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
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
(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
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。
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。
单壁管碳纳米管
单壁管碳纳米管
碳纳米管(Carbon Nanotubes，CNTs)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。
按碳原子层数可分为单壁和多壁碳纳米管，其制备方法主要有电弧放电法、催化裂解法、激光蒸发法、化学气相沉积法，其中裂化催解法是目前应用最广泛的方法。
碳纳米管具有优异的力学、电学和热学性能，已应用于电子、材料、航空、催化、医疗等领域。
单壁碳纳米管直径在0.6-2nm之间，最小的直径可达到0.4nm左右，其独特的结构，使其具备了超强的力学性能、极高的载流子迁移率、可调节的带隙、优异的热学性能、光电特性、稳定的化学特性等。
碳纳米管集各种优异性质于一身，使其在工程材料、电子器件、储能领域、光探测器、生物医药等方面具备了广阔前景。
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；
碳纳米管简介精选文档
六、碳纳米管的应用前景 2、锂离子电池
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。
利用液体（乙醇、甲醇等）、气体（乙炔、乙烯、甲烷等） 和固体（煤炭、木炭）等产生火焰分解其碳-氢化合物获得游历 碳原子，为合成碳纳米管提供碳源；然后将基板材料做适当处理， 最后将基板的一面向下，面向火焰放入火焰中，燃烧一段时间后 取出。基板上的棕褐（黑）色既是碳纳米管或碳纳米纤维。
产生碳纳米管或碳纳米纤维的过程主要决定于基板的性质。 基板的选择和处理、燃料的选择等是本方法的关键技术。
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。
9
四、碳纳米管的生产方法
2、化学气相沉积法
化学气相沉积法又名催化裂解法，其原理是通过烃类(如甲烷、 乙烯、烯和苯等)或含碳氧化物(如CO)在催化剂的催化下裂 解而成。
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150℃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。
10
四、碳纳米管的生产方法 3、激光蒸汽法
什么是碳纳米管？
什么是碳纳米管？什么是碳纳米管？合肥日新高温技术有限公司为您解答。
合肥日新高温技术有限公司成立于1998年是专业设计、研发、生产、销售高温热处理设备的民营高新技术企业。
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。
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2~20 nm。
并且根据碳六边形沿轴向的不同取向可以将其分成锯齿形、扶手椅型和螺旋型三种。
其中螺旋型的碳纳米管具有手性，而锯齿形和扶手椅型碳纳米管没有手性。
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。
该技术的核心－超顺排碳纳米管阵列是由北京清华-富士康纳米中心于2002年率先发现的新材料。
常用的碳纳米管制备方法主要有：电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法（碳氢气体热解法）、固相热解法、辉光放电法、气体燃烧法以及聚合反应合成法等。
科研实验碳纳米管生产设备：CVD真空气氛管式炉CVD真空气氛管式炉广泛应用于高、中、低温CVD工艺，例如，碳纳米管的研制、晶体硅基板镀膜、纳米氧化锌结构的可控生长等等，也可以适用于金属材料的扩散焊接以及真空或保护气氛下的热处理；CVD真空气氛管式炉采用高纯石英管或刚玉管作为内炉膛，可拆卸式的三面密封方式，具有良好的洁净度和真空度；CVD真空气氛管式炉的耐火、保温材料全部采用先进的轻质纤维制品，整机质量轻、能耗低；CVD真空气氛管式炉的加热元件采用U型硅钼棒或原装进口电阻丝，温控系统采用进口多段智能程序温度控制仪控制，温度控制具有良好的稳定性、重复性。
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。
碳纳米管的研究和应用
碳纳米管的研究和应用碳纳米管是由碳元素构成的管状结构，具有极高的导热和导电性、强度和轻量化等优异性能，近年来已成为纳米材料研究领域的热点话题。
本文将简要介绍碳纳米管的性质特点、制备方法以及它们在电子学、医学和能源等方面的应用。
一、碳纳米管的性质特点碳纳米管具有许多独特的性质特点，这些性质使得它们在许多领域有着广泛的应用前景。
首先是碳纳米管的导热和导电性能极高，比铜的导电性能还要好。
理论上，碳纳米管的电阻率可以达到金属的1/1000，而且能够在室温下运输电子。
这些性能几乎没有与之相媲美的材料。
其次是碳纳米管的强度极高。
碳纳米管中的碳原子排列方式可以形成类似鸟巢的纳米空腔结构，使得碳纳米管的刚度和强度远高于其他材料。
利用碳纳米管可以制备出超级强度复合材料，提高材料的强度和耐磨性能。
最后是碳纳米管的轻量化特性。
碳纳米管的质量只有同等体积下石墨材料的1/6，而且具有高表面积和大的空气孔隙结构，与其他材料相比有着更强的吸附和催化作用，因此有着良好的吸附分离和催化性能。
二、碳纳米管的制备方法碳纳米管有多种制备方法，包括化学气相沉积法、电弧放电法、激光热解法和化学还原法等。
其中，化学气相沉积法是目前应用最为普遍的一种制备方法。
化学气相沉积法是通过在高温下将碳源气体转化为碳纳米管的方法。
一般来说，碳源气体为甲烷、乙烯或乙炔等。
通过控制反应条件，可以制备出长度、直径、数量、结构等不同的碳纳米管。
与其他制备方法相比，化学气相沉积法具有制备出高质量、大量、结构比较规则的碳纳米管的优点。
三、碳纳米管的应用碳纳米管在许多领域都有着广泛的应用，以下仅列出其中的几个方面。
1. 电子学碳纳米管具有优越的导电性能和热导性能，被认为是下一代电子学元器件的有力竞争者。
碳纳米管可以作为场效应晶体管、热电元件、透明电极等电子元件，还可以应用于柔性电子、纳米电池等领域。
2. 医学碳纳米管可以作为药物输送载体，具有较大的表面积和大量表面官能团，能够帮助药物靶向传输和细胞内吸收。
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。
2024年碳纳米管(CNT)市场前景分析
2024年碳纳米管（CNT）市场前景分析引言碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNT）作为一种新兴的纳米材料，在过去几十年中引起了广泛的关注。
其独特的性质和广泛的应用前景，使得碳纳米管在众多领域中成为研究的热点。
本文将对碳纳米管的市场前景进行分析，并探讨其在未来的发展潜力。
碳纳米管的基本特性碳纳米管是由碳原子构成的纳米管状结构，具有以下基本特性：1.高强度和刚度：碳纳米管比钢材还要强硬，是已知最强的材料之一。
2.优异的导电性：碳纳米管具有优秀的导电性能，可应用于电子器件领域。
3.良好的热导性：碳纳米管具有良好的热导性能，可以用于制备高效的散热材料。
4.巨大的比表面积：碳纳米管具有巨大的比表面积，可应用于催化剂和吸附材料等领域。
碳纳米管市场应用前景1. 电子器件碳纳米管具有优异的导电性能，可以用于制造高性能的电子器件。
例如，碳纳米管场效应晶体管（CNTFET）在高频电子器件和柔性显示器件等领域具有广阔的应用前景。
此外，碳纳米管还可以用于制备导电性能更好的电极材料，提高电池和超级电容器的性能。
2. 新能源领域碳纳米管在新能源领域中有着广泛的应用前景。
其优异的导电性能和热导性能，使得碳纳米管成为高效催化剂的理想载体材料。
碳纳米管还可以应用于太阳能电池、燃料电池和储能设备等领域，提高能量转换效率和储存容量。
3. 材料强化与增韧碳纳米管具有高强度和刚度的特性，可以应用于材料强化和增韧领域。
将碳纳米管添加到复合材料中，可以显著提高材料的强度和刚性，同时减轻材料的重量。
碳纳米管还可以在纤维增强复合材料中起到桥连接作用，有效防止开裂，提高材料的断裂韧性。
4. 生物医学应用碳纳米管在生物医学领域具有广泛的应用潜力。
其高比表面积和良好的生物相容性，使得碳纳米管可以用作药物传递载体、基因传递载体和组织工程支架等。
此外，碳纳米管还可以用于生物传感器和生物成像等领域，为生物医学研究和临床诊断提供新的工具和方法。
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
碳纳米管碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。
近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。
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。
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2~20 nm。
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。
并且根据碳六边形沿轴向的不同取向可以将其分成锯齿形、扶手椅型和螺旋型三种。
其中螺旋型的碳纳米管具有手性，而锯齿形和扶手椅型碳纳米管没有手性。
碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。
发现历史1985 年，“足球”结构的C60 一经发现即吸引了全世界的目光，Kroto H. W.、Smalley R. E.、和Curl R. F.亦因共同发现C60 并确认和证实其结构而获得1996 年诺贝尔化学奖。
在富勒烯研究推动下，1991 年一种更加奇特的碳结构——碳纳米管被日本电子公司（NEC）的饭岛博士发现。
碳纳米管在1991 年被正式认识并命名之前，已经在一些研究中发现并制造出来，只是当时还没有认识到它是一种新的重要的碳的形态。
1890 年人们就发现含碳气体在热的表面上能分解形成丝状碳。
1953 年在CO 和Fe3O4 在高温反应时，也曾发现过类似碳纳米管的丝状结构。
从20 世纪50 年代开始，石油化工厂和冷核反应堆的积炭问题，也就是碳丝堆积的问题，逐步引起重视，为了抑制其生长，开展了不少有关其生长机理的研究。
这些用有机物催化热解的办法得到的碳丝中已经发现有类似碳纳米管的结构。
在20 世纪70 年代末，新西兰科学家发现在两个石墨电极间通电产生电火花时，电极表面生成小纤维簇，进行了电子衍射测定发现其壁是由类石墨排列的碳组成，实际上已经观察到多壁碳纳米管。
结构特征碳纳米管中碳原子以sp2 杂化为主，同时六角型网格结构存在一定程度的弯曲，形成空间拓扑结构，其中可形成一定的sp3 杂化键，即形成的化学键同时具有sp2 和sp3 混合杂化状态，而这些p 轨道彼此交叠在碳纳米管石墨烯片层外形成高度离域化的大π键，碳纳米管外表面的大π键是碳纳米管与一些具有共轭性能的大分子以非共价键复合的化学基础。
对多壁碳纳米管的光电子能谱研究结果表明，不论单壁碳纳米管还是多壁碳纳米管，其表面都结合有一定的官能基团，而且不同制备方法获得的碳纳米管由于制备方法各异，后处理过程不同而具有不同的表面结构。
一般来讲，单壁碳纳米管具有较高的化学惰性，其表面要纯净一些，而多壁碳纳米管表面要活泼得多，结合有大量的表面基团，如羧基等。
以变角X 光电子能谱对碳纳米管的表面检测结果表明，单壁碳纳米管表面具有化学惰性，化学结构比较简单，而且随着碳纳米管管壁层数的增加，缺陷和化学反应性增强，表面化学结构趋向复杂化。
内层碳原子的化学结构比较单一，外层碳原子的化学组成比较复杂，而且外层碳原子上往往沉积有大量的无定形碳。
由于具有物理结构和化学结构的不均匀性，碳纳米管中大量的表面碳原子具有不同的表面微环境，因此也具有能量的不均一性。
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制过程中出现了五边形和七边形。
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。
这些拓扑缺陷可改变碳纳米管的螺旋结构，在出现缺陷附近的电子能带结构也会发生改变。
另外，两根毗邻的碳纳米管也不是直接粘在一起的，而是保持一定的距离。
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（或称单层碳纳米管，Single-walled Carbon nanotubes, SWCNTs）和多壁碳纳米管（或多层碳纳米管，Multi-walled Carbon nanotubes, MWCNTs），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。
碳纳米管依其结构特征可以分为三种类型：扶手椅形纳米管（armchair form），锯齿形纳米管（zigzag form）和手性纳米管（chiral form）。
碳纳米管的手性指数（n，m）与其螺旋度和电学性能等有直接关系，习惯上n>=m。
当n=m时，碳纳米管称为扶手椅形纳米管，手性角（螺旋角）为30o；当n>m=0时，碳纳米管称为锯齿形纳米管，手性角（螺旋角）为0o；当n>m≠0时，将其称为手性碳纳米管。
根据碳纳米管的导电性质可以将其分为金属型碳纳米管和半导体型碳纳米管：当n-m=3k(k为整数)时，碳纳米管为金属型；当n-m=3k±1，碳纳米管为半导体型。
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，蛇型等。
关于管壁缺陷对碳纳米管力学性质的影响规律也值得引起关注，这也将有助于进一步认识碳纳米管及其复合材料。
由于碳纳米管制造工艺的限制，碳纳米管中含有大量的各种缺陷，如原子空位缺陷(单原子或多原子空位)和Stone-Thrower-Wales (STW)型缺陷等。
含缺陷碳纳米管性质力学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。
若将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。
碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，可以拉伸。
在工业上常用的增强型纤维中，决定强度的一个关键因素是长径比，即长度和直径之比。
材料工程师希望得到的长径比至少是20:1，而碳纳米管的长径比一般在1000:1以上，是理想的高强度纤维材料。
2000年10月，美国宾州州立大学的研究人员称，碳纳米管的强度比同体积钢的强度高100倍，重量却只有后者的1/6到1/7。
碳纳米管因而被称“超级纤维”。
莫斯科大学的研究人员曾将碳纳米管置于1011 MPa的水压下（相当于水下10000米深的压强），由于巨大的压力，碳纳米管被压扁。
撤去压力后，碳纳米管像弹簧一样立即恢复了形状，表现出良好的韧性。
这启示人们可以利用碳纳米管制造轻薄的弹簧，用在汽车、火车上作为减震装置，能够大大减轻重量。
此外，碳纳米管的熔点是已知材料中最高的。
导电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。
常用矢量Ch表示碳纳米管上原子排列的方向，其中Ch=na1+ma2，记为（n，m）。
a1和a2分别表示两个基矢。
（n，m）与碳纳米管的导电性能密切相关。
对于一个给定（n，m）的纳米管，如果有2n+m=3q（q为整数），则这个方向上表现出金属性，是良好的导体，否则表现为半导体。
对于n=m的方向，碳纳米管表现出良好的导电性，电导率通常可达铜的1万倍。
传热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。
碳纳米管导电其他碳纳米管还具有光学等其他良好的性能。
制备常用的碳纳米管制备方法主要有：电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法（碳氢气体热解法）、固相热解法、辉光放电法、气体燃烧法以及聚合反应合成法等。
电弧放电法碳纳米管制备电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法。
1991年日本物理学家饭岛澄男就是从电弧放电法生产的碳纤维中首次发现碳纳米管的。
电弧放电法的具体过程是：将石墨电极置于充满氦气或氩气的反应容器中，在两极之间激发出电弧，此时温度可以达到4000度左右。
在这种条件下，石墨会蒸发，生成的产物有富勒烯（C60）、无定型碳和单壁或多壁的碳纳米管。
通过控制催化剂和容器中的氢气含量，可以调节几种产物的相对产量。
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。
后来发展出了化学气相沉积法，或称为碳氢气体热解法，在一定程度上克服了电弧放电法的缺陷。
这种方法是让气态烃通过附着有催化剂微粒的模板，在800~1200度的条件下，气态烃可以分解生成碳纳米管。
这种方法突出的优点是残余反应物为气体，可以离开反应体系，得到纯度比较高的碳纳米管，同时温度亦不需要很高，相对而言节省了能量。
但是制得的碳纳米管管径不整齐，形状不规则，并且在制备过程中必须要用到催化剂。
这种方法的主要研究方向是希望通过控制模板上催化剂的排列方式来控制生成的碳纳米管的结构，已经取得了一定进展。
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。