的惰性气体，用填充有 铁或钴作为催化剂的较细的 石墨棒作为阳极，而较粗的 石墨棒作为阴极，通过石墨 电弧法进行反应得到富含单 壁碳纳米管的碳灰，经提纯， 可以得到单壁碳纳米管。
碳纳米管
碳纳米管一、简介（结构和性能）碳纳米管是一种具有石墨结晶的管状纳米碳材料，分为单壁碳纳米管（SWCNT）和多壁碳纳米管（MWCNT）两种，直径在纳米量级，具有很高的长径比。
单壁碳纳米管由单层石墨卷成柱状无缝管而形成，是结构完美的单分子材料。
多壁碳纳米管可看作由多个不同直径的单壁碳纳米管同轴套构而成。
单壁碳纳米管根据六边环螺旋方向螺旋角的不同，可以是金属型碳纳米管也可以是半导体型碳纳米管。
碳纳米管具有典型的层状中空结构特征,构成碳纳米管的层片之间存在一定的夹角碳纳米管的管身是准圆管结构，并且大多数由五边形截面所组成。
管身由六边形碳环微结构单元组成, 端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构，或者称为多边锥形多壁结构。
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。
它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，约为0.34nm，直径一般为2～20nm。
多壁碳纳米管的电性能和单壁碳纳米管相近。
金属型单壁碳纳米管和金属型多壁碳纳米管碳纳米管均是弹道式导体。
大电流通过不产生热量每平方厘米最大电流密度可达10安培。
碳纳米管也是优良的热传导材料。
多壁碳纳米管的热传导系数超过3000W/m.K，是很好的超导材料。
单壁碳纳米管的超导温度和直径相关，直径越小超导温度越高。
直径1.4nm时超导温度为0.55K，直径0.5nm时超导温度为 5K，直径0.4nm时超导温度为20K 。
碳纳米管还有非常好的力学性能。
小直径的单壁碳纳米管不但坚硬而且强度很高，是目前发现的唯一同时具有极高的弹性模量和抗拉强度的材料。
单壁碳纳米管的弹性模量和抗拉强度分别达到0.64TPa和 37Gpa。
多壁碳纳米管的弹性模量和抗拉强度分别达到0.45TPa和 1.7Gpa。
碳纳米管的抗拉强度可达钢的100倍同时密度只是钢的1/6。
二、碳纳米管的制备方法目前常用的碳纳米管制备方法主要有：电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相淀积法（碳氢气体热解法），固相热解法、辉光放电法和气体燃烧法等以及聚合反应合成法。
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碳纳米管简介潘春旭＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝武汉大学 物理科学与技术学院地址：430072湖北省 武汉市 武昌区 珞珈山电话：027-8768-2093(H)；8721-4880(O)传真：027-8765-4569E-Mail: cxpan@；cxpan@个人网页：/cxpan＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝1. 什么是碳纳米管？1991年日本NEC公司的饭岛纯雄(Sumio Iijima)首次利用电子显微镜观察到中空的碳纤维，直径一般在几纳米到几十个纳米之间，长度为数微米，甚至毫米，称为“碳纳米管”。
理论分析和实验观察认为它是一种由六角网状的石墨烯片卷成的具有螺旋周期管状结构。
正是由于饭岛的发现才真正引发了碳纳米管研究的热潮和近十年来碳纳米管科学和技术的飞速发展。
按照石墨烯片的层数，可分为：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0.75～3nm和1～50μm。
又称富勒管(Fullerenes tubes)。
2) 多壁碳纳米管（Multi-walled nanotubes, MWNTs）：含有多层石墨烯片。
形状象个同轴电缆。
其层数从2～50不等，层间距为0.34±0.01nm，与石墨层间距(0.34nm)相当。
多壁管的典型直径和长度分别为2～30nm和0.1～50μm。
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，单壁管是由单层圆柱型石墨层构成，其直径大小的分布范围小，缺陷少，具有更高的均匀一致性。
无论是多壁管还是单壁管都具有很高的长径比，一般为100～1000，最高可达1000～10000，完全可以认为是一维分子图1 碳纳米管原子排列结构示意图2. 碳纳米管的独特性质1) 力学性能碳纳米管的抗拉强度达到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。
如果用碳纳米管做成绳索，是迄今唯一可从月球挂到地球表面而不会被自身重量拉折的绳索，如果用它做成地球——月球载人电梯，人们来往月球和地球献方便了。
用这种轻而柔软、结实的材料做防弹背心那就更加理想了。
除此以外，它的高弹性和弯曲刚性估计可以由超过兆兆帕的杨氏模量的热振幅测量证实。
对于具有理想结构的单层壁的碳纳米管，其抗拉强度约800GPa；对于多层壁，理论计算太复杂，难于给出一确定的值。
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。
在大气氧化条件下，碳纳米管在973K的温度下失重很少，结构基本没有发生变化。
碳纳米管在酸、碱的长时间浸泡下，结构基本不发生破坏。
人们还预言，碳纳米管只会在非常高的应变（15％—20％）状况才会破坏。
在动力学模拟中，它们的行为象“超级细绳”。
纳米管能抗扭转力引起的畸变，在许多情况下，纳米管可以在卸载时恢复原来的截面，不象石墨纤维，压缩时易破坏。
压缩的纳米管形成波峰状的纽结，卸载后，能弹性地松弛。
纳米管的这种特性使其在诸如高强度复合材科的制造中和纺织原料的纺织中具有极大的吸引力。
碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。
若将碳纳米管与其他工程材料制成复合材料,可对基体起到强化作用。
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。
3) 热学性能一维管具有非常大的长径比，因而大量热是沿着长度方向传递的，通过合适的取向，这种管子可以合成高各向异性材料。
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。
纳米管的横向尺寸比多数在室温至150o C电介质的品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。
适当排列碳纳米管可得到非常高的各向异性热传导材料。
4) 储氢性能碳纳米管的中空结构，以及较石墨(0.335nm)略大的层间距(0.343nm)，是否具有更加优良的储氢性能，也成为科学家们关注的焦点。
1997年，A. C. Dillon对单壁碳纳米管(SWNT)的储氢性能做了研究，SWNT在0℃时,储氢量达到了5%。
DeLuchi指出:一辆燃料机车行驶500km,消耗约31kg的氢气，以现有的油箱来推算，需要氢气储存的重量和体积能量密度达到65%和62kg/m3。
这两个结果大大增加了人们对碳纳米管储氢应用前景的希望。
3. 碳纳米管的应用前景1) 超级电容器碳纳米管用作电双层电容器电极材料。
电双层电容器即可用作电容器也可作为一种能量存储装置。
超级电容器可大电流充放电，几乎没有充放电过电压，循环寿命可达上万次，工作温度范围很宽。
电双层电容在声频 -视频设备、调谐器、电话机和传真机等通讯设备及各种家用电器中可得到广泛应用。
作为电双层电容电极材料，要求材料结晶度高、导电性好、比表面积大，微孔大小集中在一定的范围内。
而目前一般用多孔炭作电极材料，不但微孔分布宽 (对存储能量有贡献的孔不到30%)，而且结晶度低、导电性差、导致容量小。
没有合适的材料是限制电双层电容在更广阔范围内使用的一个重要原因。
碳纳米管比表面积大、结晶度高、导电性好，微孔大小可通过合成工艺加以控制，因而是一种理想的电双层电容器电极材料。
由于碳纳米管具有开放的多孔结构，并能在与电解质的交界面形成双电层，从而聚集大量电荷，功率密度可达8000W/kg。
其在不同频率下测得的电容容量分别为102F/g(1Ｈｚ)和49F/g(100Hz)。
碳纳米管超级电容器是已知的最大容量的电容器，存在着巨大的商业价值。
2) 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。
导电塑料(聚脂)。
将碳纳米管均匀地扩散到塑料中，可获得强度更高并具有导电性能的塑料，可用于静电喷涂和静电消除材料，目前高档汽车的塑料零件由于采用了这种材料，可用普通塑料取代原用的工程塑料，简化制造工艺，降低了成本，并获得形状更复杂、强度更高、表面更美观的塑料零部件，是静电喷涂塑料 (聚脂 )的发展方向。
同时由于碳纳米管复合材料具有良好的导电性能，不会象绝缘塑料产生静电堆积，因此是用于静电消除、晶片加工、磁盘制造及洁净空间等领域的理想材料。
碳纳米管还有静电屏蔽功能，由于电子设备外壳可消除外部静电对设备的干扰，保证电子设备正常工作。
3) 电磁干扰屏蔽材料及隐形材料由于特殊的结构和介电性质,碳纳米管表现出较强的宽带微波吸收性能,它同时还具有质量轻、导电性可调变、高温抗氧化性能强和稳定性好等特点,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) 储氢材料碳纳米管经过处理后具有优异的储氢性能,理论上单壁碳纳米管的储氢能力在10%以上,目前中国科学家制备的碳纳米管储氢材料的储氢能力达到4%以上,至少是稀土的2倍。
根据实验结果推测,室温常压下,约2/3的氢能从这些可被多次利用的纳料材料中释放。
储存和凝聚大量的氢气可做成燃料电池驱动汽车。
5) 锂离子电池碳纳米管可用于锂离子电池负极材料。
碳纳米管的层间距为0.34nm,略大于石墨的层间距0.335nm,这有利于Li+的嵌入与迁出,它特殊的圆筒状构型不仅可使Li+从外壁和内壁两方面嵌入,又可防止因溶剂化Li+嵌入引起的石墨层剥离而造成负极材料的损坏。
碳纳米管掺杂石墨时可提高石墨负极的导电性,消除极化。
实验表明,用碳纳米管作为添加剂或单独用作锂离子电池的负极材料均可显著提高负极材料的嵌Li+容量和稳定性。
碳纳米管比表面积大,结晶度高,导电性好,微孔大小可通过合成工艺加以控制,因而有可能成为一种理想的电极材料。
在锂离子电池中加入碳纳米管,也可有效提高电池的储氢能力,从而大大提高锂离子电池的性能。
根据实验,多壁碳纳米管锂电池放电能力达到385 mA·h/g,单壁管则高达640mA·h/g,而石墨的理论放电极限为372 mA·h/g。
6) 场发射管(平板显示器)在硅片上镀上催化剂,在特定条件下使碳纳米管在硅片上垂直生长,形成阵列式结构,用于制造超高清晰度平板显示器,清晰度可达数万线。
同时也可使碳纳米管在镍、玻璃、钛、铬、石墨、钨等材料上形成阵列式结构,制造各种用途的场发射管。
7) 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。
8) 新型的电子探针将碳纳米管修饰到扫描隧道电子显微镜探针的针尖上，可观察到原子缝隙底部的情况，用这种工具可以得到分辨率极高的生物大分子图像。
如果在多壁碳纳米管的另一端修饰不同的基团，这些基团可以用来识别一些特种原子，这就使得从表征一般的微区形貌上升到实际的分子。
如果在探头针尖上装上一个阵列基团，完全能够对整个表面的分子进行识别，这对于研究生物薄膜、细胞结构和疾病诊断是非常有意义的。