碳纳米管材料及其应用

碳纳米管的应用 碳纳米管扫描隧道显微镜和原子力显微镜针尖 碳纳米管扫描隧道显微镜和原子力显微镜针尖。
此探针同传统的探针相比具有的优越性表现在： 此探针同传统的探针相比具有的优越性表现在： a.高的针尖纵横比→更准确地获得被测样品表面上较深的狭窄缝隙 高的针尖纵横比→ 高的针尖纵横比 和台阶边缘的形貌图象 形貌图象。 和台阶边缘的形貌图象。 b.高的机械柔软性→碳纳米管针尖的鲁棒（robust）性能良好， b.高的机械柔软性→碳纳米管针尖的鲁棒（robust）性能良好，扫 高的机械柔软性 描时，即使撞击到样品的表面也不会使针尖损坏；此外， 描时，即使撞击到样品的表面也不会使针尖损坏；此外，还表现在 它具有较好的弹性弯曲变形能力，针尖的作用力过大很容易损坏样 它具有较好的弹性弯曲变形能力，针尖的作用力过大很容易损坏样 DNA分子结构图象， DNA分子的直径 已获得高分辨率的DNA分子结构图象 得知DNA 品。如：已获得高分辨率的DNA分子结构图象，得知DNA分子的直径 约为2nm;双螺旋的螺距为3.4nm,若采用传统的探针会使DNA 2nm;双螺旋的螺距为3.4nm,若采用传统的探针会使DNA分子的 约为2nm;双螺旋的螺距为3.4nm,若采用传统的探针会使DNA分子的 双螺旋结构变形而很难分辨出来。 双螺旋结构变形而很难分辨出来。 c.确定的电子特性→碳纳米管的电子特性已确定， c.确定的电子特性→碳纳米管的电子特性已确定，而且它不易吸附 确定的电子特性 其它外来原子，因此， 其它外来原子，因此，用碳纳米管针尖获得的图象能够更加真实反 映样品表面的电子特性，也更易准确地理解样品的电子状态。 映样品表面的电子特性，也更易准确地理解样品的电子状态。
•在很多特定的结构中，碳纳米管会形成的结（junction）的电 在很多特定的结构中，碳纳米管会形成的结（ 在很多特定的结构中 ） 子特性。 子特性。 －两种不同类型或不同管径的碳纳米管相连时，它们之间的过 两种不同类型或不同管径的碳纳米管相连时， 或不同管径的碳纳米管相连时 渡结构通常会形成典型的结的特性。 渡结构通常会形成典型的结的特性。 －即使是同类型的碳纳米管，由于结构的缺陷使纳米管出现弯 即使是同类型的碳纳米管，由于结构的缺陷使纳米管出现弯 也会形成典型的结的特性。 曲时，也会形成典型的结的特性。 型或T型 －如果一根碳纳米管分支成Y型或 型，在它们的分支处也会呈 如果一根碳纳米管分支成 型或 现出结的特性，在这种结构中， 现出结的特性，在这种结构中，碳纳米管过渡结构通常是由一 个或多个五边形和七边形的碳环组成。 五边形和七边形的碳环组成 个或多个五边形和七边形的碳环组成。 这些十分特殊的电学性能， 这些十分特殊的电学性能，使碳纳米管在未来的纳米电子学 中将得到广泛的应用， 中将得到广泛的应用，如：金属性碳纳米管可用作纳米集成电 路中的连接线，而半导体性的可用作制作纳米电子器件等。 路中的连接线，而半导体性的可用作制作纳米电子器件等。
碳纳米管材料及其应用
碳纳米管（ 碳纳米管（Carbon nanotubes）的由来 ） 年由日本NEC筑波研究所的饭岛澄男（Sumio Iijima） 筑波研究所的饭岛澄男（ －1991年由日本 年由日本 筑波研究所的饭岛澄男 ） 在利用电弧法制备C 的过程中首次发现。 在利用电弧法制备 60的过程中首次发现。他在研究过程中发现 了一种多层管状的富勒碳系 富勒碳系（ 了一种多层管状的富勒碳系（fullerene）结构，后经研究证明 ）结构， 它是同轴多层的碳纳米管。 它是同轴多层的碳纳米管。 碳纳米管的定义 是一种纳米尺度、具有完整分子结构的新型碳材料。 －是一种纳米尺度、具有完整分子结构的新型碳材料。它是由 碳原子形成的石墨片卷曲而成的无缝、中空的管体。 碳原子形成的石墨片卷曲而成的无缝、中空的管体。 碳纳米管的分类 根据过程管壁碳原子的层数不同， 根据过程管壁碳原子的层数不同，可分为 单壁（ 单壁（single walled carbon nano tube <SWNT）碳纳米管 ） 多壁（ 多壁（multi-walled carbon nano tube <MWNT）碳纳米管。 ）碳纳米管。 根据其螺旋角可分为螺旋和非螺旋两种， 根据其螺旋角可分为螺旋和非螺旋两种，其物理化学性质与 结构有关。 结构有关。
根据其截面的边缘形状，单壁碳纳米管又分为 根据其截面的边缘形状，单壁碳纳米管又分为 单壁（ ）、锯齿形 ）、手形 单壁（armchair）、锯齿形（zigzag）、手形（chiral）碳纳米管 ）、锯齿形（ ）、手形（ ） 碳纳米管的结构及特性 －是由单层和多层石墨片卷曲而成的无缝纳米管状壳层结构，其相 是由单层和多层石墨片卷曲而成的无缝纳米管状壳层结构， 邻层间距与石墨的层间间距相当（ ），碳纳米管的直径为 邻层间距与石墨的层间间距相当（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， 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 可达3mm（中科院物理所－解思深 制备出）； 可达 （中科院物理所－解思深1998制备出）；最小直径为 制备出）；最小直径为 0.4nm －碳纳米管由碳－碳共价键结合而成，同时有具有管径小、长径比 碳纳米管由碳－碳共价键结合而成，同时有具有管径小、 大的特点，使碳纳米管具有优良的电学和力学性能。具体表现在： 大的特点，使碳纳米管具有优良的电学和力学性能。具体表现在： 可达10 其杨氏模量和剪切磨砺与金刚石的相同，理论强度可达 。 其杨氏模量和剪切磨砺与金刚石的相同，理论强度可达 6MPa。 是钢的100倍，且具有很高的韧性，而密度仅为钢的1/7。 倍 且具有很高的韧性，而密度仅为钢的 。 是钢的 耐酸、强碱，在空气中 不氧化。 耐酸、强碱，在空气中7000C不氧化。 不氧化 具有良好的柔性，其延长率可达百分制几。 具有良好的柔性，其延长率可达百分制几。
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碳纳米管场发射显示器 碳纳米管贮氢 碳纳米管其它应用
•利用其导电良好的特性，可将其作为阴极或代替导电高分子材料 利用其导电良好的特性， 利用其导电良好的特性 作为导电介质来制造高能微型电池。 作为导电介质来制造高能微型电池。 •极高的导热率：可制作最好的导热材料，碳纳米管依靠超声波传 极高的导热率：可制作最好的导热材料， 极高的导热率 递热能，其传递速度可达每秒1万米 同时研究还发现， 万米； 递热能，其传递速度可达每秒 万米；同时研究还发现，碳纳米管 只能沿一维方向传递热能。即使将碳纳米管捆在一起， 只能沿一维方向传递热能。即使将碳纳米管捆在一起，热量也不会 从一个碳纳米管传递到另外一个碳纳米管。如此优异的导热性能， 从一个碳纳米管传递到另外一个碳纳米管。如此优异的导热性能， 有望成为今后超高速运算的计算机的芯片导热板，也可用于发动机 有望成为今后超高速运算的计算机的芯片导热板， 和火箭等各种高温部件的防护材料。 和火箭等各种高温部件的防护材料。 •利用碳纳米管独特的孔状结构，大的比表面积（每克碳纳米管的 利用碳纳米管独特的孔状结构，大的比表面积（ 利用碳纳米管独特的孔状结构 表面积高达数百平方米）等特点，可以做成纳米反应器。 表面积高达数百平方米）等特点，可以做成纳米反应器。
良好的可弯曲性，甚至可弯曲成极其微小的环状结构，当弯曲力 良好的可弯曲性，甚至可弯曲成极其微小的环状结构， 可弯曲性 去除后常常能够从很大的被弯曲变形中完全恢复到原来的状态。 去除后常常能够从很大的被弯曲变形中完全恢复到原来的状态。即 使受到很大的外应力也不会发生脆性断裂。因此， 使受到很大的外应力也不会发生脆性断裂。因此，可望成为未来工 业应用中理想“超级纤维”材料。 业应用中理想“超级纤维”材料。 碳纳米管的电学特性 －由于碳纳米管内流动的电子受到量子限域所致，电子在纳米管中 由于碳纳米管内流动的电子受到量子限域所致， 通常只能在同一层石墨片中沿着碳纳米管的轴向运动， 通常只能在同一层石墨片中沿着碳纳米管的轴向运动，沿径向的运 动将受到很大限制。理论计算和实验研究都表明， 动将受到很大限制。理论计算和实验研究都表明，不同类型的碳纳 米管，导电性能也不同。 米管，导电性能也不同。如： •单壁碳纳米管总是表现为金属性，锯齿形和手形中部分表现为金 单壁碳纳米管总是表现为金属性， 单壁碳纳米管总是表现为金属性 属性，部分为半导体性。 属性，部分为半导体性。 －原因是随着半导体性碳纳米管的直径的增加，带隙（band gap） 原因是随着半导体性碳纳米管的直径的增加，带隙（ ） 变窄，在大直径情况下，带隙为零，呈现为金属性质。 变窄，在大直径情况下，带隙为零，呈现为金属性质。