碳纳米管介绍课件
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《碳纳米管》PPT课件
分类：
离子液体修饰碳纳米管 、表面活性剂 （十二 烷基磺酸钠(SDS)和十二烷基苯磺酸钠 (SDBS) ）、聚间亚苯基亚乙烯（PmPV） 等
4 碳纳米管的基本性质
（1）力学性能：sp2杂化形成的C=C共价键是自然界 最强的价键之一，赋予碳纳米管极强的强度、韧性 及弹性模量，使碳纳米管具有优异的力学性能。由 于碳纳米管的纳米尺度和易缠绕的特点，直接用传 统实验方法测量其力学性能比较困难，因此最初对 碳纳米管力学性能的研究集中在理论预测上。
当今世界公开报道高质、高效、连续大批 量工业化生产碳纳米管的实例：沸腾床催化法、 化学气相沉积法
碳纳米管结构示意图
(A) 椅形单壁碳纳米管 (B) Z字形单壁碳纳米管 (C) 手性单壁碳纳米管 (D) 螺旋状碳纳米管 (E) 多壁碳纳米管截面图
（方A）法电和弧设放备电都法较：相其似方。法阴及极设采备用与厚制约备10Ｃmm60的， 直径约为30mm的高纯高致密的石墨片，阳极 采用直径约为6mm的石墨棒，整个系统保持 在气压约104Pa的氦气气氛中，放电电流为50 Ａ左右，放电电压20Ｖ。通过调节阳极进给速 度，可以保持在阳极不断消耗和阴极不断生长 的同时，两电极的放电端面距离不变，从而可 以得到大面积离散分布的碳纳米管，同时还可 能产生碳纳米微粒。
(D)激光法
机理:与电弧放电法类似，主要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，这些气态碳和催 化剂粒子被气流从高温区带向低温区，在催化剂的 作用下生长成碳纳米管。
发现：1991年，日本学者Ijima和美国的Bethune 等人在掺加过渡金属催化剂的石墨电极间起弧放 电，并在制备产物中分别发现了单壁纳米管。
离子液体修饰碳纳米管 、表面活性剂 （十二 烷基磺酸钠(SDS)和十二烷基苯磺酸钠 (SDBS) ）、聚间亚苯基亚乙烯（PmPV） 等
4 碳纳米管的基本性质
（1）力学性能：sp2杂化形成的C=C共价键是自然界 最强的价键之一，赋予碳纳米管极强的强度、韧性 及弹性模量，使碳纳米管具有优异的力学性能。由 于碳纳米管的纳米尺度和易缠绕的特点，直接用传 统实验方法测量其力学性能比较困难，因此最初对 碳纳米管力学性能的研究集中在理论预测上。
当今世界公开报道高质、高效、连续大批 量工业化生产碳纳米管的实例：沸腾床催化法、 化学气相沉积法
碳纳米管结构示意图
(A) 椅形单壁碳纳米管 (B) Z字形单壁碳纳米管 (C) 手性单壁碳纳米管 (D) 螺旋状碳纳米管 (E) 多壁碳纳米管截面图
（方A）法电和弧设放备电都法较：相其似方。法阴及极设采备用与厚制约备10Ｃmm60的， 直径约为30mm的高纯高致密的石墨片，阳极 采用直径约为6mm的石墨棒，整个系统保持 在气压约104Pa的氦气气氛中，放电电流为50 Ａ左右，放电电压20Ｖ。通过调节阳极进给速 度，可以保持在阳极不断消耗和阴极不断生长 的同时，两电极的放电端面距离不变，从而可 以得到大面积离散分布的碳纳米管，同时还可 能产生碳纳米微粒。
(D)激光法
机理:与电弧放电法类似，主要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，这些气态碳和催 化剂粒子被气流从高温区带向低温区，在催化剂的 作用下生长成碳纳米管。
发现：1991年，日本学者Ijima和美国的Bethune 等人在掺加过渡金属催化剂的石墨电极间起弧放 电，并在制备产物中分别发现了单壁纳米管。
单壁碳纳米管综述PPT课件
➢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
第15页/共25页
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
第16页/共25页
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
第5页/共25页
2）特 性
•更为典型的一维结构 •无层间交互作用
单壁碳纳米管
•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
第6页/共25页
4 制备方法
第3页/共25页
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
① 单壁碳纳米管（SWNTS）
碳纳米管
• 种类：
② 多壁碳纳米管(MWNTS)
长径比100～1000，甚至10000，为线状物
第4页/共25页
图示呈线状物
（1）定义：
碳的同素异形体
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; 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。
第17页/共25页
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
第21页/共25页
谢谢
第22页/共25页
甲烷、一氧化碳、苯等
➢催化剂：
Fe、Co、Ni、Mo等以及它们的氧化物
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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
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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
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2）特 性
•更为典型的一维结构 •无层间交互作用
单壁碳纳米管
•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
第6页/共25页
4 制备方法
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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
① 单壁碳纳米管（SWNTS）
碳纳米管
• 种类：
② 多壁碳纳米管(MWNTS)
长径比100～1000，甚至10000，为线状物
第4页/共25页
图示呈线状物
（1）定义：
碳的同素异形体
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; 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。
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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
第21页/共25页
谢谢
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碳纳米管的制备与纯化ppt课件
天、军事等方面都有广泛. 应用。
碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量 子材料，径向尺寸为2~20nm，轴向尺寸 为微米量级、管子两端基本上都封口主要 由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十 层的同轴圆管。
.
碳纳米管也可以看成是由石墨层卷曲而成 的圆柱形管状物。 碳纳米管可以分为多壁碳纳米管和单壁碳 纳米管两类。 多壁碳纳米管：由多层石墨卷曲而成的一 组同轴圆柱形管。 单壁碳纳米管：由一层石墨卷曲而成的一 个圆柱形管。
.
.
碳纳米管的主要性质
.
二、制备方法
➲ 电弧放电法。（已用于工业化生产） ➲ 激光蒸发法。 ➲ 化学气相沉淀法。 ➲ 太阳能法。 ➲ 火焰法。 ➲ 增强等离子体热流体化学化学蒸气分解沉法。 ➲ 等离子体法。 ➲ 水热法。 ➲ 超临界流体技术。 ➲ 固相复分解反应制备法。…………
.
➲ 碳源 石墨是最早也是最容易获得的碳源。激光法、电弧 法中常以石墨靶为碳源，后来随着碳纳米管制备技 术的发展，纳米管的碳源也可从各种含碳物质的热 解或转化来制得。含碳和氢，以及混杂有氧、氮、 硫等其它杂质的有机化合物，低沸点的有机金属化 合物(如各种金属茂、金属酞脊等)，在加热时，特 别是催化加热时通过歧化或炭化转化为高碳或纯碳 材料，然后在合适的条件下部分或完全转化成碳纳 米管。根据碳源的物理形态可以设计相应的实验。 如石墨可用作电弧法和激光蒸发法。co,烃类气体适 用于各类CVD法、低沸点的金属茂、金属酞菁等也 可通过加热升华后用于CVD法;苯、金属茂、金属酞 菁等经有机溶剂溶解，利用溶胶-凝胶技术和载体均
➲ 激光蒸发法
.
Smalley 等制备C60时，在电极中加入一 定量的催化剂，得到了单壁碳纳米管。Thess 等改进实验条件，采用该方法首次得到相对较 大数量的单壁碳纳米管。实验在1 473 K条件 下，采用50 ns的双脉冲激光照射含Ni/Co催 化剂颗粒的石墨靶，获得高质量的单壁碳纳米 管管束。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。
碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量 子材料，径向尺寸为2~20nm，轴向尺寸 为微米量级、管子两端基本上都封口主要 由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十 层的同轴圆管。
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碳纳米管也可以看成是由石墨层卷曲而成 的圆柱形管状物。 碳纳米管可以分为多壁碳纳米管和单壁碳 纳米管两类。 多壁碳纳米管：由多层石墨卷曲而成的一 组同轴圆柱形管。 单壁碳纳米管：由一层石墨卷曲而成的一 个圆柱形管。
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碳纳米管的主要性质
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二、制备方法
➲ 电弧放电法。（已用于工业化生产） ➲ 激光蒸发法。 ➲ 化学气相沉淀法。 ➲ 太阳能法。 ➲ 火焰法。 ➲ 增强等离子体热流体化学化学蒸气分解沉法。 ➲ 等离子体法。 ➲ 水热法。 ➲ 超临界流体技术。 ➲ 固相复分解反应制备法。…………
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➲ 碳源 石墨是最早也是最容易获得的碳源。激光法、电弧 法中常以石墨靶为碳源，后来随着碳纳米管制备技 术的发展，纳米管的碳源也可从各种含碳物质的热 解或转化来制得。含碳和氢，以及混杂有氧、氮、 硫等其它杂质的有机化合物，低沸点的有机金属化 合物(如各种金属茂、金属酞脊等)，在加热时，特 别是催化加热时通过歧化或炭化转化为高碳或纯碳 材料，然后在合适的条件下部分或完全转化成碳纳 米管。根据碳源的物理形态可以设计相应的实验。 如石墨可用作电弧法和激光蒸发法。co,烃类气体适 用于各类CVD法、低沸点的金属茂、金属酞菁等也 可通过加热升华后用于CVD法;苯、金属茂、金属酞 菁等经有机溶剂溶解，利用溶胶-凝胶技术和载体均
➲ 激光蒸发法
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Smalley 等制备C60时，在电极中加入一 定量的催化剂，得到了单壁碳纳米管。Thess 等改进实验条件，采用该方法首次得到相对较 大数量的单壁碳纳米管。实验在1 473 K条件 下，采用50 ns的双脉冲激光照射含Ni/Co催 化剂颗粒的石墨靶，获得高质量的单壁碳纳米 管管束。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。
新材料概论碳纳米管课件
通过化学或物理方法对碳纳米管进行改性， 以提高其分散性和界面稳定性。
环保与可持续性
在合成和使用过程中，考虑碳纳米管的环保 和可持续性问题也正在成为研究热点。
05
碳纳米管的生产与市场产主要采用气相沉积、电弧放 电和激光脉冲等方法。其中，气相沉积法具 有生长速度快、纯度高、可大规模生产等优 点，但设备成本较高。电弧放电法和激光脉 冲法具有设备简单、成本低等优点，但产量 较低。
02 将不同性能的材料进行复合，实现材料的多功能特性
，如强度、韧性、耐磨性、导电性、导热性等。
多功能复合材料应用
03
将多功能复合材料应用于不同的领域，如航空航天、
汽车、能源、生物医学等。
新兴应用领域拓展
01
新一代信息技术
发展新型电子器件、光电器件、 传感器的应用，推动信息技术领 域的创新发展。
02
化学稳定性
碳纳米管在大多数化学环境下都具 有很好的稳定性，使其在化学反应中 具有很好的应用前景。
挑战与瓶颈
01
生产与合成难度
碳纳米管的制备和合成仍存在一 定的挑战，其大规模生产和成本
控制是当前的研究重点。
03
界面稳定性差
在某些应用中，碳纳米管的界面 稳定性较差，可能会影响其性能
。
02
分散与纯化问题
其他制备方法
总结词
其他制备碳纳米管的方法
VS
详细描述
除上述方法外，还有许多其他制备碳纳米 管的方法，如燃烧合成法、溶胶凝胶法等 。这些方法各有优缺点，可根据实际需求 选择合适的方法。
03
碳纳米管的应用领域
纳米电子器件
碳纳米管在制造纳米电子器件方面具有高导电性和稳定性，可以用于制造高灵敏 度的场效应晶体管、逻辑电路和存储器等。
环保与可持续性
在合成和使用过程中，考虑碳纳米管的环保 和可持续性问题也正在成为研究热点。
05
碳纳米管的生产与市场产主要采用气相沉积、电弧放 电和激光脉冲等方法。其中，气相沉积法具 有生长速度快、纯度高、可大规模生产等优 点，但设备成本较高。电弧放电法和激光脉 冲法具有设备简单、成本低等优点，但产量 较低。
02 将不同性能的材料进行复合，实现材料的多功能特性
，如强度、韧性、耐磨性、导电性、导热性等。
多功能复合材料应用
03
将多功能复合材料应用于不同的领域，如航空航天、
汽车、能源、生物医学等。
新兴应用领域拓展
01
新一代信息技术
发展新型电子器件、光电器件、 传感器的应用，推动信息技术领 域的创新发展。
02
化学稳定性
碳纳米管在大多数化学环境下都具 有很好的稳定性，使其在化学反应中 具有很好的应用前景。
挑战与瓶颈
01
生产与合成难度
碳纳米管的制备和合成仍存在一 定的挑战，其大规模生产和成本
控制是当前的研究重点。
03
界面稳定性差
在某些应用中，碳纳米管的界面 稳定性较差，可能会影响其性能
。
02
分散与纯化问题
其他制备方法
总结词
其他制备碳纳米管的方法
VS
详细描述
除上述方法外，还有许多其他制备碳纳米 管的方法，如燃烧合成法、溶胶凝胶法等 。这些方法各有优缺点，可根据实际需求 选择合适的方法。
03
碳纳米管的应用领域
纳米电子器件
碳纳米管在制造纳米电子器件方面具有高导电性和稳定性，可以用于制造高灵敏 度的场效应晶体管、逻辑电路和存储器等。
碳纳米管介绍ppt课件
激光蒸发法制备碳纳米管的装置
ppt精选版
21
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。
ppt精选版
15
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。
ppt精选版
16
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。
ppt精选版
30
新型芯片
在硅芯片晶体管接近其物理性能极限的当今， 碳纳米管是未来替代硅芯片极具竞争力的候选材 料之一。科学家预计碳纳米晶体管的运算速度将 比目前看好的下一代硅芯片的还要快10倍，而且 耗能更少，这将有助于研发具有超级运算速度和 低能耗的微处理器。
ppt精选版
31
触摸屏
在消费性电子产品中，常见的是电容性触摸屏， 而它常用的材料则是ITO（纳米铟锡金属氧化物） 导体。ITO薄膜是制造触摸屏导体的理想材料。但 铟非常稀有，且ITO薄膜还有易碎、可塑性差的缺 点，处理过程需要在真空环境下进行，导致价格非 常昂贵。
ppt精选版
18
1.电弧法（Arc Discharge Methods）
主要工艺：
在真空容器中充满一定压力的 惰性气体或氢气，以掺有催化剂 (金属镍、钴、铁等) 的石墨为电 极，在电弧放电的过程中，两石墨 电极间总保持一定的间隙。阳极石 墨被蒸发消耗，同时在阴极石墨上 沉积碳纳米管，从而生产出碳纳米 管。
碳材料工艺学第七讲碳纳米管
Max. Tensile Strength
~30 GPa
~2000 W/m·K (max) 10 Gpa 25 MPa
Application
Nanodevices
EMI
FED tip, SPM tip Capacitor, battery, H storage
Strengthen ing
2 碳纳米管的制备
米管的化学切割开始的。1994年，Green等人发现， 利用强酸对碳纳米管进行化学切割，可以得到开口 （opening）的碳纳米管。在随后的研究中，Green 等人及Ebbesen等人发现，开口的碳纳米管的顶端含 有一定数量的活性基团，如羟基、羧基等，并预言 可以利用这些活性基团对碳纳米管进行有机化学修 饰。
碳纳米管的特性
2.电学性能
碳纳米管电学性质与它的结构相关,受量子物理影响, 随网格构型和直径的不同,其导电性可呈现金属、半 金属或半导体性，因而碳纳米管的传导性可通过改 变管中网络结构和直径来变化。另外，还可通过掺 杂进一步改变其导电特性。
CNT磁学特性 平行于管的轴向加一磁场时 ，具有金属导电
制备CNT的研究动态
▲ 1991年Iijima首先发 现的 MWNTs的直径约为 2nm
▲1992年P.M.Ajayan和 Iijima发现最小SWNTs的 直径约为0.7nm
▲2000年解思深发现了 一个可能与Ｃ36相关的直 径为0.5nm的MWNTs
▲2000年10月9 《Phys.Rev.Letts》报道 直径为0.33nm的SWNTs
性的CNT表现出Aharonov Bohm效应(简称AB 效应) 。
CNT光学特性 频率在168cm-1左右的强振动模与直径密切相
关。
碳纳米管的制备与纯化ppt课件
匀混合后可用于固相热解法。
.
一般说来，碳源的选择不影响产物的性质，但是 对碳纳米管的成长速率有一定的影响。不同的碳 源，分解温度不同，因而热传导率也不同。另外， 在反应中加入一些生长促进剂(如硫、磷、唾吩等) 可以加速碳源的分解，有利于生成纳米管。 此外，载体法中随着碳源的分解，碳的浓度和压 强在载体孔隙中逐渐增大，达到一定浓度时，便开 始在催化剂颗粒上沉积成核，开始碳纳米管的生 长。所以与其它方法相比，载体催化热解法能充分 利用载体孔隙增大积碳压强而降低合成温度。
场对碳管的开口生长起稳定作用并诱导碳纳
米管生长。而Zhang等认为，电弧条件下的 CNTs生长是阴极上的场发射结构与等离子体
相互作用的结果。Satio等认为电场的静电引 力是碳纳米管生长的原因，在电场力作用
下，液态的小微粒呈椭圆形，并沿着电场作 .
用方向生长。
➲ 电弧法制备碳纳米管的生长机理 在观察电弧法制备的纳米管结构时发现，很 难用闭口模型生长机理来解释其结构的形成， 例如：闭口生长模型不可能解释为什么在多壁 的生长过程中内层的长度和外层的不同。另 外，在如此高温下，碳管沿径向和轴向同时生 长，所有的同轴碳管将瞬间形成，表明这种生 长更倾向于开口生长。
超声震荡2h后，在N2(压力200kPa)中磁力搅 拌下微孔过滤，大部分的金属纳米粒子和碳纳 米球都进人滤液而被除去，最后所得SWNTs 的纯度>90%。与此同时，Shelimov等发现 结合超声振荡技术和微量过滤方法，可将由激 光蒸发法制备出的SWNTs从含有无定形碳、 石墨多面体和金属催化剂微粒等杂质的产物中 有效地分离出来。在过滤过程中，超声技术的 引人可以防止过滤器受到污染，同时还可以保 持一个充分分散的碳纳米管与纳米颗粒共存的 悬浮液环境。由于起始原料的不同，这种方法 可以得到产率为30%~70%、纯度>90%的单 壁碳纳米管，由于超声. 展荡的切割作用，纯化
.
一般说来，碳源的选择不影响产物的性质，但是 对碳纳米管的成长速率有一定的影响。不同的碳 源，分解温度不同，因而热传导率也不同。另外， 在反应中加入一些生长促进剂(如硫、磷、唾吩等) 可以加速碳源的分解，有利于生成纳米管。 此外，载体法中随着碳源的分解，碳的浓度和压 强在载体孔隙中逐渐增大，达到一定浓度时，便开 始在催化剂颗粒上沉积成核，开始碳纳米管的生 长。所以与其它方法相比，载体催化热解法能充分 利用载体孔隙增大积碳压强而降低合成温度。
场对碳管的开口生长起稳定作用并诱导碳纳
米管生长。而Zhang等认为，电弧条件下的 CNTs生长是阴极上的场发射结构与等离子体
相互作用的结果。Satio等认为电场的静电引 力是碳纳米管生长的原因，在电场力作用
下，液态的小微粒呈椭圆形，并沿着电场作 .
用方向生长。
➲ 电弧法制备碳纳米管的生长机理 在观察电弧法制备的纳米管结构时发现，很 难用闭口模型生长机理来解释其结构的形成， 例如：闭口生长模型不可能解释为什么在多壁 的生长过程中内层的长度和外层的不同。另 外，在如此高温下，碳管沿径向和轴向同时生 长，所有的同轴碳管将瞬间形成，表明这种生 长更倾向于开口生长。
超声震荡2h后，在N2(压力200kPa)中磁力搅 拌下微孔过滤，大部分的金属纳米粒子和碳纳 米球都进人滤液而被除去，最后所得SWNTs 的纯度>90%。与此同时，Shelimov等发现 结合超声振荡技术和微量过滤方法，可将由激 光蒸发法制备出的SWNTs从含有无定形碳、 石墨多面体和金属催化剂微粒等杂质的产物中 有效地分离出来。在过滤过程中，超声技术的 引人可以防止过滤器受到污染，同时还可以保 持一个充分分散的碳纳米管与纳米颗粒共存的 悬浮液环境。由于起始原料的不同，这种方法 可以得到产率为30%~70%、纯度>90%的单 壁碳纳米管，由于超声. 展荡的切割作用，纯化
神奇的储氢材料――碳纳米管PPT课件
目前的储氢材料都不能满足这一要求。
9
碳纳米管
Carbon nanotube （ＣＮＴ）
由于纳米材料的研究热潮的带动，以碳和 纳米碳材料进行储氢成为新的研究热点。
10
纳米材料(1—100nm)的基本效应 1、小尺寸效应（体积效应） 2、量子尺寸效应 3、宏观量子隧道效应
4、表面效应
11
• 又叫巴基管，碳的同素异形体
2
氢能
hydrogen energy
3氢能被人们称ຫໍສະໝຸດ 理想的“绿色能源”氢能的优越性
1、安全环保：氢气分子量为2，比空气轻1/14，因此氢气泄露 空气中会自动逃离地面，不会形成聚集。而其他燃油燃气均会 聚集地面而构成易燃易爆危险。无味无毒，不会造成人体中毒， 燃料产物仅为水，不污染环境。 2、高温高能：1kg氢气的热值为34000Kcal, 是汽油的三倍。氢 氧焰温度高达2800度，高于常规液体。
31
学习总结
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
You Know, The More Powerful You Will Be
32
结束语
当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的， 所以不要放弃，坚持就是正确的。
24
储氢量与储氢压力（温度）关系图
25
氢气释放问题：
2005年7月26日,美国NIST和Turkey's Bilkent大学发 现,钛修饰碳纳米管可以解决有效储氢的两个关键 问题:不但能够吸附足够数量的氢分子,而且可以 在加热时轻易地释放．
研究人员正在试图用碳纳米管制作轻便的可携带 式的储氢容器。
9
碳纳米管
Carbon nanotube （ＣＮＴ）
由于纳米材料的研究热潮的带动，以碳和 纳米碳材料进行储氢成为新的研究热点。
10
纳米材料(1—100nm)的基本效应 1、小尺寸效应（体积效应） 2、量子尺寸效应 3、宏观量子隧道效应
4、表面效应
11
• 又叫巴基管，碳的同素异形体
2
氢能
hydrogen energy
3氢能被人们称ຫໍສະໝຸດ 理想的“绿色能源”氢能的优越性
1、安全环保：氢气分子量为2，比空气轻1/14，因此氢气泄露 空气中会自动逃离地面，不会形成聚集。而其他燃油燃气均会 聚集地面而构成易燃易爆危险。无味无毒，不会造成人体中毒， 燃料产物仅为水，不污染环境。 2、高温高能：1kg氢气的热值为34000Kcal, 是汽油的三倍。氢 氧焰温度高达2800度，高于常规液体。
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学习总结
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
You Know, The More Powerful You Will Be
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结束语
当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的， 所以不要放弃，坚持就是正确的。
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储氢量与储氢压力（温度）关系图
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氢气释放问题：
2005年7月26日,美国NIST和Turkey's Bilkent大学发 现,钛修饰碳纳米管可以解决有效储氢的两个关键 问题:不但能够吸附足够数量的氢分子,而且可以 在加热时轻易地释放．
研究人员正在试图用碳纳米管制作轻便的可携带 式的储氢容器。
碳纳米管简介PPT课件
AFM image
CNT电性能测试装置（左） 电性能测试结果（右）
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➢ 热性能
性能
热稳定性 真空环境可耐温至2800oC，空气中700oC 热导率 理论值6000W.(m.K)-1；实验值3000W.(m.K)-1
❖ 单根MWNT（直径14nm）的热导性测 试结果
❖ 插图为用于热导性测试的微器件，标 尺为10μm
比碳纤维高一个数量级，约为钢的100
倍， 而密度仅为钢的1/6
拉伸强度 10~150GPa，石墨片层为36.5GPa，是
高强钢的20倍
韧性
拉伸形变至40％无明显脆性行为、塑性
形变和断裂
SWNT tensile test
before test
after test
before test
after test
率较低
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合成方法
➢激光烧蚀法（Laser Ablation）
惰性气氛中，利用激光的高能量蒸发石墨靶（含金属催化剂）来合成碳纳米管 可生产SWNT和MWNT 所得碳纳米管品质高，结构完整，缺陷较少，适合生长SWNT 成本高，收率低
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合成方法
➢化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition, CVD）
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应用前景
碳纳米管防弹衣
因纳米碳管既轻又强度极高， 是钢的10-100倍，用它来作 防弹衣就像用羽绒做成的防 寒服一样，既可折来叠去， 又能抵御强大的子弹的冲击 力。
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挑战与问题
与10年前相比，碳纳米管的价格有了显著降低，但仍显过高，特别是用于复合材料填 料时，与其它填料相比性价比偏高
品质和产量间存在矛盾，如CVD技术能用来大量生产碳管，但所得产品石墨化程度 低，缺陷多，性能不尽如人意
碳材料工艺学第七讲碳纳米管
CNTs的应用
CNTs
复合增强材料 导电或抗静电塑料 磁性材料、场发射 分子电子器件、修饰电极
探针显微镜针尖
储存气体、催化剂载体
The tip of STM
The nanotubes are attached to a nickel tip and are set in motion by an oscillating voltage applied to two anodes. Electrons spewed from nanotube ends provide a record of nanotube motions, which in turn indicate the resonant mechanical frequencies of the nanotubes. Tipanode distance: 2 mm. Tip-screen distance: 3 cm.
High mass & embitterment
Nature 414, 353 - 358 (2001)
Reported Results
Materials SWNTs ( low purity ) SWNTs ( high purity ) GNF ( herringbone ) Li-GNFs Li-Graphite K-GNFs K-Graphite SWNTs (high purity) SWNTs (50% )
性的CNT表现出Aharonov Bohm效应(简称AB 效应) 。
CNT光学特性 频率在168cm-1左右的强振动模与直径密切相
关。
Properties Density
Nanotube ~ 2.0 g/m3
Graphite 2.26 g/m3
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1 非手性型（对称）
扶手椅型 锯齿型
2 手性型（不对称）
碳纳米管介绍
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4.按定向性分类
1 定向碳纳米管
2 非定向碳纳米管
碳纳米管介绍
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二.碳纳米管材料的性能
力学性能
电学性能
热学性能
储氢性能
其他性能
碳纳米管主要的性能 可以从五个方面说明
碳纳米管介绍
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碳纳米管材料的性能
力学性能
金刚石是我们所知道的自然界中最 为坚硬的物质。而作为金刚石的同素 异形体，碳纳米管具有良好的力学性 能。
电弧法目前主要用于生产单壁碳纳米管。选择合适的催 化剂组合与含量, 是电弧法制备单壁碳纳米管研究的主要方 向之一。
碳纳米管介绍
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2.激光蒸发法(Laser Ablation)
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。
碳纳米管介绍
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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。
碳纳米管介绍
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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。
碳纳米管介绍
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1.按形态分类
碳纳米管的分类
实际制备的碳纳米管的管身并不完全是平直或均匀的，有时会出现各 种结构，如弯曲、分叉、螺旋等。这些结构的出现多是由于碳六边形网格
中引入了碳五边形和碳七变形所致。碳五边形引起正弯曲，碳七边形引起
负弯曲。
碳纳米管介绍
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普通封口型 变径型 洋葱型
海胆型
竹节型
念珠型
激光蒸发法制备碳纳米管的装置
碳纳米管介绍
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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。
其他性能
碳纳米管还具有光学和毛细，化学 等其他良好的性能，也正是这些特性 使得碳纳米管成为许多新材料的基础。
碳纳米管介绍
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三.碳纳米管的制备方法
CNTs的制备方法有多种，主要有： 电弧法 激光蒸发法 化学气相沉积法 燃烧火焰法 电解法
通过各种外加能量，将碳源分解为原子或离子形式， 然后在凝聚就可以得到这种碳的一维结构。
碳纳米管
Carbon Nanotubes
碳纳米管介绍
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一. 碳纳米管简介及其分类
二.
碳纳米管的性能
三. 碳纳米管的制备方法
四
碳纳米管的应用
碳纳米管介绍
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一.碳纳米管简介
• 又叫巴基管，碳的同素异形体 • 由单层或多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
多壁碳纳米管
碳纳米管介绍
碳纳米管介绍
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碳纳米管材料的性能
电学性能
碳纳米管在电学性能上也有很大的 发展空间。
实验表明不同类型的碳纳米管，导 电性能也不相同，例如，单壁纳米管总 是金属性的，手性形纳米管中则部分为 半导体性，部分为金属性的。
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。
径的单壁碳纳米管套构而成。 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2～30 nm和 0.1～50μm。
单壁碳纳米管
多壁碳纳米管
碳纳米管介绍
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3.按手性分类
根据构成单壁碳纳米管的石墨层片的螺旋性，可以将单壁碳纳米管分为：
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碳纳米管的结构
与金刚石、石墨、富勒烯一样，是碳的一种同素异形体 。它
是一种管状的碳分子，管上每个碳原子采取sp2杂化，相互之
间以碳-碳σ键结合起来。
碳纳米管介绍
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碳纳米管材料构
碳纳米管介绍
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碳纳米管的发现
碳纳米管于1991年由日本NEC公司基础研究 实验室的电子显微镜专家饭岛澄男首先发现。 他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，这就是今天被广 泛关注的碳纳米管。
纺锤型
螺旋型 其他异型
碳纳米管介绍
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2.按层数分类
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）：为由不同直
碳纳米管介绍
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优缺点： 电弧法的特点是简单快速, 制得的碳纳米管管直, 结晶
度高,但产量不高,阴极上除了碳纳米管还沉积有富勒烯、石 墨颗粒、无定形碳和其他形式的炭颗粒。而且由于电弧温度 高达3000～3700 ℃, 形成的碳纳米管会被烧结成一体,烧结 成束, 束中还存在很多非晶碳杂质, 造成较多的缺陷。
硬度：碳-碳共价键是自然界中最稳定 的化学键，而碳纳米管的强度接近于 碳-碳键的强度，因此单壁碳纳米管的 抗拉强度达到50～200GPa，杨氏模 量与金刚石相当，强度是钢的100 倍。
碳纳米管介绍
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碳纳米管材料的性能
力学性能
弹性：与金刚石的三维结构不同，碳 纳米管作为一维纳米材料可弯可拉具 有相当好的弹性。实验表明碳纳米管 在拉升达原来长度的136%时仍 然可 以恢复到原来的样子。而且即使受到 了很大的外加应力，碳纳米管也不会 发生脆性断裂 。
碳纳米管介绍
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1.电弧法（Arc Discharge Methods）
主要工艺：
在真空容器中充满一定压力的 惰性气体或氢气，以掺有催化剂 (金属镍、钴、铁等) 的石墨为电 极，在电弧放电的过程中，两石墨 电极间总保持一定的间隙。阳极石 墨被蒸发消耗，同时在阴极石墨上 沉积碳纳米管，从而生产出碳纳米 管。