固体碳的新形态_碳纳米管
纳米科技论文
碳纳米管性质及其应用研究进展碳是自然界分布非常普遍的一种元素。
碳元素最大的特点之一是存在着众多的同素异形体，形成许许多多结构和性质完全不同的物质。
长期以来，人们一直认为碳的晶体只有两种：石墨和金刚石。
直到1985年，英国科学家Kroto和美国科学家Smalley在研究激光蒸发石墨电极时发现了碳的第三种晶体形式C60，从此开启人类对碳认识的新阶段。
1991年，日本NEC公司基础研究实验室的电镜专家S.Lijima在用电子显微镜观察石墨电弧法制备富勒烯产物时，发现了一种新的碳的晶体结构--碳纳米管(CarbonNanotubes，CNTs)，自此开辟了碳科学发展的新篇章，也把人们带人了纳米科技的新时代。
碳纳米管的结构，形象地讲是由含六边形网格的石墨片卷曲而成的无缝纳米级圆筒，两端的“碳帽”由五边形或七边形参与封闭，根据石墨片层数的不同，碳纳米管可分为单壁管和多壁管。
由于其结构上的特殊性(径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米，甚至毫米量级)，它表现为典型的一维量子材料，并具有许多异常的力学、电学、光学、热学和化学性能。
碳纳米管在制备、结构、性能、应用等方面引起了物理学、化学和材料学等科学家的极大兴趣，均取得了重大的成果。
近几年来，随着碳纳米管及纳米材料研究的不断深入，其广阔应用前景也不断显现出来。
1碳纳米管的结构和性能碳纳米管可以看作是石墨片绕中心轴按一定的螺旋角度卷绕而成的无缝圆筒，碳原子间是sp2杂化，它具有典型的层状中空结构特征，管径在0.7-30nm之间，长度为微米量级，管身是由六边形碳环组成的多边形结构，两端由富勒烯半球形端帽封口。
碳纳米管的螺旋度通常用螺旋矢量Ch=na1+ma2表示，其数值等于碳纳米管的周长，其中n，m为整数，a1、a2是石墨晶格的基矢(图1)。
在二维石墨晶片上，给定一组(n，m)便确定了一个矢量Ch。
另一个重要参量是Ch与a1，间夹角θ，称为手性角。
当n=m，θ=30°时，称其为扶手椅形碳纳米管；当m=0，θ=0°时，称其为锯齿形碳纳米管；而当0°<θ<30°时形成的所有其他类型均是手性碳纳米管(图2)。
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。
新材料科学中的碳纳米管材料
新材料科学中的碳纳米管材料碳纳米管是一种由碳原子构成的管状结构，在新材料科学中具有重要的应用价值。
碳纳米管的特殊结构使得它具有许多独特的性质和优异的物理化学性能，有着广泛的应用范围和前景。
一、基本介绍碳纳米管是一种类似于石墨烯的碳材料，其结构是由碳原子构成的具有管状形态的微观结构。
碳纳米管的直径在纳米级别，一般为1纳米到50纳米之间。
它的长度可以是数十微米到数百微米，甚至可以达到数厘米以上。
碳纳米管具有很多独特的性质，比如强度高、导电性好、导热性好、化学稳定性强等等。
这些性质决定了碳纳米管可以广泛应用于电子、机械、光学、化学等领域。
二、应用领域1.电子领域在电子领域中，碳纳米管作为一种新型的半导体材料，具有很多优异的性质，如高电导率、高耐电压性、超短开关时间等。
这些特点使得碳纳米管可以广泛应用于晶体管、场效应晶体管、逆变器、传感器等电子器件中。
2.机械领域在机械领域中，碳纳米管有着很高的强度和韧性，可以被用于制作高强度的机械零部件。
例如，碳纳米管可以制成强度高、重量轻、耐磨损的轮胎、杆、桥梁等。
此外，碳纳米管还可以制成高性能的自行车、汽车、飞机等机械设备。
3.光学领域在光学领域中，碳纳米管可以制成具有高透明度和高导电性的薄膜，可以被应用于太阳能电池板、智能窗等光学器件中。
4.化学领域在化学领域中，碳纳米管可以被用作催化剂、吸附剂和分离材料。
例如，碳纳米管可以被用来催化氢气的产生和净化工业废气。
此外，碳纳米管还可以被用来制备高效的分离膜，用于饮用水的净化。
三、未来发展趋势由于碳纳米管具有独特的物理化学性质，有着广泛的应用前景，因此在近年来得到了广泛的关注。
未来，碳纳米管的发展将主要集中在以下几个方面：1.化学合成方法的改进当前，碳纳米管的主要制备方法是电弧放电法、激光热解法和化学气相沉积法。
然而这些方法存在制备成本高、质量不稳定、难于大规模制备等问题。
因此，未来的发展方向是改进或发展出更简单、更可控性强、更可扩展的制备方法，以适应未来碳纳米管的大规模制备需求。
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
新型碳材料的研究进展
新型碳材料的研究进展随着人们对环境保护的重视和对新能源材料需求的不断增长，碳材料在科学研究和工业应用中扮演着极为重要的角色。
新型碳材料是碳材料领域中备受关注的研究方向，新型碳材料的研究进展在近年来得到了大力推动和加速。
本文将概述新型碳材料的分类及其研究进展，同时简要介绍新型碳材料的应用前景。
一、新型碳材料的分类新型碳材料的分类可以从不同角度进行。
从碳材料的形态出发，新型碳材料可以分为两类：一类是二维新型碳材料，包括石墨烯、碳烯、碳纳米管等；另一类是三维新型碳材料，包括碳纳米晶体、碳纳米棒等。
从碳材料的材料来源和制备方法来看，新型碳材料又可以分为多种类型，例如气相化学沉积法、电化学法、碳化法、热解法、聚合物降解法等。
不同的制备方法可以制备出各种形态和形貌的新型碳材料，进而决定其物理化学性质和应用性能。
二、新型碳材料的研究进展1、石墨烯石墨烯是近年来新型碳材料中最受瞩目的材料之一。
其单层结构拥有优异的物理化学性能，因此被广泛应用于多个领域。
近年来，人们已经发现了许多新的石墨烯衍生物，例如氧化石墨烯、硝化石墨烯和磷酸化石墨烯等，这些衍生物拥有不同的性质和特点，进一步丰富了石墨烯的应用范围。
2、碳烯碳烯是近年来新发现的一种二维新型碳材料，其具有非常高的电导率和热导率。
同时，其加工容易、可大量制备的特点也使其成为了各个领域研究的热点。
不仅如此，碳烯还被证明对催化剂的催化活性有明显的提升作用，因此其在催化剂领域具有广阔应用前景。
3、碳纳米管碳纳米管是一种中空的纳米管状结构材料，其壁厚只有一个原子厚度，具有非常高的强度和导电性。
碳纳米管广泛应用于电子学、光电子学、生物医学、材料科学等领域。
此外，碳纳米管还可以作为催化剂载体，提高催化剂的稳定性和催化性能等。
4、碳纳米晶碳纳米晶是一种新型的三维碳材料，具有大量的孔隙结构和特殊的表面化学性质。
因此，其在吸附、分离等方面具有广泛的应用前景，例如催化剂载体、分离膜等。
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。
碳纳米管
炭纳米管对净化水溶液中铅镉离子的研究1 碳纳米管简介传统的炭素材料主要包括金刚石、石墨、卡宾、炭黑、活性炭和碳纤维等。
直到 1985 年发现 C60 后，人们认识到，碳还具有球笼形结构。
1991 通过高分辨透射电子显微镜发现了一种新的碳的同素异形体，并称其为“石墨碳微管”，即目前所称的碳纳米管。
它可以看作是由石墨碳六元环网状平面卷成筒状时所形成的管状物质。
自从碳纳米管这种新型材料被发现后，理论推测和实验结果都证明碳纳米管具有特异性能，具有难以估量的应用潜力和发展前景。
它的发现在材料科学领域具有深远的影响，基于其纳米尺度的中空管状结构、特殊的电磁性能、卓越的强度和弹性等特性，近年来在多个相关学科领域，关于碳纳米管的研究方兴未艾。
1.1 碳纳米管的结构和形态碳纳米管可定义为“将石墨六角网平面（石墨烯片）卷成无缝筒状时形成无缺陷的‘单层’管状物质或将其包裹在内，层层套叠而成的‘多层’管状物质”。
碳纳米管完全由表面碳原子组成，它们具有封闭的面状π电子体系。
碳纳米管的构型可以根据其管状层的螺旋性，分为非手性型和手性型两种。
碳纳米管这些构型的形成是由石墨烯片层卷成圆筒形的方式不同决定的，即源于卷曲方向和角度的不同。
由于碳纳米管中由石墨烯片卷曲而成的管状层可以是单层或多层的，于是具有单个管状层的炭纳米管可称为单壁碳纳米管（ SWCNTs），而有多个管状层的炭纳米管又称为多壁碳纳米管（MWCNTs）。
单壁碳纳米管比较细，其直径大多在数纳米左右，多数集中分布在 0.8～2 nm 附近。
单壁碳纳米管，由单层圆柱形石墨层构成，其直径大小的分布范围小，缺陷少，具有较高的均匀一致性，更具有规整的一维纳米级孔隙。
构成单壁碳纳米管的碳原子都处在表面位置，是同时具有表面和裹面的物质，故应具有较大的比表面积。
理论计算表明，碳纳米管的比表面积可在50～1315m2/g的较大范围变化。
多壁碳纳米管中石墨烯层间接近 ABAB……堆垛，层数从2～50 层不等，层间距为（0.34±0.01）nm，与石墨层间距（0.34 nm）相当。
碳纳米管化学物质cas号
碳纳米管化学物质cas号（实用版）目录1.碳纳米管简介2.碳纳米管的化学性质3.CAS 号的定义与作用4.碳纳米管的 CAS 号5.碳纳米管的应用领域正文1.碳纳米管简介碳纳米管（Carbon Nanotubes，简称 CNTs）是一种具有特殊结构的碳材料，其形态类似于管状，并以六角形排列。
碳纳米管重量轻、强度高、导电性能优越，拥有广泛的应用前景。
根据其结构和排列方式的不同，碳纳米管可分为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管等类型。
2.碳纳米管的化学性质碳纳米管作为一种碳材料，具有稳定的化学性质。
在常温下，它们能够抵抗大多数酸、碱、盐等化学物质的侵蚀。
同时，碳纳米管在高温条件下具有优良的氧化性，可用于催化剂等领域。
3.CAS 号的定义与作用CAS 号（Chemical Abstracts Service Number）是化学物质的唯一识别码，由美国化学文摘协会（Chemical Abstracts Service，简称 CAS）负责分配和管理。
CAS 号由三部分数字组成，能够准确无误地表示一种化学物质。
在科研、生产和安全管理等领域，CAS 号具有重要作用。
4.碳纳米管的 CAS 号由于碳纳米管是一种碳材料，其化学成分较为简单，因此并没有统一的 CAS 号。
在实际应用中，通常根据碳纳米管的具体类型、结构和制备方法等因素来命名和区分。
5.碳纳米管的应用领域碳纳米管具有广泛的应用前景，涵盖了材料、能源、生物医学等多个领域。
例如，碳纳米管可作为高强度、轻质的材料用于航空航天等产业；其优良的导电性能使其成为新一代电子器件的研究热点；在生物医学领域，碳纳米管可作为药物载体、影像剂等。
多壁碳纳米管 碳纳米管-定义说明解析
多壁碳纳米管碳纳米管-概述说明以及解释1.引言1.1 概述多壁碳纳米管是一种碳纳米材料，具有多层结构和管状形态。
它们通常由几层碳原子以同心圆排列而成，因此比单壁碳纳米管具有更大的尺寸和更强的力学性能。
多壁碳纳米管在近年来引起了广泛的研究兴趣，因为它们具有优异的导电性、导热性和力学性能，可应用于电子器件、材料加固、纳米传感器等领域。
本文将探讨多壁碳纳米管的定义、制备方法以及其在材料科学中的应用，旨在深入了解这一新型碳纳米材料的特性和潜在应用。
1.2 文章结构：本文主要分为引言、正文和结论三个部分。
在引言部分，将首先对多壁碳纳米管进行概述，介绍其定义和特性，然后对文章的结构进行概述，以及本文的写作目的。
在正文部分，将深入讨论多壁碳纳米管的定义和特性，介绍其制备方法以及在材料科学领域中的应用。
最后在结论部分，对多壁碳纳米管的重要性进行总结，展望其未来的发展，并给出一些结束语。
通过这样的结构安排，读者可以全面了解多壁碳纳米管的相关知识，以及在材料科学领域中的应用前景。
1.3 目的本文旨在深入探讨多壁碳纳米管在材料科学领域的重要性和应用，探讨其制备方法及其优势特性。
通过对多壁碳纳米管的定义和特性进行详细介绍，旨在使读者了解其在各种领域的潜在应用，以及其在材料科学中的重要性。
同时，本文也旨在展望多壁碳纳米管未来的发展方向，为相关领域的研究者和从业人员提供一定的参考和启发。
希望通过本文的阐述，读者能够更深入地了解多壁碳纳米管的研究现状和未来发展方向，从而推动该领域的更进一步发展。
2.正文2.1 多壁碳纳米管的定义和特性多壁碳纳米管(MWCNTs)是由数层碳原子排列成管状结构而成的碳纳米材料。
与单壁碳纳米管(SWCNTs)相比，MWCNTs具有更复杂的结构，其中含有多个碳层，通常在10到100层之间。
这种多层结构赋予MWCNTs更强的机械性能和化学稳定性。
MWCNTs的直径通常在2到100纳米之间，长度则可达数微米至数十微米。
碳纳米管简介
碳纳米管简介
碳纳米管(CNTs)是一种新型的石墨材料，它是由石墨片层卷曲而成的圆柱形结构，其直径范围一般为一纳米至几百纳米。
这些管状纤维的长度变化范围也很大，一般为几微米到几千微米；因此碳纳米管的长径比（长度与直径的比值）范围为一千~十万。
这么大的长径比以及独特的结构使得碳纳米管与众多其他材料有很大差别。
碳纳米管有很多独特的性质，例如，其强度是不锈钢的16倍，热导率为铜的5倍。
由于碳纳米管自身为粉末状态，它可能是构筑新型复合材料的最合适的添加剂。
将碳纳米管加入到聚合物、陶瓷或金属基体中后，可以显著提高主体材料的物理性质（如导电性、导热性和其他物理性质），其效果远远优于炭黑、碳纤维或玻璃纤维等传统添加剂。
碳纳米管可以分为单壁、双壁和多壁碳纳米管，其主要差别在于碳纳米管结构中石墨片层的数目。
为方便参考，这里列出了一些碳纳米管的常见性能参数：
1. 电阻率：10 -4 Ω-cm
2. 电流密度：107 amps/cm2
3.热导率：3,000 W/mK
4. 抗拉强度：30 GPa
1。
化工新型材料_碳纳米管
化工新型材料———碳纳米管邹汉波 董新法 林维明(华南理工大学化工学院,广州510640)摘 要 本文扼要介绍了碳纳米管的分类和结构,着重讨论了两种常用的碳纳米管的制备方法及其在化工领域的应用。
关键词 碳纳米管,制备,应用A ne w chemical industrial material———carbon nanotubesZ ou Hanbo1 Dong Xinfa Lin Weiming(College of Chemical Engineering,South China University of Technology,Guangzhou510640)Abstract The types and structure of carbon nanotubes are introduced.The two common preparations methods are discussed in detail.Besides their applications in chemical industry are summarized.K ey w ords carbon nanotubes,preparation,application 自1991年日本科学家饭岛(Iijima)1意外地发现了碳纳米管以来,碳纳米管就以其特有的机械强度,惊人的电学性质及在化工和材料等方面的潜在应用,引起了各国科学家的关注。
1 碳纳米管简介碳纳米管又称巴基管,属富勒碳系,它是由单层或多层石墨片卷曲而成的无缝纳米级管。
每层碳纳米管是一个由碳原子通过SP2杂化与周围3个碳原子完全键合而成的六边形平面组成的圆柱面[2]。
由于碳管的直径一般在1～30nm之间,而长度可达微米级,长径比在100～1000之间,因此可以将它看成一维的量子线。
根据碳纳米管中碳原子层数的不同,碳纳米管大致可分为两类:单壁碳纳米管(SWN Ts)和多壁碳纳米管(MWN Ts)。
碳纳米管技术的应用前景及其在电子学中的意义
碳纳米管技术的应用前景及其在电子学中的意义碳纳米管是一项非常重要的材料研究领域，在电子学和其他各种领域中具有广泛应用前景。
本文将介绍碳纳米管技术的基础知识以及它在电子学中的应用和意义。
一、碳纳米管的基础知识碳纳米管是一种由碳原子构成的纳米材料，呈现出管状或棒状的形态。
它们的特点在于拥有极高的强度和柔韧性，具有优异的导电性和热导率，同时还拥有极小的尺寸和极大的比表面积。
这些特性使碳纳米管具有极大的发展潜力，已经引起了人们的广泛关注。
碳纳米管的制备方法主要有化学气相沉积法、电弧放电法、化学还原法、等离子体增强化学气相沉积法等多种方法。
其中化学气相沉积法是用最多的一种方法，可以生产高纯度、高规模的碳纳米管材料。
二、碳纳米管技术在电子学中的应用碳纳米管具有出色的电子特性，比如说，电子的传输速度在碳纳米管中可以达到光速的一半以上，这意味着它们可以在非常短的时间内完成电子传输，从而提供极快的数据处理速度。
这也是其在电子学中应用的主要原因之一。
1.晶体管早期的计算机芯片使用硅基半导体材料制成晶体管，但是它们的速度和发热量都比较高。
因此，利用碳纳米管制造晶体管成为一种新型的选择。
使用管状的碳纳米管可以使得电子通过直线路径移动，而这些路径的长度可能是晶体管的十倍以上，使得体积更小的芯片可以运行得更快、更稳定而且消耗的能量更少。
2.柔性电子学碳纳米管的一大优势在于它们可以被弯曲，所以碳纳米管可以被应用在柔性电子学中，如制造弯曲屏幕等领域。
柔性电子学需要的电子元器件必须在可弯曲的基底中工作，而碳纳米管能够提供满足该需求的高度灵活的电子元器件。
3.传感器碳纳米管也可以应用在传感器的领域中。
传感器是检测和测量环境因素的设备。
而碳纳米管的特殊形态和性质可以提高传感器的敏感性和精度，比如在气体传感器中可以对甲烷和乙烷的检测敏感性及选择性的测量与判定。
三、碳纳米管技术在电子学中的意义碳纳米管技术不仅仅是一种新发现，而是一种为未来铺设技术发展路线的基础材料。
碳纳米管概述
碳纳米管概述1、碳纳米管的结构1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家Iijima[22]在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子，这就是现在被称作的“Carbon Nanotubes”，即碳纳米管(CNTs)，又名巴基管碳.纳米管是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸可达微米量级）的一维量子材料，具有典型的层状中空结构特征，一般管的两端有端帽封口．碳纳米管的管身是准圆管结构，由六边型碳环结构单元组成，端帽部分为含五边形和六边形的碳环组成的多边形结构[23]．碳纳米管可以只有一层也可以有多层，分别称为单层碳纳米管和多层碳纳米管．由于其独特的结构，碳纳米管的研究具有重大的理论意义和潜在的应用价值，如：其独特的结构是理想的一维模型材料；巨大的长径比使其有望用作坚韧的碳纤维，其强度为钢的100倍，重量则只有钢的1/6；同时它还有望用作为分子导线，纳米半导体材料，催化剂载体，分子吸收剂和近场发射材料等．科学家们还预测碳纳米管将成为21世纪最有前途的纳米材料，以碳纳米管为材料的显示器将是很薄的，可以像招贴画那样挂在墙上．碳纳米管依其结构特征可以分为三种类型：扶手椅型纳米管，锯齿型纳米管和手性纳米管．按照是否含有管壁缺陷可以分为：完善碳纳米管和含缺陷碳纳米管．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型等．2、碳纳米管的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．碳纳米管具有良好的导电性能，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．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．有报道说Huang通过计算认为直径为0.7nm的碳纳米管具有超导性，尽管其超导转变温度只有1.5×10-4K，但是预示着碳纳米管在超导领域的应用前景[24]．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．另外，碳纳米管有着较高的热导率，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．3、碳纳米管的改性方法尽管碳纳米管有其优异的综合性能，但是因为碳纳米管具有较大的比表面积及表面自由能，管与管之间易团聚形成带有若干弱连接界面且尺寸较大的团聚体，从而在有机溶剂中的分散性较差，这些缺点限制了它的进一步广泛应用．特别是对于聚合物/碳纳米管复合材料而言，这些团聚体很难被分散开，容易形成应力集中点，从而导致材料的性能下降．同时碳纳米管与大多数聚合物相比，亲和性比较差，而且界面结合较弱．为了解决这些问题，我们必须对碳纳米管进行改性．改性的主要目的是降低它的表面能，提高它与有机相的亲和力．目前碳纳米管改性的方法通常分为两大类:一类是共价键改性，另一类是非共价键改性．本课题中共价键合CNT修饰一般是在CNT表面进行ATRP、NMP、RAFT及离子聚合等活性聚合、自由基聚合或化学改性以获得聚合物共价修饰的碳纳米管．非共价修饰CNT则主要基于聚合物和CNT间的三种不同相互作用方法展开研究：π-π作用，静电作用，物理包覆．聚合物修饰不仅改善了碳纳米管的分散性能，还赋予碳纳米管新的性能．3.1 碳纳米管表面共价键改性碳纳米管表面的共价功能化修饰的其中一种方法是对其侧壁进行氟化研究．被功能化的碳纳米管表面的氟原子可以通过亲核取代反应被取代，开辟了一条将不同的官能团引入到碳纳米管两端和表面的新路径．在碳纳米管修饰过程中的另一个突破性的发现就是浓酸氧化法，其方法是利用超声条件，在一定量浓度硝酸和硫酸的混合溶液中，使碳纳米管上修饰了羧基．这样剧烈的条件可以使碳纳米管的顶端以及管壁氧化开环，伴随着开环过程的发生，最终所得碳纳米管产物长度在100到300nm范围，管壁和顶端都修饰了一定密度的官能团，其中主要以羧基为主．在稍微弱一点的酸性环境中，比如在稀硝酸中回流，可以减少碳纳米管的断裂，开环主要发生在具有缺陷的位置，修饰后的碳纳米管依旧保持原有的电学和机械性质．对碳纳米管进行共价修饰通常可以利用碳纳米管表面的羧基．3.2 碳纳米管表面非共价改性碳纳米管管壁由SP2碳原子构成，具有高度离域的π电子体系，这些二电子可以与含有π电子的其他化合物通过π-π键作用来形成功能化的碳纳米管，同时疏水部分的相互作用及超分子包合作用也是非共价功能化的主要机理．通常碳纳米管的物理改性是在超声作用下，表面活性剂或聚合物等分子的疏水部分与疏水的管壁相互作用，而亲水部分与水等极性溶剂相互作用，从而阻止了碳纳米管在溶剂中的团聚．非共价功能化碳纳米管有其独特的优点：①不损伤碳纳米管的π电子体系；②有望将碳纳米管组装成有序网络．3.2.1 表面活性剂法在两性分子表面活性剂存在的条件下，可以制备出水溶性的碳纳米管．表面活性剂的憎水基团会在碳纳米管表面按一定的方向排列，而极性亲水性基团会在碳纳米管外表面与溶剂分子相互作用．M.F.Islam等发现通过十二烷基苯磺酸钠(NADDBS)、辛基苯磺酸钠(NAOBS)、苯甲酸钠(NABBS)、十二烷基硫酸钠(SDS)等表面活性剂物理吸附作用可以制备出水溶性碳纳米管．而且发现苯环和碳纳米管间的π-π配位作用可以增加表面活性剂在碳纳米管中的物理吸附能力；当端基相同时，烷基链较长的表面活性剂具有更好的吸附能力．范凌云等采用阴离子改性剂十二烷基苯磺酸钠、十二烷基硫酸钠在乙醇溶液中对碳纳米管表面进行改性处理，考察了不同表面改性剂对．PMMA/MWCNTs复合材料电性能的影响．研究发现经表面改性处理后的MWCNTs团聚体有了较大的改善，改性后的MWCNTs在复合材料中分散比较均匀，较大地改善了聚合物的电性能．3.2.2 聚合物包裹法通过π键作用，许多大分子质量的高聚物分子链能够缠绕、包覆碳纳米管表面，降低碳纳米管的范德华力，从而增加碳纳米管在溶剂中的溶解度．Curran等[25]测量了通过π-π相互作用的PmPv-MWCNTs复合材料的发光和光致导电性质．结果表明，其导电性较碳纳米管高8-10个数量级，并能提高发光二极管在空气中的稳定性．Connel等[26]通过非共价连接聚乙烯毗咯烷酮(PVP)和聚苯乙烯磺酸盐(PSS)于SWCNT上，实现了线型聚合物功能化，使其可溶于水．这类聚合物可紧密均匀的缠绕在SWCNT侧壁．实验证明，这种功能化的热力学推动力在于聚合物破坏了碳纳米管的疏水界面，消除了SWCNT集合体中管与管间的作用，通过改变溶剂系统还可以实现去功能化操作．因此线型聚合物的SWCNT 功能化方法可用于它的纯化分散，并可把SWCNT引入生物等相关体系．Star等制备了聚间苯亚乙烯衍生物，并用其对SWCNT进行非共价功能化修饰，然后用紫外-可见光(UV-Vis)、核磁(NMR)进行了表征，UV-Vis谱图表明，PmPv己经缠绕在碳纳米管表面，NMR谱图的共振位置也更加明确地解释了功能化的结合位置．他们进一步用原子力显微镜(AFM)对单根功能化SWCNT束进行了光电导及双光子荧光实验，结果表面，PmPV衍生物与碳纳米管表面之间接触紧密，功能化产物是聚合物缠绕的SWCNT束，而不是聚合物包覆的单根SWCNT后聚集成的束．3.2.3 双亲性聚合物改性碳纳米管两亲性聚合物是指在一个大分子中同时含有亲水基团和疏水基团的聚合物．两亲性聚合物具有独特的性能，如pH温度响应，自组装特性等，因此在众多领域具有潜在的应用前景．利用两亲性共聚物的自组装特性，将其与碳纳米管(CNT)结合，可赋予碳纳米管更加优异的性能．这些材料将在信息、生物医学、催化等领域得到重要应用．4、碳纳米管研究现状及发展前景谢续明等[27]利用苯乙烯类聚合物对分散碳纳米管进行了研究，如果以响应性聚合物修饰CNT则可以赋予CNT特定功和响应性．通常聚合物分散碳纳米管都在有机溶剂体系进行，溶剂的挥发性对人有伤害，且分散CNT长期稳定性欠佳．Hudson等[28]人制备了水溶性的碳纳米管，使得碳纳米管在水中分散稳定性得到明显提高．美国明尼苏达大学的Kang 和Taton等人[29]尝试在水溶液中设计新的方法分散CNT，用双亲性嵌段大分子PSt-b-PAA组装胶束来稳定碳纳米管，随后在胶束稳定的CNT溶液中加入交联剂使胶束发生交联进一步稳定CNT．这些研究解决了CNT 在水相的分散稳定问题，但在CNT外围富集的水溶性聚合物链使其电性能下降[30-31]，影响其进一步的应用；而嵌段共聚物规模化制备较困难，外加交联剂使得体系复杂化．碳纳米管具有两个优异的电学性能即场发射性质和二重电性质．由于碳纳米管顶端可以做得极为尖锐，因此可以在比其它材料更低的激发电场作用下发射电子，并且由于强的碳碳结合键使碳纳米管可以长时间工作而不损坏，具有极好的场致电子发射性能，这一性能可用于制作平面显示装置使之更薄、更省电来取代笨重和低效的电视和计算机显示器，碳纳米管的优异场发射性能还可使其应用于微波放大器真空电源开关和制版技术上，单层碳纳米管还可以用作传感器．当半导体性的单层碳纳米管暴露于含有NO2或NH3的气氛中时其导电性会发生急剧变化，通过这种效应可以探测这些气体在某些环境中的含量，这种传感器的灵敏度要远远高于现有室温下的探测器．总之，碳纳米管在电子材料领域有广阔的应用前景．。
碳纳米管介绍
此法特点：操作简单, 工艺参数更易控制，生长温度相对较低，成本低，产量大，可规模化生产。但由于其制备的碳纳米管含有许多杂质,且碳纳米管缠绕成微米级大团，需要进一步纯化和分散处理。
二.碳纳米管材料的性能
热学性能
碳纳米管具有良好的传热性能，由于是一维材料，其在径向上的导热性能优越，我们甚至可以在复合材料中掺杂微量的碳纳米管 ,使得复合材料的热导率得到很大的改善。
碳纳米管材料的性能
储氢性能
碳纳米管具有比较大的表面积，且具有大量的微孔，其储氢量远远大于传统材料的储氢量，因此被认为是良好的存储材料。
激光蒸发法是一种简单有效的制备碳纳米管的新方法。与电弧法相比，前者用电弧放电的方式产生高温，后者则用激光蒸发产生高温。得到的碳纳米管的形态与电弧法得到的相似，但碳纳米管质量更高，并无无定形碳出现。这种方法易于连续生产，但制备出的碳纳米管的纯度低，易缠结，且需要昂贵的激光器，耗费大。
3.化学气相沉积法（CVD）
碳纳米管对红外和电磁波有隐身作用：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，大大减少波的反射率；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，也使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，起到了隐身作用。可用于隐形材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料。
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，将惰性气体充入管内，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碳纳米管。
碳纳米管纳米材料
碳纳米管纳米材料
碳纳米管（Carbonnanotube，CNT）是一种由碳原子构成的蜂窝状晶体结构，具有极强的力学和电学性能，其直径仅为纳米级别，长度可达数百微米甚至更长。
碳纳米管纳米材料是指以碳纳米管为主体材料制备的纳米材料，其应用范围非常广泛，主要包括电子学、储能材料、催化剂、生物医学等领域。
在电子学领域，碳纳米管可以用作场效应晶体管、单电子晶体管、透明导电材料等，因其高电导率、高载流子迁移率等特点，有望取代硅材料成为下一代半导体材料。
在储能材料领域，碳纳米管可以制备成超级电容器、锂离子电池等，具有高能量密度、高功率密度、长循环寿命等特点，是研究新型储能材料的热点之一。
在催化剂领域，碳纳米管可以被用作载体或者催化剂本身，具有高催化活性、高选择性等特点，可用于制备高附加值的化学品。
在生物医学领域，碳纳米管可以用于生物传感、药物制备等，因其小尺寸、低毒性、良好的生物相容性等特点，被认为是一种有前途的纳米生物材料。
总的来说，碳纳米管纳米材料具有非常广泛的应用前景，也是当前纳米科技领域的研究热点之一，其未来在各个领域的应用前景非常广阔。
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碳纳米管CNTS
碳纳米管的独特工能及应用1985年，Kroto和Smalley[1]发现了一种直径仅为0.7nm的球状分子，被称为C60，亦称富勒烯(fullerene)。
这是继石墨和金刚石之后，碳的另一种同素异形体。
随后，日本NEC公司的Sumio．Iijima[2]在合成C60中，首次利用电子显微镜发现了CNTs(Carbon nanotubes)，又称巴基管(Bucktube)。
CNTs是一种类似石墨结构的六边形网格卷绕而成的、两端为半球形端帽、具有典型层状中空结构的材料。
根据石墨片层数的不同，CNTs可分为多壁碳纳米管(MWNTs)和单壁碳纳米(SWNTs)。
研究表明，CNTs的密度只有钢的1／6，强度却是钢的100倍，模量可达1．8 TPa。
CNTs是典型的一维纳米结构，其超强的力学性能、超大的长径比(一般大于1000)、极好的化学和热稳定性、良好的光电性能，使其具有广泛应用于生物传感器、储氢容器、超容量电容器、机电激励器、结构增强材料等方面的应用前景[3-4]。
CNTs长径比高、比表面大、比强度高、电导率高、界面效应强，因而具有优异的力学、电学、热学、光学性能．成为世界范围内的研究热点之一。
近几年来．随着CNTs合成技术的日益成熟．低成本批量生产CNTs已成为可能，并在场发射、分子电子器件、复合材料、储氢、吸附、催化诸多领域已经展现出其广阔的应用前景。
一、碳纳米管的结构CNTs是一种主要由碳六边形(弯曲处为碳五边形或碳七边形)组成的单层或多层石墨片卷曲而成的无缝纳米管状壳层结构，相邻层间距与石墨的层间距相当，约为0.34nm。
碳纳米管的直径为零点几纳米至几十纳米，长度一般为几十纳米至微米级，也有超长CNTs，长度达2mm。
按照石墨烯片的层数，可分为单壁CNTs和多壁CNTs。
(1)单壁CNTs(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)。
碳的一维材料
碳的一维材料一维材料是指在一维空间中具有特殊结构和性质的材料，碳的一维材料是指由碳原子组成的具有一维结构的材料。
碳的一维材料包括纳米管和纳米线。
本文将对碳的一维材料进行详细介绍。
一、碳纳米管碳纳米管是由碳原子构成的中空圆筒状结构，具有极高的强度和导电性能。
碳纳米管可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管两种。
单壁碳纳米管是由一个或数个层的碳原子构成的管状结构，直径通常在1到100纳米之间。
单壁碳纳米管具有较高的强度和导电性能，具有巨大的应用潜力。
它可以应用于电子器件、传感器、储能材料等领域。
多壁碳纳米管是由多层碳原子构成的管状结构，直径通常在10到100纳米之间。
多壁碳纳米管具有较高的力学强度和导电性能，可以应用于材料增强、催化剂载体等领域。
二、碳纳米线碳纳米线是由碳原子构成的直径在1到100纳米之间的线状结构，具有较高的强度和导电性能。
碳纳米线可以分为多种形态，包括直线状、弯曲状和分支状等。
碳纳米线具有较高的比表面积和活性，可以应用于催化剂、传感器、储能材料等领域。
此外，碳纳米线还具有良好的柔性和可拉伸性，可以应用于柔性电子器件和可穿戴设备等领域。
三、碳的一维材料的制备方法碳纳米管的制备方法主要包括化学气相沉积、电弧放电法和悬浮液层析法等。
化学气相沉积是最常用的制备方法，通过在高温下将碳源气体分解成碳原子，再在催化剂的作用下形成碳纳米管。
电弧放电法是将含有碳源的阳极和阴极放电，产生高温和高压的条件下形成碳纳米管。
悬浮液层析法是将碳纳米管的前体溶液通过离心或过滤等方法分离出来。
碳纳米线的制备方法主要包括电化学沉积、化学气相沉积和拉伸法等。
电化学沉积是通过在电解质溶液中使用电流控制碳纳米线的生长。
化学气相沉积是在高温下将碳源气体分解成碳原子，再在催化剂的作用下形成碳纳米线。
拉伸法是通过拉伸碳纤维或碳纳米管，使其在纳米尺度下形成碳纳米线。
四、碳的一维材料的应用碳纳米管和碳纳米线具有独特的结构和性能，具有广泛的应用前景。
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第13卷 第4期1998年8月固体碳的新形态———碳纳米管杨占红 李新海 李 晶(中南工业大学冶金物理化学与化学新材料研究所 长沙410083) 摘要 本文从化学角度介绍了碳纳米管的分子结构、制备方法和应用,并对其发展前景做了展望。
同时,也对单层碳纳米管的发现做了介绍。
关键词 碳纳米管 制备 应用 随着C 60及富勒烯化合物的合成,寻找碳可能存在的同素异形体业已成为人们关注的焦点,1991年,日本科学家饭岛(Iijima )[1]发现了一种针状的管形碳单质———碳纳米管。
1992年Ebbesn [2]等提出了实验室规模合成碳纳米管的方法。
宏观量碳纳米管的合成和提纯,给碳纳米管化学性质的研究提供了可能性。
此后,许多国家的科学家投入大量的精力对碳纳米管的制备、性质、应用进行了一系列的研究,并取得了可喜的成果。
1. 结构 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。
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(图1)[3～4]。
层与层之间保持固定的距离,约0134nm ,直径一般为2～20nm 。
碳纳米管不总是笔直的,而是局部区域出现凸凹现象,这是由于在六边形编织过程中出现了五边形和七边形。
除六边形外,五边形和七边形在碳纳米管中也扮演重要角色。
当六边形逐渐延伸出现图1 碳纳米管的结构 五边形时,由于张力的关系而导致纳米管凸出。
如果五边形正好出现在碳纳米管的顶端,即形成碳纳米管的封口。
当出现七边形时,纳米管则凹进。
两根毗邻的碳纳米管不是直接粘在一起的,而是保持一定距离,Ruff 等用Jarrel 2Ash 扫描显微光度计精确测量了两根非常接近的碳纳米管间的距离。
2. 碳纳米管的制备 目前,大量的碳纳米管主要采用以下方法来制备: (1) 电弧法[1,2] 其原理为石墨电极在电弧产生的高温下蒸发,在阴极沉积出纳米管。
传统的石墨棒直流电弧放电法是在真空反应器中充以一定压力的惰性气体,采用面积较大的石墨电极为阴极,细石墨棒为阳极。
电弧放电的过程中,阳极石墨棒不断消耗,同时在石墨电极上沉积出含有碳纳米管的结疤。
这种方法具有简单快速的特点,到目前为止,仍不失为一种好的制备方法。
C olbert P T [5]等认为该法所产生的碳纳米管缺陷较多,究其原图2 制造碳纳米管的电弧炉 因是电弧温度高达3000～3700℃,形成的碳纳米管被烧结于一体,造成较多的缺陷。
所以他们把一般阴极(大石墨电极)改成一个可以冷却的铜电极,再在上面接石墨电极(图2),这样产物的形貌和结构大为改观,使电弧法再次焕发了青春。
(2) 气相热解法 气相热解法[6,7]是通过烃类(C 6H 6、C 2H 2)在Fe 、C o 、Ni 等催化剂的催化下裂解而成的,具体制备一般是取少量催化剂,于固定床常压连续流动反应器中,在600℃、H 2气氛下预还原015h ,迅速转换至反应所需温度,导入纯净的烃类(或蒸汽)。
该法的产率较高,但含管状结构的产物比例不高,管径不整齐,形状不规则,且在制备过程中必须使用催化剂。
(3) 固相热解法 固相热解法[8,9]是采用常规固相热解含碳亚稳固体生长碳纳米管的新方法。
一般采用亚稳非晶碳氮化硅粉为原料,将其放入BN 坩锅中再放入石墨炉体内。
系统抽空之后再充入1×105Pa 的N 2,密闭系统。
然后升温加热至一定温度。
保温一段时间后冷却到室温,热解样品表面即有碳纳米管生成。
本法具有过程稳定、不需催化剂、原位生长等多种优点,但因为受原料的限制,使其生产不能上规模和连续化。
(4) 离子或激光溅射法[10,11] 利用等离子或激光蒸发石墨至相对的金属2石墨靶上来生产碳纳米管。
利用激光器聚焦成6～7mm 的光束照射至含有金属的石墨靶上,激光在计算机的控制下,平和定量地维持石墨蒸发,蒸发的烟灰被氩气从炉体中带走,然后沉积在炉外的水冷铜收集器表面。
此法易于连续生产,但由于设备上的原因,限制了它的规模。
自1991年以来,中南工业大学一直与日本东京大学合作,开展了富勒烯的有关研究。
自1991年成功地研制出C 60、C 70等富勒烯以来,广泛开展了富勒烯单晶及膜的制备、富勒烯衍生物的合成等一系列工作,并对它们的电化学、光化学进行了研究[12,13]。
首先利用结晶温度梯度下降法培养出当时世界上最大的富勒烯单晶,几乎与Bell 实验室同时制备出大面积C 60分子及化合物、膜和C 60光聚合膜。
近年来,又重点从事了碳纳米管的研究,在碳棒结瘤上得到了碳纳米管,发现稀土金属对形成碳纳米管具有催化作用。
并且开展了催化法生长碳纳米管可控生长技术的研究,得到了新的发现与进展。
3. 单层碳纳米管的发现 为了检测碳纳米管的电子结构和机械强度,人们希望得到具有较好的形貌,长度较长,厚度较薄,嵌套层数较少的碳纳米管。
虽然通常采用电弧法合成的碳纳米管多为多层结构,但在进行碳纳米管的有关计算时,人们最为关注的却是单层碳纳米管。
1993年,日本NEC 公司的Iijima [14]和美国I BM 公司的Bethune [15]研究组几乎同时发现了单层碳纳米管的合成。
Iijima 在通常的电弧放电反应器中,充入总压力为1133×104Pa 的甲烷与氩气,阴极碳电极的一部分换成铁,铁与碳同时蒸发则得单层碳纳米管。
Bethune 等则在电弧放电法制备碳纳米管过程中,在阳极碳棒中填充金属钴粉末,使之在氦气气氛中蒸发后,在反应器内生成橡胶状的块状物中发现存在有直径1～2nm 的单层碳纳米管。
日本三重大学的Saito [16,17]用镍或稀土元素充填阳极棒,合成了现有报道中最小尺寸的碳纳米管,它们的平均直径大约为1nm,最小直径为017nm。
应该注意的是,用上述方法制得的单层碳纳米管,不是存在于阴极堆积物中,而是在含有大量金属碳化物飞散的碳黑中。
由此可知,单层碳纳米管是在Fe、C o、Ni、稀土元素等金属催化下于气相中生成的,这一点与在惰性气氛中生成富勒烯十分相似。
Smalley[18]研究组提供了一种不同于电弧法的新方法来制备单层碳纳米管。
他们利用激光蒸发碳和过渡金属的混合物,使之沉积在相对的金属2石墨靶上。
Smalley认为,该法和传统的电弧法相比具有如下优点:可以远距离地控制单层碳纳米管的生长条件;适宜于连续生产;生产的碳纳米管具有较好的质量;产率较高。
同时,Smalley还提供了一个详尽的单层碳纳米管生长模型。
4. 碳纳米管的应用 碳纳米管具有与富勒烯分子相似的性质(其端面有碳五元环的存在)。
由于它独特的电子结构及物理化学特性,它在各个领域中的应用已引起各国科学家的普遍关注。
(1) 高强度碳纤维材料[19] 决定增强型纤维强度的一个关键是长度和直径之比。
目前材料工程师希望得到的长度直径比至少是20∶1。
然而,即使在现在能得到的以纳米计算的长度中,纳米管的长度也是直径的几千倍,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。
它们非常微小,5万个并排起来才有人的一根头发丝那么宽。
由于碳纳米管具有较大的表面比(长度/直径)和较强的机械性能(比石墨高5～10倍),它有可能成为聚丙烯腈基碳纤维、沥青基碳纤维之后的另外一种新型碳纤维材料。
它既具有碳素材料的固有本性,又具有金属材料的导电和导热性,陶瓷材料的耐热和耐蚀性,纺织纤维的柔软可编织性,以及高分子材料的轻质、易加工性能,是一材多能和一材多用的功能材料和结构材料。
因此,碳纳米管做成的碳纤维材料,由于其独特的中空特性,有可能广泛用于航天、航空、能源、交通、石油、化工、化肥、农药、纺织机械、建筑材料、环境工程、电子工程、医疗器械和劳动保护等领域。
(2) 复合材料[20,21] 碳纳米管复合材料的基体可用树脂、炭、金属和无机材料等。
用碳纳米管材料增强的塑料,不仅力学性能优良,而且抗疲劳、抗蠕变、材料尺寸稳定;又由于摩擦系数小,故滑动性能好,与金属相比振动衰减性好;此外,它们还具有导电、耐蚀、屏蔽电波和X射线透过性好等优点。
混凝土、水泥灰浆、水泥浆等水泥系列材料价格低廉、耐火、耐热、耐蚀性能优良,压缩强度也高,因此在土木、建筑、海洋工程方面被大量使用。
但是它们是脆性材料,拉伸强度,抗弯强度,以及冲击强度都比较低。
为了改善其力学性能,人们很早就研究、开发了一系列增强材料,但效果均不理想。
碳纳米管在水泥基体中有极高的稳定性,也不对环境造成不良影响。
其耐冲击性也得到改善,由它制成的构件尺寸稳定,同时还具有防静电性和耐磨耗等性能。
碳纳米管增强陶瓷复合材料具有较高强度,机械冲击性能、热冲击性能都得以改善,断裂韧性也有大幅度提高。
碳纳米管的端面由于碳五元环的存在,增强了它的反应活性,在外界高温和其他反应物质存在的条件下,很容易在端面处被打开,形成一个管子,极易被金属浸润,和金属形成金属基复合材料。
这种材料具有高比强度、高比模量、耐高温、热膨胀系数小和抵抗热变性能强等一系列优异性能。
(3) 纳米电子器件 由于碳纳米管壁能被某些化学反应所“溶解”,因此它们可以作为易于处理的模具。
只要用金属灌满碳纳米管,然后把碳层腐蚀掉,即可得到纳米尺度的导线。
目前,除此之外无其他可靠的方法来得到纳米尺度的金属导线。
本法可进一步地缩小微电子技术的尺寸,从而达到纳米的尺度[22] 理论计算表明[23],碳纳米管的电导取决于它们的直径和晶体结构。
某些管径的碳纳米管是良好的导体,而另外一些管径的则可能是半导体。
现在日本NEC公司的研究人员证实[24]巴基管具有比普通石墨材料更好的导电性,因此碳纳米管不仅可用于制造纳米导线的模具,而且还能够用来制造导线本身。
物理学家Broughton J Q[25]认为将来可以采用碳纳米管制造出分子水平的线圈筒、活塞和泵等微型零件来组装成微型引擎或其他装置,来恢复病体功能。
利用碳纳米管的电子特性,可用来制作晶体管开关电路或微型传感器元件。
它还可以做为锂离子电池的正极和负极,使电池寿命增长,充放电性能好[26,27]。
此外碳纳米管被认为是制造新一代平面显示屏极有希望的材料。
(4) 催化纤维和膜工业[21,22,28] 畔梁及其研究组将硫酸工业和石油化工中应用的重要的催化剂氧化钒灌注进或涂覆在碳纳米管上,氧化钒有时可以到达纳米管管壁的石墨层的间隙中。
用氧把碳管氧化掉,就只剩下全部由氧化钒组成的超小型纤维,形状颇似纳米管。
这种被制成纳米纤维的氧化钒,因其有极高的表面积,催化效果大大加强。
除氧化钒外,碳纳米管还可作为其他金属和金属氧化物催化剂的载体,最大程度地提高催化剂的效率。
碳纳米管“列阵”制成的取向膜,可被用作场发射器件,也可被制成超滤膜,由于膜孔为纳米级,可对某些分子和病毒进行过滤,从而使超滤膜进入一个崭新的天地。