单壁碳纳米管综述
单壁碳纳米管综述经典课件
•超级力学性能（钢的100倍）
•极强的吸附性能 优异的储氢特性
•更适于研究和理解碳管电子结构和输运现象
4 制备方法
（一）石墨电弧法 （二）激光蒸发法 （三）化学气相沉积法
（一）石墨电弧法
石墨电弧法又称直流电弧法，电弧是一种气体放电的现象。
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。
常用气体：
甲烷、一氧化碳、苯等
催化剂：
Fe、Co、Ni、Mo等以及它们的氧化物
优点：相对于电弧法和激光蒸发法而言,化学气相沉 积法因具有合成温度较低 产量高、 纳米碳管的直 径及螺旋性易控制等优点而逐渐成为合成纳米碳管 的一种主要方法。
缺点：产率较低且反应气体不能重复使用
制备方法总结
制备的主要目标：（1）连续批量生产；（2）结构分布 均匀且可控；（3）成本低，纯度高;
单壁碳纳米管 综述
主讲内容
1
什么是纳米材料
2
纳米材料的特性
3
单壁碳纳米管的概述
4
制备方法
5
应用
6
前景
7
结语
1.纳米材料
定义： 结构单元的尺寸在1纳米至100纳米范围之间的材料，其中 1nm=10-9m 纳米材料大致可分为四类：
纳 米
纳 米
粉
纤
末
维
纳 米 膜
纳 米 块 体
3
纳米材料的特性
量子尺寸效应
性能展示出了它在各个领域的潜在价值。诺贝尔奖获得者的C60发现者之一 R.E.Smalley称：“碳纳米管将是价格便宜，环境友好并为人类创造奇迹的新 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
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。
半导体型单壁碳纳米管
半导体型单壁碳纳米管1.引言1.1 概述半导体型单壁碳纳米管是一种具有非常重要应用潜力的纳米材料。
它们在近年来的研究中受到了广泛关注，因为其独特的结构和优异的性能使其成为下一代纳米电子器件中的主要候选材料之一。
概括地说，单壁碳纳米管是由一个或多个层次的碳原子组成的圆柱状结构。
与传统的半导体材料相比，主要有两个显著的特点使得单壁碳纳米管在纳米电子器件中具有巨大的潜在价值。
首先，单壁碳纳米管具有优异的电学性能。
由于其特殊的碳原子排列方式，单壁碳纳米管可以表现出半导体的特性，即在一定条件下可以具有可控的电导率。
这使得单壁碳纳米管成为制备高性能晶体管和其他电子器件的理想材料，具有巨大的应用潜力。
其次，单壁碳纳米管的尺寸小，具有优异的机械性能和化学稳定性。
这使得它们在纳米电子器件中的应用非常有利。
单壁碳纳米管可以作为纳米电路中的导线、晶体管中的通道或材料中的增强剂，提供更小尺寸、更高性能和更低功耗的电子器件。
本文将详细介绍半导体型单壁碳纳米管的定义、特点、制备方法和技术。
同时，将探讨半导体型单壁碳纳米管在电子器件中的应用前景，并提出未来发展方向和挑战。
通过对这些内容的深入分析和讨论，我们可以更好地了解并推动这一领域的发展。
1.2文章结构文章结构部分的内容可以包括以下几点:1.2 文章结构本文将按照以下结构来探讨半导体型单壁碳纳米管的相关内容：第二节将详细介绍半导体型单壁碳纳米管的定义和特点。
我们将阐述什么是半导体型单壁碳纳米管，以及其在电子器件中的重要性。
此外，我们还将介绍半导体型单壁碳纳米管与其他类型碳纳米管的区别和优势。
第三节将重点讨论半导体型单壁碳纳米管的制备方法和技术。
我们将介绍目前主流的制备方法，如化学气相沉积法、物理气相沉积法等，并分析它们的优缺点。
此外，我们还将讨论最新的制备技术和研究进展，以及可能的应用领域。
在结论部分，第四节将探讨半导体型单壁碳纳米管在电子器件中的应用前景。
我们将详细介绍其在场效应晶体管、逻辑门电路、传感器等领域的应用，并分析其优势和挑战。
单壁碳纳米管制备方法综述
单壁碳纳米管制备方法综述
单壁碳纳米管（SWCNTs）由于其独特的电学、力学和光学性质，在纳米电子学、催化、传感器等领域具有广泛的应用前景。
目前，SWCNTs 的制备方法主要包括以下几种：
1. 电弧放电法：该方法通过电弧放电在催化剂表面生成碳纳米管。
它的优点是产量高，但缺点是难以控制管的直径和长度。
2. 化学气相沉积法（CVD）：CVD 法是在催化剂的作用下，通过有机气体的分解和沉积来制备碳纳米管。
该方法可以实现对碳纳米管直径和长度的控制，但产量较低。
3. 激光烧蚀法：利用激光烧蚀含碳靶材，在催化剂上沉积形成碳纳米管。
该方法适用于制备高纯度的碳纳米管，但设备要求较高。
4. 固相热解法：将含有碳和催化剂的前驱体在高温下热解，使碳源在催化剂的作用下生成碳纳米管。
该方法操作简单，但产物纯度较低。
各种制备方法都有其优缺点，需要根据具体的应用需求选择合适的方法。
未来的研究将集中在提高制备效率、控制产物结构以及降低成本等方面。
碳纳米管综述
碳纳米管综述摘要：本文主要介绍碳纳米管的发现及发展过程，并说明碳纳米管的制备方法及其制备技术。
同时也叙述碳纳米管的各种性能与应用。
引言：在1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛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 nanotube”，即碳纳米管,又名巴基管。
正文：碳纳米管的制备：碳纳米管的合成技术主要有：电弧法、激光烧蚀(蒸发)法、催化裂解或催化化学气相沉积法(CCVD，以及在各种合成技术基础上产生的定向控制生长法等。
电弧法利用石墨电极放电获得碳纳米管是各种合成技术中研究得最早的一种。
研究者在优化电弧放电法制取碳纳米管方面做了大量的工作。
T. W. Ebbeseo[2]在He保护介质中石墨电弧放电，首次使碳纳米管的合成达到了克量级。
为减少相互缠绕的碳纳米管在阴极上的烧结，D.T.Collbert[3]将石墨阴极与水冷铜阴极座连接，大大减少了碳纳米管缺陷。
C. Journet[4]等在阳极中填人石墨粉末和铱的混合物，实现了SWNTs的大量制备。
研究发现，铁组金属、一些稀土金属和铂族元素或以单个金属或以二金属混合物均能催化SWNTs 合成。
近年来，人们除通过调节电流、电压，改变气压及流速，改变电极组成，改进电极进给方式等优化电弧放电工艺外，还通过改变打弧介质，简化电弧装置。
综上所述，电弧法在制备碳纳米管的过程中通过改变电弧放电条件、催化剂、电极尺寸、进料方式、极间距离以及原料种类等手段而日渐成熟。
电弧法得到的碳纳米管形直，壁簿(多壁甚至单壁).但产率偏低，电弧放电过程难以控制，制备成本偏高其工业化规模生产还需探索。
催化裂解法或催化化学气相沉积法(CCVD)催化裂解法是目前应用较为广泛的一种制备碳纳米管的方法。
该方法主要采用过渡金属作催化剂，适于碳纳米管的大规模制备，产物中的碳纳米管含量较高，但碳纳米管的缺陷较多。
单壁碳纳米管
1．单壁碳纳米管（SWCNs）
单壁碳纳米管（SWCNs），由于其特有的机械学、电学及化学性质，从一出现就吸引了众多的纳米材料科学家的目光。
在结构上，它可看作是由单层的石墨片卷成的具有纳米尺度直径的微小圆管。
在力学上，它具有100 倍的钢铁的比强度。
因而已被设想未来作为去太空旅游使用的提升缆绳。
在电学上，它具有金属或半导体那样的电导特性。
由此可衍生出大量的微电子学器件。
在化学上，能以其外表面作为化学合成的基质，催化合成许多的超分子化合物；也能以其管腔为基础合成多种单晶纳米线。
然而，近几年SWCNs 在储氢材料方面的应用研究已是异军突起，独树一帜。
氢能源是各国未来能源战略的重点。
最近，Nikitin 和Li 等的研究，已经将SWCNs 的重量比储氢容量提高到超过7%。
这一成果已经为氢燃料汽车走向实用而打下了坚实的理论研究的基础。
本文简介了单壁碳纳米管储氢材料的研究进展。
它可通过物理和化学两种吸附方式储氢。
物理吸附虽然在液氮温度下较为明显，但
在室温下无多大意义。
理论上计算的化学吸附的贡献最高能达到7.7%的质量比储氢容量。
对于好的储氢材料，储氢的可逆性和稳定性是至关重要的。
若吸附氢后SWCNs 的稳定性过低，其结构将遭到破坏。
若稳定性过高，将不利于可逆地释放氢。
Nikitin 和Li 等的研究已经将SWCNs 的质量比储氢容量提高到了7%以上，这几乎是目前质量比储氢容量最高的合金储氢材料Mg2NiH4的两倍。
随着纳米时代的到来，以SWCNs 为储氢材料的氢能发动机汽车代替传统汽车的时代已经离我们越来越近了。
单壁碳纳米管缩写
单壁碳纳米管缩写
单壁碳纳米管（SWCNT）是一种由碳原子构成的纳米材料，具有非常独特的物理和化学性质。
SWCNT由一个单层碳原子薄膜卷曲而成，形成了一个中空的圆柱形结构。
这种结构使得SWCNT具有许多独特的性质和应用潜力。
SWCNT具有非常高的机械强度和弹性，使其成为一种理想的材料用于制备高强度纤维和复合材料。
它的强度比钢高几倍，而重量却非常轻，这使得SWCNT在航空航天和汽车制造等领域具有广阔的应用前景。
此外，SWCNT还具有优异的导电性能，使其成为高性能传感器和电子器件的理想材料。
SWCNT还具有优异的热导性能。
研究表明，SWCNT的热导率比铜高几倍，使其成为一种理想的热界面材料。
在微电子领域，SWCNT 被广泛应用于制备高效的散热器和热传导材料，可以有效地提高芯片的散热效果，提高设备的工作效率和可靠性。
SWCNT还具有非常好的光学性能。
由于其独特的结构和能带结构，SWCNT具有可调控的光学特性，可以用于制备高性能的光电器件和光学传感器。
例如，利用SWCNT的特殊吸收光谱，可以制备出高效的太阳能电池和光电探测器。
SWCNT还具有一些其他特殊的性质和潜在应用。
例如，SWCNT在生物医学领域有广泛的应用前景，可以用于制备高灵敏度的生物传
感器和药物载体。
此外，SWCNT还具有良好的化学稳定性和生物相容性，可以用于制备高性能的催化剂和药物递送系统。
SWCNT作为一种新型纳米材料，具有许多独特的性质和广泛的应用潜力。
随着对SWCNT的深入研究和理解，相信它将在各个领域发挥重要作用，为人类的生活和科技进步带来新的突破。
碳纳米管的结构与性能综述
碳纳米管的结构与性能综述摘要：碳纳米管具有特殊的导电性能、力学性质及物理化学性质等，自问世以来即引起广泛关注，近年来广泛应用于众多科学研究领域。
本文介绍了碳纳米管的理论研究、制备方法以及一些重要性能。
关键词：碳纳米管；制备；性能中图分类号：Review of Structure and Properties of Carbon NanotubesAbstract:Carbon nanotube have drawn wide attention due to their unique structures and properties, such as special conductivity, mechanical, physical and chemical properties since it wae first prepared. It has been widely used in many scientific research in recent years. The theoretical research, preparation methods and some important properties are introduced in the paper.Keyword: carbon nanotube; preparation; property1引言1991年日本NEC的Iijima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，这就是碳纳米（Carbon Nanotube）[1]，又名巴基管。
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。
单壁碳纳米管与多壁碳纳米管的差异
浅谈单壁碳纳米管与多壁碳纳米管的差异董莲枝1，曹柳男2（1. 迪爱生（太原）油墨有限公司，山西太原 030000；2. 太原市塑料研究所，山西太原 030000）摘 要：碳纳米管作为最重要的纳米材料之一，其研究越来越得到人们的重视。
文章主要综述了单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的差异。
关键词：单壁碳纳米管；多壁碳纳米管；差异中图分类号：TQ342.7 文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2012）09－0014－02碳纳米管是一维纳米材料，可称为纳米材料之王，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。
碳纳米材料在纳米材料技术开发中举足轻重，它将影响到国民经济的各个领域，是国际上研究的热点及难点。
碳纳米管按照石墨烯片的层数简单分类为：单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。
此外二者还有其他差异，现综述如下：1 发现时间单壁碳纳米管：1993年S.Iijima［1］等和DS.Bethune等同时报道了采用电弧法，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碳纳米管，即单壁碳纳米管产物。
多壁碳纳米管：1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家Iijima［2］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，现在被称做的“Carbon nanotube”，即碳纳米管，又名巴基管。
Iijima发现的碳纳米管最小层数为2，含有一层以上石墨片层的则称为多壁碳纳米管。
2 结构单壁碳纳米管：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，具有较高的均匀一致性。
SWCNTs的直径一般在1～6 nm，目前观察到的SWCNT的最小直径约为0.33 nm，并已能合成直径0.4 nm的SWCNTs阵列，直径达 6 nm的SWCNTs也已有报道。
一般认为，SWCNT的直径大于6 nm以后特别不稳定，容易发生SWCNT管的塌陷。
碳纳米管文献综述
文献综述纳米碳管作为一种碳素新材料，具有优异的力学、电学、储氢等物理性质，在纳米材料、纳米生物学、纳米化学等方面具有潜在的应用价值，成为近年来人们的研究热点。
大批量、低成本合成纳米碳管是拓展纳米碳管应用研究的基础，因此对纳米碳管的合成研究也最多，并取得了一定的进展。
纳米碳管的机械强度高，比表面积大，界面效应强，容易吸附金属催化剂，而被认为在催化剂载体领域里有很好的应用前景。
一碳纳米管简史研究碳纳米管的历史，可以追溯到1889年，一项专利阐明了如何制备一维碳纳米材料，产物中可能有碳纳米管。
1970年，法国奥林大学(University of Orleans)的En-do 用气相生长技术制成了直径为7nm 的碳纤维，由于他没有对这些碳纤维的结构进行细致的评估和表征，所以并没有引起人们的注意。
后来科学家在研究C60，C70的基础上认识到产生无数种近石墨结构成为可能。
1991年1月，日本筑波NEC 实验室的饭岛澄男首先用高分辨率电镜观察到了他认为是一种螺旋状的微管，也就是碳纳米管，文章发表在《自然》(Nature)杂志上。
从而饭岛成为公认的碳纳米管发现者。
1993年，等和DS。
Bethune等同时报道了采用电弧法，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碳纳米管，即单壁碳纳米管产物。
1997年，等报道了单壁碳纳米管的中空管可储存和稳定氢分子，引起广泛的关注。
二碳纳米管的分类按照石墨烯片的层数，可分为：单壁碳纳米管（Single-walled nanotubes, SWNT s）：由一层石墨烯片组成。
单壁管典型的直径和长度分别为～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±，与石墨层间距相当。
多壁管的典型直径和长度分别为2～30nm和～50μm。
单壁碳纳米管
单壁碳纳米管
单壁碳纳米管（single-wall carbon nanotubes，简称 SWCNTs）是1997年由斯坦福
大学实验室发现的一种新型碳材料，它具有直径介于纳米毫米量级的结构、高比表面积、
体积极小、有机化学活性及很好的电导能力，深受科学家的青睐。
单壁碳纳米管以碳原子以六角环结构形成一条管道，长度可以从几个至几十个纳米米，极微小的直径可以用双精度锰原子比喻（约等于1.3千分之一毫米），而他们周围以一层
自由电子形成单壁结构，该结构可通过气体直接生长——弥散解离，从而构成几个十亿分
之一厘米厚度的非常薄的壁。
单壁碳纳米管的主要物理性能在其软内芯的单空间结构内发
挥着，这也导致了该材料拥有很好的电子传输性和电导能力，高的崩溃抵抗能力、良好的
化学稳定性、良好的机械性能及难以穿透的谐振光栅效应，从而使其成为科学家研究的热
点方向之一。
目前，单壁碳纳米管在电子材料领域具有广泛的应用，如作为超级电容器的电极材料，纳米晶体管和柔性显示器等。
另外，单壁碳纳米管作为光学元件加以利用，正被用于集成
光学器件。
在医学领域，单壁碳纳米管更是使用广泛，它可以作为抗癌药物递送系统、靶
向的生物标记物、磁共振成像剂等。
总之，单壁碳纳米管的超高性能和体积极小的特点，使它成为许多无数创新应用的重
要原料之一，后续研究及利用会更加发展广泛，期待其在电子，光电，医学等工程领域得
到更多的发展与实践应用，从而带动近年来被普济科学的发展。
寡壁碳纳米管和单壁碳纳米管
寡壁碳纳米管和单壁碳纳米管
寡壁碳纳米管（Few-walled Carbon Nanotubes, FWNTs）和单壁碳纳米管（Single-Walled Carbon Nanotubes, SWCNTs）是碳纳米管家族中的两个重要成员，它们具有独特的物理和化学性质。
具体分析如下：
1. 结构：SWCNT由一层石墨烯片卷曲而成，其直径一般在0.75-3nm之间，长度可以达到1-50um。
而FWNT则由少数几层（通常2-5层）石墨烯片同轴环绕构成，层数介于SWCNT 和多壁碳纳米管（MWCNT）之间。
2. 性能：由于SWCNT只有单层石墨烯壁，它们的电导率非常高，可达到108 S•m-1，是铜金属的一万倍；热导率在常温下通常在3000 W•(m•K)-1以上，远超其他金属材料。
同时，SWCNT的密度仅为钢的1/6，但抗拉强度却是钢的100倍，最高可达200 Gpa；弹性模量达1.34 Tpa，与金刚石相当，是钢的5倍。
FWNT由于层数较多，其电导率和热导率可能略低于SWCNT，但仍然具有很高的强度和韧性。
3. 应用：SWCNT因其优越的性能，常用于电子器件、复合材料强化、传感器等领域。
而FWNT 则因其适中的层数和性能，可以作为连接SWCNT和MWCNT的桥梁，在需要平衡导电性和机械强度的应用中发挥作用。
总的来说，寡壁碳纳米管和单壁碳纳米管在结构和性能上各有特点，它们在材料科学和纳米技术领域有着广泛的应用前景。
碳纳米管（CNTs）及其制备技术综述
碳纳⽶管（CNTs）及其制备技术综述碳纳⽶管（CNTs）及其制备技术1.概述1991年，Iijima在⽯墨电弧放电产物中发现了碳纳⽶管（CNTs），从此碳纳⽶管成为碳家族的⼀个新成员。
CNTs是纳⽶科学的⼀颗耀眼明珠，其独特的结构、优良的物理和化学性能、巨⼤的应⽤前景吸引了⼤批的物理学家、化学家和材料学家的兴趣，成为科学领域的研究热点。
尤其是单壁碳纳⽶管的发现和研究被科学界权威杂志《Science》评为1997年世界⼗⼤科技成果之⼀。
2.碳纳⽶管的结构和性能2.1碳纳⽶管的结构碳纳⽶管是由多个碳原⼦六⽅点阵的同轴圆柱⾯套构⽽成的空⼼⼩管，相临的同轴圆柱⾯之间的距离与⽯墨的层间距相当，约为0.34nm，管壁由六边形排列的碳原⼦组成，每个碳与周围的三个碳原⼦相邻，碳/碳间通过sp2杂化键结合。
管的直径为零点⼏纳⽶到⼏⼗纳⽶，管的长度为微⽶级。
管的直径和长度随不同的制备⽅法及条件的变化⽽不同。
管的端部由五边形排列的碳原⼦封顶。
碳纳⽶管绝⼤多数两端是封闭的，并且这种封闭与碳纳⽶管圆管平滑连接，较⼩直径的碳纳⽶管的封闭形式⼀般呈半圆状，这对应于半个富勒烯（Fullerence）笼。
依据组成碳纳⽶管的⽯墨⽚层数的不同，碳纳⽶管可分为单壁碳纳⽶管即含⼀层⽯墨⽚的碳纳⽶管以及由⼀层以上⽯墨⽚组成的多壁碳纳⽶管。
碳纳⽶管结构⽰意图如图1所⽰。
图1 碳纳⽶管结构⽰意图（a）四层碳纳⽶管结构（b）单层碳纳⽶管结构2.2碳纳⽶管的性能碳纳⽶管具有独特的电⼦结构和物理化学性质，可以在许多⽅⾯得到⼴泛的应⽤。
碳纳⽶管的直径-长度⽐很⼤，⼀般情况下，长度都是直径的⼏千倍，远远⼤于普通的纤维材料；它的强度⽐钢⾼约100倍，⽽重量仅仅为钢材料的六分之⼀，有可能成为⼀种新型的⾼强度碳纤维材料。
这种“超级碳纤维”材料既具有碳素材料的固有本性，⼜具有⾦属材料的导电性、导热性，陶瓷材料的耐热和耐腐蚀性，纺织纤维的可编织性以及⾼分⼦材料的轻质、易于加⼯性，因⽽具有极⼤的应⽤潜⼒。
碳说｜单壁碳纳米管VS多壁碳纳米管
碳说｜单壁碳纳米管VS多壁碳纳米管中国粉体网讯碳原子可以以不同的方式结合在一起，从而产生了许多具有不同物理性质的碳的同素异形体。
已知的同素异形体包括石墨、金刚石、富勒烯、纳米管和石墨烯，后三者多为人造。
当这些碳的同素异形体作为添加剂使用时，它们的来源、形态和生产方法会影响材料的性能，而因为碳的不同形态具有很大的不同。
石墨烯和单壁碳纳米管具有最佳的性能组合和优势。
除石墨烯外，这些碳基添加剂的生产规模可达数百吨或上千吨，并可用于工业用途。
碳纳米管碳纳米管基本上分为两类单壁碳纳米管(SWCNTs)和多壁碳纳米管(MWCNTs)。
尽管有明显的共性，但由于结构上的差异，单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的物理性质存在显著差异。
区分单壁碳纳米管最重要的特征是，管壁只有一层。
换句话说，单壁碳纳米管可以被描述为单层石墨烯片卷起来形成的无缝空心圆柱筒。
这就是为什么它们经常被称为单层石墨烯纳米管。
与单壁碳纳米管不同，多壁碳纳米管可被视为单壁碳纳米管的同心排列，即由多层石墨烯片无缝卷起成管状。
单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的这些差异，导致了它们在添加到材料中时，给材料的性能带来很大不同，并对材料产生了相应的影响。
例如，单壁碳纳米管的杨氏模量(有时被称为与材料在拉伸或压缩下承受长度变化的能力有关的弹性模量)，几乎比多壁碳纳米管高一个数量级。
图碳纳米管结构对杨氏模量的影响：(i) 单壁碳纳米管(SWCNTs);(ii)和(iii) 多壁碳纳米管(MWCNTs)，分别在720℃和900℃下通过化学气相沉积法(CVD)合成。
单壁碳纳米管与多壁碳纳米管的物理参数* 可更大的直径，但会导致缺陷数量的增加**长度可更长，限于实验室规模单壁碳纳米管特性1、真正的纳米级管径单壁碳纳米管的管径小于2 nm，而多壁碳纳米管的直径大多大于5 nm，可高达数百纳米。
2、长且少缺陷的结构这两种类型的碳纳米管都可以生长到几百纳米甚至几毫米的长度，但通常都在1- 30微米的范围内。
单壁碳纳米管挥
单壁碳纳米管挥
单壁碳纳米管是一种由一层石墨烯组成的无缝圆柱体结构，具有独特的电子性质，其电导率对卷绕方式中n、m值的依赖性如表1所示。
单壁碳纳米管在前沿电子制造中的实用性已经得到了广泛研究，并且还扩展到多种疾病治疗的药物领域。
用挥发性液体进行致密化是调节单壁碳纳米管膜性能的一种众所周知的方法，但致密化会改变单壁碳纳米管膜的透气性，破坏缓冲气体逆流的循环。
在本工作中，研究了用异丙醇致密化前后通过单壁碳纳米管膜的Ar渗透率，并开发了一个气体穿透单壁碳纳米管膜的概率模型。
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单壁碳纳米管综述
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Single-wall carbon nanotube
•更为典型的一维结构
•无层间交互作用
•超级力学性能（钢的100倍） •极强的吸附性能 优异的储氢特性
单壁碳纳米管
•更适于研究和理解碳管电子结构和输运现象
4 制备方法
（一）石墨电弧法
（二）激光蒸发法
（三）化学气相沉积法
（一）石墨电弧法
石墨电弧法又称直流电弧法，电弧是一种气体放电的现象。 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。
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图1 激光蒸发法装置图
影响因素： 催化剂 保护压强（3.0x104一 4.5 x 104 Pa） 气体（氦气、氩气） 激光脉冲时间间隔 （间隔越短，产率越高）
激光脉冲功率（功率 ↑，直径↓）
激光蒸发法制备工艺流程
激光蒸发法制备单壁纳米碳管的优点是产物纯度高， 易于提纯。
不足之处在于设备复杂、昂贵，而且产量不大。
电弧法装置图
在阴极上 沉积出碳 纳米管
He气
阴极 阳极
1mm 石墨电弧法装置结构示意图 阳极石墨 蒸发
· 氦气为载气，气压 50—60Pa， · 电流60A～100A，电压19V～25 V， · 电极间距1 mm～4mm，产率50％。
浅谈单壁碳纳米管与多壁碳纳米管的差异
浅谈单壁碳纳米管与多壁碳纳米管的差异浅谈单壁碳纳米管与多壁碳纳米管的差异碳纳米管是一维纳米材料，可称为纳米材料之王，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。
碳纳米材料在纳米材料技术开发中举足轻重，它将影响到国民经济的各个领域，是国际上研究的热点及难点。
碳纳米管按照石墨烯片的层数简单分类为：单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。
此外二者还有其他差异，现综述如下：1发现时间单壁碳纳米管：1993年s.iijia［1］等和ds.bethune等同时报道了采用电弧法，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碳纳米管，即单壁碳纳米管产物。
多壁碳纳米管：1991年日本ne公司根底研究实验室的电子显微镜专家iijia［2］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，现在被称做的arbnnantube，即碳纳米管，又名巴基管。
iijia发现的碳纳米管最小层数为2，含有一层以上石墨片层的那么称为多壁碳纳米管。
2结构单壁碳纳米管：由单层圆柱型石墨层构成，其直径大小的分布范围孝缺陷少，具有较高的均匀一致性。
snts的直径一般在1～6n，目前观察到的snt的最小直径约为0.33n，并已能合成直径0.4n的snts阵列，直径达6n的snts也已有报道。
一般认为，snt的直径大于6n以后特别不稳定，容易发生snt管的塌陷。
而单壁碳纳米管的长度那么可达几百纳米到几十微米。
单壁碳纳米管的单层结构显示出螺旋特征，根据构成碳纳米管的石墨层片的螺旋性，可以将单壁碳纳米管分为非手性〔对称〕和手性〔不对称〕。
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。
多壁碳纳米管的层间距约为0.34n，外径在几个纳米到几百纳米，而已发现的最小内径为0.4n。
其长度一般在微米量级，最长者可达数毫米。
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电弧法装置图
在阴极上 沉积出碳 纳米管
He气
阴极 阳极
1mm 石墨电弧法装置结构示意图 阳极石墨 蒸发
· 氦气为载气，气压 50—60Pa， · 电流60A～100A，电压19V～25 V， · 电极间距1 mm～4mm，产率50％。
优点：
设备比较简单，产量大，制得的SWNTs管直，结晶度高。
纳 米 粉 末
纳 米 纤 维
纳 米 膜
纳 米 块 体
3
纳米材料的特性
量子尺寸效应
体积效应
表面与界面效应
宏观量子隧道效应
纳米材料其纳米粒子出现了许多不同于常规固体的新奇特性，展 示了广阔的应用前景，同时它也为常规的复合材料的研究增添了新的 内容。
碳纳米管的结构
• 碳纳米管是石墨管状晶体
• 是单层或多层石墨片围绕中心按一定
的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管
碳纳米管
① 单壁碳纳米管S) 长径比100～1000，甚至10000，为线状物
图示呈线状物
（1）定义：
碳的同素异形体
由单层石墨片绕中心按一定角度卷曲而
成的无缝、中空纳米管。
单壁碳纳米管 直径为1-6 nm
（2）特 性
·
Single-wall carbon nanotube
主讲人：罗丽红 指导老师：叶晓萍
成员：罗丽红 张映娜 张丽玲 邹巧云 汪强 符朝钦 张崇荣
主讲内容
1 什么是纳米材料 纳米材料的特性 单壁碳纳米管的概述 制备方法 应用 前景 结语
2
3 4 5 6 7
1.纳米材料
定义： 结构单元的尺寸在1纳米至100纳米范围之间的材料，其中 1nm=10-9m 纳米材料大致可分为四类：
另外，碳纳米管对人体存在一定的毒性作用。
单壁纳米碳管作为纳米材料和碳分子的一个新成员， 以其独特的物理和化学性质受到人们日益广泛的关注。人 们正在努力探索新方法制备它，以获得高纯度、产量大、 管径均匀、缺陷少、操作方便且成本低廉的单壁碳纳米管， 来拓宽应用领域。尽管它本身存在一些缺点但仍具有非常 光明的前景，随着单壁碳纳米管合成技术和提纯技术的日 益成熟，大批量合成单壁碳纳米管己成为可能，单壁碳纳 米管以特有的结构和不断扩展的应用领域 , 必将开辟纳米 材料研究新天地。
有待优化的关键因素：（1）碳源；（2）催化剂及载体； （3）制备条件; 符合实际生产、能大批量制备的方法是石墨电弧法和化 学气相沉积法。
5 应用
储氢材料
电子领域
高强度复合材料领域
生物医学领域
储氢材料 超级电容器
军事方面的复合材料
生物传感器
6 碳纳米管的发展前景两面看
优点：作为当今材料科学领域的明星材料之一，SWNTs以独特的结构及
缺点： 电弧温度高达3000~3700 °C时, SWNTs被烧结在一起，造成较多的缺陷。 产物中含有较多杂质(如催化剂、无定形炭等)，需进一步系统提纯，电弧的 放电过程较难控制，成本较高。
烧结在一起的SWNTS
高度纯化的SWNTS
（二）激光蒸发法
激光蒸发法是将一根金属催化剂、石墨混合的石墨靶放置于 一长形石英管中间，该管则置于一加热炉内。当炉温升至 1200℃时，将惰性气体充入管内，并将一束激光聚焦于石墨 靶上。石墨靶在激光照射下将生成气态碳，气态碳和催化剂 离子被气流从高温区带向低温区，在催化剂的作用下生长成 单壁碳纳米管。 装置图如下：
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图1 激光蒸发法装置图
影响因素： 催化剂 保护压强（3.0x104一 4.5 x 104 Pa） 气体（氦气、氩气） 激光脉冲时间间隔 （间隔越短，产率越高）
激光脉冲功率（功率 ↑，直径↓）
激光蒸发法制备工艺流程
激光蒸发法制备单壁纳米碳管的优点是产物纯度高， 易于提纯。
不足之处在于设备复杂、昂贵，而且产量不大。
1催化剂 2管式炉 3石英 4热电偶 5气体混合 6温度控制
气相沉积法装置图
优点：相对于电弧法和激光蒸发法而言,化学气相沉 积法因具有合成温度较低 产量高、 纳米碳管的直 径及螺旋性易控制等优点而逐渐成为合成纳米碳管 的一种主要方法。 缺点：产率较低且反应气体不能重复使用
制备方法总结
制备的主要目标：（1）连续批量生产；（2）结构分布 均匀且可控；（3）成本低，纯度高;
性能展示出了它在各个领域的潜在价值。诺贝尔奖获得者的C60发现者之一 R.E.Smalley称：“碳纳米管将是价格便宜，环境友好并为人类创造奇迹的新 材料。”
缺点：存在几个问题有待解决，：一是，如何实现高质量碳纳米管的连续批量工
业化生产。二是，如何更深入研究碳纳米管实际应用问题。例如，在常温常压下如 何解析氢气及加快其储氢放氢速度。
•更为典型的一维结构
•无层间交互作用
•超级力学性能（钢的100倍） •极强的吸附性能 优异的储氢特性
单壁碳纳米管
•更适于研究和理解碳管电子结构和输运现象
4 制备方法
（一）石墨电弧法
（二）激光蒸发法
（三）化学气相沉积法
（一）石墨电弧法
石墨电弧法又称直流电弧法，电弧是一种气体放电的现象。 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。
（三）化学气相沉积法
化学气相沉积法主要机理：是使含有碳源的气体(如乙炔乙 烯等石油气)流经金属催化 剂(如铁、钻、镍等)表面时分解， 从而产生出碳纳米管。
特点：
设备简单、条件易控、能大规模制备、可直接生长在 合适的基底上
常用气体：
甲烷、一氧化碳、苯等
催化剂：
Fe、Co、Ni、Mo等以及它们的氧化物