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。
碳纳米管的性质与应用
研究碳纳米管的发光性质从其发光位置着手 研究。单壁纳米碳管的发光是从支撑纳米碳管的 金针顶附近发射的，并且发光强度随发射电流的 增大而增强；多壁纳米碳管的发光位置主要限制 在面对着电极的薄膜部分，发光位置是非均匀的， 发光强度也是随着发射电流的增大而增强。碳纳 米管的发光是由电子在与场发射有关的两个能级 上的跃迁而导致的。研究表明单壁纳米碳管的光 吸收随压力的增大而减弱，其原因在于压力的变 化会导致纳米碳管对称性的改变。
碳纳米管的性质与应用
应化0804 报告人：赵 开
主要内容
碳纳米管的简介
碳纳米管的性质
碳纳米管的应用 碳纳米管的展望
碳纳米管的简介
碳纳米管（CNT）是碳的同素异形体 之一，是由六元碳环构成的类石墨平面卷 曲而成的纳米级中空管，其中每个碳原子 通过SP2杂化与周围3个碳原子发生完全键合。 碳纳米管是由一层或多层石墨按照一定方 式卷曲而成的具有管状结构的纳米材料。 由单层石墨平面卷曲形成单壁碳纳米管 （SWNT），多层石墨平面卷曲形成多壁碳 纳米管（MWNT）。
碳纳米管的展望
由于碳纳米管具有非常好的性能，其 尺寸又处于纳米级，因而具有很好的应用 前景，受到了多个领域研究者的广泛关注。 随着其应用研究的进展，势必引起一场科 技革命的新突破，并带动一系列相关高科 技产业的兴起与发展。在不久的将来，基 于碳纳米管的多种现代化产品将会真正进 入我们的生活，对社会的发展势必将起到 极大的推动作用。
碳纳米管在电磁学领域的应用：
碳纳米管具有良好的导电性，是一种可用于制备修饰 电极和电化学传感器的优良材料。将碳纳米管对传统电极 进行修饰可以降低氧化过电势，增加峰电流，从而改善分 析性能，提高方法选择性和灵敏度。因此，碳纳米管作为 修饰电极材料已广泛应用于分析化学领域。利用碳纳米管 的场致电子发射性能可用于制作平面显示装置，使之更薄、 更省电，从而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，可用于大规模集成电路、超导 线材、超电容器，也可用于电池电极和半导体器件。碳纳 米管的直径比以往用的针尖小得多，用碳纳米管作为扫描 探针能大大提高其分辨率。利用碳纳米管的金属导电性和 半导体性能，碳纳米管还被用于制作分子级开关、半导体 器件等。
碳纳米管简介
3）激光蒸发法. 这种方法是制备单壁纳米碳管的一种有效 方法。用高能CO2激光或Nd/YAG激光蒸发掺 有Fe、Co、Ni或其他合金的碳靶制备单壁纳 米碳管。用这种CO2激光蒸发法，在室温下 就可以得到单壁碳纳米管。
缺点： 单壁碳纳米管的纯度较低、易粘 结。
5.碳纳米管的独特性质
1)力学性能 碳纳米管的抗拉强度达到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。它是最强的纤维，在强度与重量之比 方面，这种纤维是最理想的。
2) 电学性能 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（碳纳米管 ）的管径大于6mm时， 导电性能下降；当管径小于6mm时，CNTs 可以被看成具有良好导电性能的一维量子 导线。
3) 热学性能 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。适当排列 碳纳米管可得到非常高的各向异性热传导 材料。
4) 储氢性能 1997年，A. C. Dillon对单壁碳纳米管 (SWNT)的储氢性能做了研究，SWNT在0℃时 ,储氢量达到了5%。 DeLuchi指出:一辆燃料机车行驶500km,消耗 约31kg的氢气，以现有的油箱来推算，需 要氢气储存的重量和体积能量密度达到65% 和62kg/m3。 这两个结果大大增加了人们对碳纳米管储氢 应用前景的希望。
3.碳纳米管的分类
1)按形态分
普通封口型
变径型
洋葱型
海胆型
竹节型
2)按手性分
扶手椅型
锯齿型
碳纳米管的性质与应用
碳纳米管的性质与应用碳纳米管是一种研究热点，同时也是一种具有广泛应用前景的纳米材料。
碳纳米管具有很多优异的性质，例如高度的机械强度、热导率、光学性质和电学性质等，这些性质使得碳纳米管在各领域中得到了广泛的关注和研究。
本文将从性质和应用两方面来探讨碳纳米管的特点。
一、碳纳米管的性质1. 机械性质碳纳米管具有非常高的机械强度，这是由于其形成时的晶格缺陷极少，且由碳原子构成的共价键是相当强的。
研究表明，碳纳米管的强度可以达到200GPa以上，因此在强度要求高的场合，例如航天航空领域、材料制造业及求医领域等等，碳纳米管都有广泛的应用。
2. 热学性质碳纳米管具有良好的热传导性质，由于它们的长度是大于直径的，因此导热主要沿着管轴方向，这种长程导热机制使得碳纳米管的热导率非常高，可以高达3000W/mK。
同时，其能够承受极高的温度，可以长期工作在1000℃以上的高温环境中，故在制造高精度、高稳定性元器件，以及制造高温传感器方面都有广泛应用。
3. 光学性质碳纳米管具有优良的光学性质，具有很高的吸收能力和强烈的荧光特性。
碳纳米管的宽带能使其吸收并辐射出不同波长的光，因此在生命科学、光电器件等领域得到广泛的应用。
4. 电学性质碳纳米管是一种非常具有潜力的电子材料，具有半导体和金属的特性。
这种双重的特性，使得碳纳米管可用于制造场效应晶体管、电化学电容器、电化学传感器等，同时，在信息技术、存储技术、生物医学等领域，碳纳米管也有着广泛的应用。
二、碳纳米管的应用1. 生物医学碳纳米管在生物医学中的应用非常广泛，主要包括药物传递、成像、生物分析及治疗等方面。
碳纳米管的生物相容性好，特异性高，可以将药物包载于碳纳米管表面，通过靶向技术将药物输送至受体细胞表面，从而达到治疗的目的。
此外，碳纳米管还能用于医学检测成像，如：磁共振成像、X射线成像、核酸检测等疾病诊断。
2. 能源材料由于碳纳米管的高热传导、高机械强度、高表面积和优质导体性质，使得碳纳米管可以用于电化学能源存储、传感及转换。
碳纳米管简介
缺陷，石墨化程度较低，常发生弯曲和变形，管端和管壁上包有催化剂颗粒
拓宽碳管的新应用领域，进一步提高其科技附加值
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碳纳米管简介
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Presentation
工程试验1班
主讲：#### 组员：#######
碳纳米管
▪ 简介 ▪ 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(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,这就是碳纳米管 ▪ 现在被称作的“Carbon nanotube”，即碳纳米管,又 名巴基管
可用于制备高性能化和多功能性兼备的纳米复合材料 小尺寸特点决定了其聚合物复合材料可通过通用型聚合物加工设备进行生产
➢ 生物、医药领域
利用其高强度和柔韧性制备人造肌肉、人造骨骼等 药物输运(drug delivery)
应用前景
应用前景
碳纳米制造“太空电梯”
或许有一天我们会沿着超轻超强的碳纳米管 电缆，搭乘太空电梯上太空观光旅行。
无论采用何种生产工艺，所得产物均为碳管与杂质的混合物，分离与提纯是必要工艺 采用目前生产技术制备的碳纳米管无一例外的都是金属型和半导体型的混合物，合成
选择性较差 优化目前的生产、分离和提纯工艺同时开发新的合成技术以解决上述问题 优化和发展新的催化体系以实现碳管的选择性合成，不仅能提高碳管的品质而且有望
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。
碳纳米管的制备方法
碳纳米管的制备方法碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNTs）是一种具有优异性能和广泛应用前景的纳米材料，具有极高的比表面积、优异的导电性和热导率，因此在材料科学、纳米技术、能源存储等领域有着重要的应用价值。
碳纳米管的制备方法多种多样，下面将介绍几种常见的制备方法。
1. 化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition, CVD）。
化学气相沉积法是目前制备碳纳米管最常用的方法之一。
在CVD过程中，碳源气体（如甲烷、乙烯等）与载气（如氢气、氨气等）在高温条件下通过催化剂（如铁、镍、钴等）的作用下发生化学反应，生成碳原子，最终在催化剂表面形成碳纳米管。
CVD方法制备的碳纳米管质量较高，但是需要高温和高真空条件，设备成本较高。
2. 弧放电法（Arc Discharge）。
弧放电法是一种较为简单的碳纳米管制备方法，通过在高温下将碳源（如石墨）和金属催化剂（如铁、钴、镍等）放电，产生高温等离子体，从而在合成碳纳米管。
弧放电法制备的碳纳米管质量较高，但是产率较低，且需要严格控制反应条件。
3. 化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition, CVD）。
化学气相沉积法是目前制备碳纳米管最常用的方法之一。
在CVD过程中，碳源气体（如甲烷、乙烯等）与载气（如氢气、氨气等）在高温条件下通过催化剂（如铁、镍、钴等）的作用下发生化学反应，生成碳原子，最终在催化剂表面形成碳纳米管。
CVD方法制备的碳纳米管质量较高，但是需要高温和高真空条件，设备成本较高。
4. 气相凝结法（Gas-phase Condensation）。
气相凝结法是一种通过在高温下将碳源气体（如甲烷、乙烯等）在惰性气体氛围中加热，然后通过快速冷却的方法制备碳纳米管。
在气相凝结法中，碳原子在高温下先形成团簇，然后在快速冷却的条件下形成碳纳米管。
这种方法制备的碳纳米管产率较高，但是质量相对较低。
5. 水热法（Hydrothermal Synthesis）。
碳纳米管制备技术
VS
为了优化制备过程和提高碳纳米管的 性能，需要仔细选择和控制这些因素 。例如：提高激光功率可以增加碳纳 米管的产量，但也可能导致碳纳米管 的直径和长度增加；使用高纯度、单 一成分的靶材可以获得结晶度高、结 构稳定的碳纳米管；在一定气氛中进 行制备可以保护碳纳米管免受氧化或 燃烧的影响。
04
电弧放电法制备碳纳米管
产率控制
电弧放电法的产率受到多种因素的影响，如 石墨电极的化学成分、电弧放电的能量、合 成温度和时间等。通过优化这些参数，可以
进一步提高碳纳米管的产率。
影响因素与改进
影响因素
电弧放电法制备碳纳米管的过程中，存在一些影响合 成质量与效率的因素。例如，石墨电极的化学纯度、 电弧放电的稳定性和环境参数等。
化学气相沉积法（CVD）
在高温下，将含碳气体（如甲烷）与 催化剂（如铁、钴、镍等）反应生成 碳纳米管。
电弧放电法
在惰性气体环境中，通过电弧放电使 石墨蒸发并冷凝形成碳纳米管。
激光蒸发法
用激光照射含有催化剂和碳源的基底 ，产生高温使碳蒸发并冷凝形成碳纳 米管。
化学合成法
利用含碳前驱体与金属催化剂反应， 在溶液中合成碳纳米管。
能源存储领域
超级电容器
碳纳米管具有高比表面积和良好的电化学性能，适用于制造超级电容器，提高其 能量密度和充放电效率。
锂离子电池电极材料
碳纳米管作为电极材料，可提高锂离子电池的电化学性能和循环寿命。
复合材料领域
高性能复合材料
碳纳米管与树脂、陶瓷等基体材料复合，可制备出高性能的复合材料，应用于 航空航天、汽车等领域。
性质
高强度、高韧性、高导电性、轻 质和良好的化学稳定性，使其在 众多领域具有广泛的应用潜力。
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。
碳纳米管
e) Picture of a CNT and a polymeric sponge placed in a water bath. The CNT sponge is floating on the top while the polyurethane sponge absorbed water and sank to below the surface level. f) A CNT sponge bent to arch-shape at a large-angle by finger tips. g) A 5.5cm1 cm0.18cm sponge twisted by three round turns at the ends without breaking. h) Densification of two cubic-shaped sponges into small pellets (a flat carpet and a spherical particle, respectively) and full recovery to original structure upon ethanol absorption.
范守善院士
清华大学物理系
研究领域：近十余年的研究方向集中在纳米尺度材料的 科学与技术，主要研究方向为碳纳米管的生长机理、可 控制合成与应用探索。在深入揭示和理解碳纳米管生长 机理的基础上，实现了超顺排碳纳米管阵列、薄膜和线 材的可控制与规模化制备，研究并发现了碳纳米管材料 独特的物理化学性质，基于这些性质发展出了碳纳米管 发光和显示器件、透明柔性碳纳米管薄膜扬声器、碳纳 米管薄膜触摸屏等多种纳米产品，部分应用产品已具有 产业化前景，实现了从源头创新到产业化的转换。
碳纳米管的应用及原理
碳纳米管的应用及原理1. 碳纳米管的定义和结构•碳纳米管是由碳原子构成的纳米材料，具有管状结构。
•碳纳米管可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管两种结构。
•单壁碳纳米管由一个或数个层的碳原子螺旋而成，多壁碳纳米管则是由多个同心管层构成。
2. 碳纳米管的制备方法•弧放电法：通过在高温下对碳材料进行电弧放电，产生碳纳米管。
•化学气相沉积法：通过气相反应，在催化剂的作用下生成碳纳米管。
•化学气相氧化法：通过将碳材料在气相氧化条件下进行氧化，生成碳纳米管。
3. 碳纳米管的应用领域3.1 电子器件•碳纳米管作为晶体管的替代材料，用于制造更小、更快的电子器件。
•碳纳米管晶体管具有优异的导电性能和较小的尺寸，可用于构建高密度的集成电路。
3.2 能源存储•碳纳米管可以用作电容器的电极材料，具有高比表面积和良好的电导性能，可用于高性能超级电容器和锂离子电池。
3.3 复合材料•碳纳米管可以与其他材料复合，形成高强度、高导热性能的复合材料。
•碳纳米管复合材料被广泛应用于航空航天、汽车制造和建筑材料等领域。
3.4 生物医学•碳纳米管可以用作药物传递系统，通过改变表面性质和结构，实现对药物的控制释放。
•碳纳米管还可以用于组织工程和生物传感器等生物医学应用。
4. 碳纳米管的原理•碳纳米管的特殊性质与其结构密切相关，具体原理如下： ### 4.1 共价键结构•碳纳米管由碳原子共价键构成，共价键的特性决定了碳纳米管的稳定性和强度。
### 4.2 π-电子共轭结构•碳纳米管的π-电子共轭结构使其具有导电性能，可用于电子器件和能源存储。
### 4.3 杂质掺杂•在碳纳米管中引入不同的杂质，可以改变其导电性能、光学性质和化学性质，拓展了其应用领域。
5. 总结•碳纳米管作为一种重要的纳米材料，具有广泛的应用前景。
•通过不同的制备方法和控制条件，可以得到具有不同结构和性质的碳纳米管。
•碳纳米管的应用领域包括电子器件、能源存储、复合材料和生物医学等。
归纳并总结碳纳米管的特性
归纳并总结碳纳米管的特性碳纳米管是一种由碳原子构成的纳米级管状结构材料，具有独特的物理、化学和电学特性。
它们在纳米科技领域具有广泛的应用前景。
本文将归纳并总结碳纳米管的特性，以便更好地理解和利用这一材料。
1. 结构特性碳纳米管的基本结构由碳原子以六角形排列形成，呈现出类似于由一个或多个碳层卷曲而成的管状形态。
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。
单壁碳纳米管由单层碳原子构成，而多壁碳纳米管则包含多个同心管状结构。
2. 尺寸特性碳纳米管的直径通常在1纳米至100纳米之间，长度可以从几十纳米到数微米不等。
其长度和直径比例的不同决定了碳纳米管的形态，如长棒状、管状或扁平形状。
3. 机械特性碳纳米管具有出色的力学性能，其强度和刚度是其他材料无法比拟的。
研究表明，碳纳米管的弹性模量和拉伸强度分别可以达到1000 GPa和100 GPa以上。
此外，碳纳米管还具有极高的柔韧性和耐久性。
4. 热学特性碳纳米管的热导率非常高，比钻石和铜等传统材料还要高。
这是由于碳纳米管的晶格结构和电子结构的特殊性质所决定的。
同时，碳纳米管还表现出优异的热稳定性和低热膨胀系数，使其在微电子器件的散热和封装方面具有广泛的应用潜力。
5. 电学特性碳纳米管是一种半导体材料，具有优良的电学性能。
SWCNT的导电性可分为金属和半导体两种类型，而MWCNT通常是半导体性质。
此外，碳纳米管还表现出高载流子迁移率、低电子散射率等优异特性，这使得其在纳米电子学领域具有重要的应用前景。
6. 光学特性由于碳纳米管具有一维结构和特殊的色散关系，使得其显示出独特的光学性质。
碳纳米管对可见光和红外光有很强的吸收和发射能力，具有广泛的应用潜力，如太阳能电池、光电器件和传感器等。
7. 化学特性碳纳米管具有高度的化学稳定性，能耐受高温、强酸和强碱等条件。
这使得碳纳米管可以在各种工业和科学领域中得到应用，如催化剂、储氢材料、吸附剂和纳米复合材料等。
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(CNTs)
碳纳米管（CNTs）—— “新时代的宠儿”2006 级普化论文碳纳米管（CNTs）—— “新时代的宠儿”赵婧 李坤桦 宋杨 刘涛北京大学化学与分子工程学院 一个崭新的碳纳米管世界提供给人类的将是不同于任何以往经验的东 西，它不仅会给人类生活带来一场革命，还会使我们再一次地感受到：科学与 技术正以日新月异的速度发展着，远没有终结的时候 ……摘要 Abstract:1991 年日本 NEC 公司的饭岛纯雄(Sumio Iijima)首次利用电子显微镜观察到中空碳纤 维，直径一般在几纳米到几十个纳米之间，长度为数微米，甚至毫米，称为“碳纳米管” 。
从此便引发了碳纳米管研究的热潮和近十几年来碳纳米管科学和技术的飞速发展。
本文主要 分为三部分： 1． 对纳米材料及碳纳米管的相关知识进行介绍 2． 于应用层次，讨论纳米材料及碳纳米管的应用前景 3． 客观比较各国研究现状，并预测纳米科技面临的机遇与挑战（见附文）关键字 Keywords： 纳米材料概述碳纳米管热点及应用现状与发展引言：生物科学技术、信息科学技术、纳米科学技术是下一世纪内科学技术发展的主流。
生 物科学技术中对基因的认识，产生了转基因生物技术，可以治疗顽症，也可以创造出自然界 不存在的生物； 信息科学技术使人们可以坐在家中便知天下大事， 因特网几乎可以改变人们 的生活方式。
而纳米科学技术作为二十一世纪的主导产业， 又将给人们带来怎样天翻地覆的 改变呢？……理论知识： 1.纳米材料概述： 纳米材料:指晶粒尺寸为纳米级(10-9 米)的超细材料。
从材料的结构单元层次来说， 它处于宏观物质和微观原子、分子之间的介观领域。
在纳米材料中，界面原子占极大比例，而 且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构成与晶态、非晶态均不同的一 种新的结构状态。
纳米科学技术：研究在千万分之一米(10-8)到亿分之一米(10-9 米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问； 同时在这一尺度范围内对原子、 分子进行操纵和加工又 被称为纳米技术。
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。
碳纳米管的合成及工作原理探究
碳纳米管的合成及工作原理探究碳纳米管（Carbon Nanotubes，简称CNTs）是由碳原子以特定形式排列而成的纳米材料，具有极高的强度、导电性和导热性等优异性能，因而在材料科学、纳米技术和电子领域引起了广泛的关注。
本文将探究碳纳米管的合成方法和工作原理。
一、碳纳米管的合成方法当前主要的碳纳米管合成方法有化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition，简称CVD）、电化学沉积法、溶胶凝胶法等。
这些方法具有各自的特点和适用范围。
1. 化学气相沉积法化学气相沉积法是最常用的合成碳纳米管的方法之一。
该方法通过在高温下将碳原子气体在金属催化剂的作用下进行化学反应，使碳原子在催化剂表面形成管状结构，从而合成出碳纳米管。
2. 电化学沉积法电化学沉积法利用电解质中的电流进行沉积，通过调节电流密度和电压等参数，可以控制碳纳米管的直径、长度和构型。
这种方法操作简单、成本较低，但对于合成高质量的碳纳米管还存在一定的挑战。
3. 溶胶凝胶法溶胶凝胶法是一种将某些有机物溶解处理后得到胶体，再通过热解等处理形成纳米结构的方法。
通过控制溶胶的成分、溶胶浓度、热处理条件等因素，可以制备出具有不同形貌和结构的碳纳米管。
二、碳纳米管的工作原理碳纳米管的工作原理主要涉及其独特的晶体结构和电子性质。
1. 晶体结构碳纳米管可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管两种结构。
单壁碳纳米管由一个个碳原子以六角形排列而成的六元环构成，可以卷成管状结构。
多壁碳纳米管由多个单壁碳纳米管套在一起形成，呈层状结构。
碳纳米管的晶体结构决定了它具有特殊的电子能带结构和导电性。
2. 电子性质碳纳米管的电子性质与其晶体结构密切相关。
由于碳原子的sp2杂化，使得碳纳米管的能带结构呈现出导电性。
根据不同的晶体结构和排列方式，碳纳米管可以是导电性或者半导体性。
在导电性碳纳米管中，电子可以自由传导，呈现出金属的导电特性。
而在半导体性碳纳米管中，电子的运动受到限制，可以通过调节外界电场或引入掺杂等手段来改变其导电性质。
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。
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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。
Armchair (n,m)=(5,5)
Zigzag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。 当六边形逐渐延伸出现五边形时，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。
优缺点：
电弧法具有简单快捷的特点，而且制得的碳纳 米管管直，结晶度高。 但该法所产生的碳纳米管缺陷较多，究其原因 是电弧温度高达3000~3700℃，形成的碳纳米管 被烧结与一体，造成较多的缺陷。但在化学气相 沉积法发现前电弧法仍是合成碳纳米管的主要方 法。 虽然，已经有报道用化学气相沉积法制备单层 碳纳米管，但电弧法仍是制备单层碳纳米管最常 用的办法之一。
D峰半高宽20cm-1
激发光能量降低最强 RBM的频率提高。 原因：管管相互作用， 内外管相互作用 WRBM=224/d+1 一般外管d>1.5nm W>160cm-1的峰只要 来源于内管直径 (b) A close-up view of the RBM of the DWNTs at different Elaser excitation
下表列出了通过计算获得的单壁碳纳米管及其 管束以及多壁碳纳米管的杨氏模量和拉伸强度，作 为比较，其他一些材料的相关参数也列于其中。平 均来看，这些计算值与实验结构是一致的。
(a)被弯曲成很小的角度
(b)被弯曲成像发夹似 的构造
碳纳米管还有良好的可弯曲性,它不但可以被弯曲 成很小的角度, 上图中的多壁碳纳米管被弯曲成类似发 夹的结构, 。当弯曲应力去除后,碳纳米管通常能够从 很大的弯曲变形中完全恢复到原来的状态。
下面对上述方法进行简要介绍。
1.石墨电弧法：
电弧法是最早的、最典型的CNTs合成方法，它又 可以分为直流电弧法、交流电弧法、电弧催化法等。 1991年，Iijima在氩气氛下，通过电弧放电得到 直径在4~30nm之间不等的碳纳米管，之后NEC同事 Ebbesen和Ajayan也在氦气下得到碳纳米管并于1992 年报告了大规模合成碳纳米管的方法。 1993年，Tijima教授与IBM实验室的Bethune教授 改进了电弧法，他们在阳极置入催化剂金属铁或钴， 成功地在放电室器壁中发现了单层碳纳米管。
理想的单层碳纳米管示意图
纳米碳管的高分辨电子显微镜照片，从左到右为SWNT， MWNT（包含2层、3层、4层石墨片层 )
碳原子的成键
1.金刚石中，每个碳原子的四个价电子占据SP3轨道 杂化轨道，形成四个等价的σ共价键，与另外四个碳原子 沿四面体的四个顶角方向相连。 2.在石墨中，每个碳原子的三个外层电子占据平面状 SP2杂化轨道，形成三个面内σ键，余下一条面外π轨道 （π键）。此种成键方式导致形成一个平面六边形网络结 构。互为平行的网格片层依靠范德华力结合在一起。 3.碳纳米管可以看做是石墨片卷曲形成的空心圆柱体。 碳纳米管中的成键主要是SP2.不过，此种圆筒状弯曲会导 致量子限域和σ-π再杂化，其中三个σ键稍微偏离平面。 这使得碳纳米管比石墨具有更高的机械强度、更为优 良的导电性能和导热性能、更高的化学和生物活性等。
1993年，S.Iijima等和DS Bethune等同时报道了采用电弧法，
二、碳纳米管的结构
碳纳米管又称为巴基管，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）的一维量子 材料。在纳米材料中，CNTs被称为纳米之王或者超级纳 米材料。 CNTs是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。
3.拉曼光谱
拉曼光谱对于表征碳纳米管十分有效。拉曼散射源于 光在碳纳米管上的非弹性散射，导致在碳纳米管上吸收或 放出一个声子，从而造成入射光能量的升高或者降低。 普通的单个SWNTs的拉曼 光谱有三个峰: RBMs D G RBM的频率=A/dt 实验测定A=248cm-1nm， Si/SiO2上生长的离散 SWNTs比较准确。 D峰的频率依赖于激发光 能量和直径。
碳纳米管可以看做是石墨片卷曲形成的空心圆柱体。
C-螺旋向量（C=na1+ma2），其中n，m为整数，a1,a2为晶格向量。
按手性分分类：
通常依照n ，m 的相对 关系，将单壁碳纳米管分为 非手性管 和手性管两个基本 类型。 对整数一经确定，碳纳 米管的结构就完全确定。当 n=m即手性角θ=30°时称为 扶手椅管（armchair tubule）；当m=0即手性角 θ=0°时称为锯齿管 （zigzag tubule）；而当 0°<θ<30°时则称为手性管 （chiral tubule）。
碳纳米管还可以被弯曲成极其微小的环状结构， 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。纳米管所具有的这些十分优良的力学性能使其 可望成为工业应用中的理想“超级纤维”材料。
2.碳纳米管的电学性能
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。碳纳米管内流动的电子受到量子限域 所致,电子在碳纳米管中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。 前面已经介绍过单壁碳管可能有金属性或者半导体性 两种特性，这些特殊的电学性能,使碳纳米管在未来的纳 米电子学中将得到广泛的应用,例如,金属性碳纳米管可以 用作纳米集成电路中的连接线,而半导体性碳纳米管则可 以用来制作纳米电子器件。
三、碳纳米管的性质
碳纳米管具有优良的力学性能、特殊的 磁性能、高的导电率和扩散率、高的反应活 性和催化性能，吸收电磁波的性能等等。
但是这些奇异特性，大多数情况时有理 论计算所得，要得到实验证实，存在许多困 难，但经过各国科研者的努力，仍然取得很 多进展。
1.碳纳米管的力学性能
碳纳米管的侧面的基本构成是由六边形碳环组 成, 在管身弯曲和管端口封顶的半球帽形部位则含 有一些五边形和七边形的碳环结构。 因为构成碳纳米管不同碳环结构的碳-碳共价键 是自然界中最稳定的化学键,所以碳纳米管应该具 有非常好的力学性能,其强度接近于碳- 碳键的强度。 理论计算和实验研究表明,单壁碳纳米管的杨氏 模量和剪切模量都与金刚石相当,其强度是钢的100 倍,而密度却只有钢的六分之一,是一种新型的“超 级纤维”材料。
在催化裂解法制备碳纳米管的工艺中,常用作催化剂的 金属元素有Fe、Co、Ni等,研究表明,碳纳米管的直径很大 程度上依赖于催化剂颗粒的直径,因此通过催化剂种类与 粒度的选择及工艺条件的控制,则可获得纯度较高,尺寸分 布较均匀的碳纳米管,并且该工艺适于工业大批量生产。
优缺点： CVD法制备SWCNTS尽管可以获得高产率、纯净可控的 SWCNTS，但其应用及商业化生产的最大障碍就是成本高， 前处理工艺复杂，制备条件苛刻，温度通常高达700～ 800℃，催化剂及载体的处理耗时费力。
材料物理与化学
于波
一、碳纳米管的发现
一直以来人们认为自然界只存在两种碳的同素异形体： 金刚石、石墨。但到20世纪80年代以来发现了一些纳米尺 寸的新型纳米材料，C60，碳纳米管等等。
1991年，日本NEC公司Iijima 第一个发现了多壁碳纳米管 （MWNTs）。Iijima在观察电弧蒸 发石墨得到的各种产物的时候， 在不断改变实验条件过程中，发 现所得到的产物中除了制备C60时 出现的灰状产物以外，在电极上 还有一些呈针状的产物。
2.AFM+STM
尽管分辨率没有TEM那么高，但是AFM技术能够同时 获得碳纳米管的直径和长度信息，如下图所示。非常有趣 的是，碳纳米管也被用作AFM的针尖。
STM在碳管的缺陷，功能化，螺旋度测量以及其他许 多方面的研究都是非常有用的。同样的，CNT一样可以用 作STM的针尖，这是因为它具有一维结构和韧性的特点。
2.激光蒸发法