碳纳米管简介
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利用纳米尺度的过渡金属或其氧化物为催化剂，在相对较低的温度 (500-1200℃)下热解 碳源气体(甲烷、乙炔、乙烯、丙烯、苯和一氧化碳等)来合成碳纳米管 可生产SWNT和MWNT 成本低，收率高，可大量生产 碳纳米管的管径在很大程度上依赖于催化剂颗粒的成分和尺寸，分布较宽；较多的结晶 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
碳纳米管简介
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
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
合成方法
化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition, CVD）
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
储氢材料
室温、1bar压力下，SWNT可储氢5-10wt%，MWNT则为14wt% 可逆储/放氢量~5 wt%，迄今为止最好的储氢材料 嵌入碱金属后，能极大地提高储氢性能
催化剂载体
比表面积大，表面原子与总原子比率可高达50％ 气体通过碳纳米管的扩散速度为通过常规催化剂颗粒的上千倍
复合材料填料
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。
应用前景
碳纳米管制成像纸一样薄的弹簧 莫斯科大学的研究人员为了弄清 纳米管的受压强度，将少量纳米管 置于29Kpa的水压下（相当于水下 18000千米深的压力）做实验。不 料未加到预定压力的1/3，纳米管 就被压扁了。他们马上卸去压力， 它却像弹簧一样立即恢复了原来形 状。应用：科学家得到启发，发明 了用碳纳米管制成像纸一样薄的弹 簧，用作汽车或火车的减震装置， 可大大减轻车辆的重量。
应用前景
碳纳米管薄层具有独特力学性质
美国和巴西科学家的一项最新研 究，发现了碳纳米管薄层在受到拉 伸或压缩时，可以表现出一种超乎 想象的力学性质。这一成果有望为 碳纳米管带来巨大的应用前景，比 如制造人工肌肉、传感器等。 大多数材料在朝一个方向拉伸时， 另一个方向就会变细变窄。这种现 象可以用泊松比(侧向收缩比例与 实际伸长比例的比值)来定量描述。 然而，最新研究发现，一种特殊的 碳纳米管薄层(也称巴克纸)却能够 在拉伸和均匀压缩时，长度和宽度 同时增加。也就是说这种材料具有 负的泊松比。
AFM image
CNT电性能测试装置（左） 电性能测试结果（右）
性能
热性能
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
“太空电梯”工作原理图
应用前景
碳纳米管制造人造卫星的拖绳
在航天事业中， 利用碳纳米管制 造人造卫星的拖 绳，不仅可以为 卫星供电，还可 以耐受很高的温 度而不会烧毁。
应用前景
碳纳米管“蜘蛛衣”
一教授计划用一种名为 碳纳米管的超细纤维来制 造“蜘蛛衣”，这种材料 内部中空。由于非常微小， 它具有像壁虎刚毛一样的 吸附效果。壁虎、蜘蛛的 脚上长满了细小的刚毛， 能敏锐地寻找到各种固体 表面的细微凹凸并吸附在 上面。
合成方法
电弧放电法（Arc-Discharge）
以掺有过渡金属（如Fe, Co, Ni, Mo等）或 其氧化物的石墨为电极，在惰性气体环境中， 电弧放电，消耗阳极石墨，在阴极上生成碳 纳米管 电压 － 12~25 V; 电流 － 50~120 A; 电极间 隙 － ~1 mm 最早应用的碳纳米管合成方法 可生产SWNT和MWNT 简单、快速，制得的碳纳米管直而管径较细 碳纳米管易烧结成束，难于分离和提纯，收 率较低
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。
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 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 拓宽碳管的新应用领域，进一步提高其科技附加值
分类
碳纳米管按照石墨烯片的 层数分类可分为： 单壁碳纳米管（ SWNT） 多壁碳纳米管（MWNT） 碳纳米管依其结构特征可 以分为三种类型： A:扶椅式单壁碳纳米管 B:锯齿形单壁碳纳米管 C:手性单壁碳纳米管 D:螺旋状碳纳米管
性能
力学性能
杨氏模量 1~5 TPa，与石墨片层相当(1.06TPa)，
分离提纯
碳纳米管在进行结构表征、性能测试和应用之前，通常须进行分离与提纯
CVD碳纳米管，根据应用需要，有时须进行高温石墨化处理以提高其结构完整性
合成产物中，常伴有大量杂质，如无定型碳、富勒烯、金属催化剂等 常用的提纯方法 氧化法和高温热处理
直接合成的SWNT
提纯后பைடு நூலகம்SWNT
应用领域
性能
电性能
根据螺旋结构的不同，碳纳米管的电学特性可表现为金属性和半导体性
电特性与管径有较大关系
d > 6nm 导电性明显下降 d < 6nm 优良的导电性 d ~ 0.7 nm 表现出超导性
电阻率 0.05 µ Ω.m ~ 10 mΩ.m
电流密度 1010 ~ 1013 A/m2
应用前景
蜘蛛衣”的吸附力取决于与固体表面接触处 的碳纳米管数量。这种材料的外部直径只有几 到几十纳米，相当于头发丝的1/10万，因此一 片手掌大小的纤维中可容纳数十亿的碳纳米管， 由此产生的单位面积吸附力是壁虎脚的200倍。 把一双用这种材料制成、手掌面积为200平方 厘米的高粘力手套粘在屋顶上，可以同时吊起 14个重量为83公斤的壮汉。当然，要移动也很 简单，只要沿着表面稍微上下左右挪动一下， 粘结处就会一点点断开。 这种高科技材料在科学方面有非常有趣的应 用，像在太空中，舱外作业的宇航员就可以穿 上这种具有吸盘粘附功能的衣服。 据估计， 世界第一套“蜘蛛衣”有望在2017年前问世。
碳纳米管简介
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
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
合成方法
化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition, CVD）
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
储氢材料
室温、1bar压力下，SWNT可储氢5-10wt%，MWNT则为14wt% 可逆储/放氢量~5 wt%，迄今为止最好的储氢材料 嵌入碱金属后，能极大地提高储氢性能
催化剂载体
比表面积大，表面原子与总原子比率可高达50％ 气体通过碳纳米管的扩散速度为通过常规催化剂颗粒的上千倍
复合材料填料
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。
应用前景
碳纳米管制成像纸一样薄的弹簧 莫斯科大学的研究人员为了弄清 纳米管的受压强度，将少量纳米管 置于29Kpa的水压下（相当于水下 18000千米深的压力）做实验。不 料未加到预定压力的1/3，纳米管 就被压扁了。他们马上卸去压力， 它却像弹簧一样立即恢复了原来形 状。应用：科学家得到启发，发明 了用碳纳米管制成像纸一样薄的弹 簧，用作汽车或火车的减震装置， 可大大减轻车辆的重量。
应用前景
碳纳米管薄层具有独特力学性质
美国和巴西科学家的一项最新研 究，发现了碳纳米管薄层在受到拉 伸或压缩时，可以表现出一种超乎 想象的力学性质。这一成果有望为 碳纳米管带来巨大的应用前景，比 如制造人工肌肉、传感器等。 大多数材料在朝一个方向拉伸时， 另一个方向就会变细变窄。这种现 象可以用泊松比(侧向收缩比例与 实际伸长比例的比值)来定量描述。 然而，最新研究发现，一种特殊的 碳纳米管薄层(也称巴克纸)却能够 在拉伸和均匀压缩时，长度和宽度 同时增加。也就是说这种材料具有 负的泊松比。
AFM image
CNT电性能测试装置（左） 电性能测试结果（右）
性能
热性能
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
“太空电梯”工作原理图
应用前景
碳纳米管制造人造卫星的拖绳
在航天事业中， 利用碳纳米管制 造人造卫星的拖 绳，不仅可以为 卫星供电，还可 以耐受很高的温 度而不会烧毁。
应用前景
碳纳米管“蜘蛛衣”
一教授计划用一种名为 碳纳米管的超细纤维来制 造“蜘蛛衣”，这种材料 内部中空。由于非常微小， 它具有像壁虎刚毛一样的 吸附效果。壁虎、蜘蛛的 脚上长满了细小的刚毛， 能敏锐地寻找到各种固体 表面的细微凹凸并吸附在 上面。
合成方法
电弧放电法（Arc-Discharge）
以掺有过渡金属（如Fe, Co, Ni, Mo等）或 其氧化物的石墨为电极，在惰性气体环境中， 电弧放电，消耗阳极石墨，在阴极上生成碳 纳米管 电压 － 12~25 V; 电流 － 50~120 A; 电极间 隙 － ~1 mm 最早应用的碳纳米管合成方法 可生产SWNT和MWNT 简单、快速，制得的碳纳米管直而管径较细 碳纳米管易烧结成束，难于分离和提纯，收 率较低
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。
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 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 拓宽碳管的新应用领域，进一步提高其科技附加值
分类
碳纳米管按照石墨烯片的 层数分类可分为： 单壁碳纳米管（ SWNT） 多壁碳纳米管（MWNT） 碳纳米管依其结构特征可 以分为三种类型： A:扶椅式单壁碳纳米管 B:锯齿形单壁碳纳米管 C:手性单壁碳纳米管 D:螺旋状碳纳米管
性能
力学性能
杨氏模量 1~5 TPa，与石墨片层相当(1.06TPa)，
分离提纯
碳纳米管在进行结构表征、性能测试和应用之前，通常须进行分离与提纯
CVD碳纳米管，根据应用需要，有时须进行高温石墨化处理以提高其结构完整性
合成产物中，常伴有大量杂质，如无定型碳、富勒烯、金属催化剂等 常用的提纯方法 氧化法和高温热处理
直接合成的SWNT
提纯后பைடு நூலகம்SWNT
应用领域
性能
电性能
根据螺旋结构的不同，碳纳米管的电学特性可表现为金属性和半导体性
电特性与管径有较大关系
d > 6nm 导电性明显下降 d < 6nm 优良的导电性 d ~ 0.7 nm 表现出超导性
电阻率 0.05 µ Ω.m ~ 10 mΩ.m
电流密度 1010 ~ 1013 A/m2
应用前景
蜘蛛衣”的吸附力取决于与固体表面接触处 的碳纳米管数量。这种材料的外部直径只有几 到几十纳米，相当于头发丝的1/10万，因此一 片手掌大小的纤维中可容纳数十亿的碳纳米管， 由此产生的单位面积吸附力是壁虎脚的200倍。 把一双用这种材料制成、手掌面积为200平方 厘米的高粘力手套粘在屋顶上，可以同时吊起 14个重量为83公斤的壮汉。当然，要移动也很 简单，只要沿着表面稍微上下左右挪动一下， 粘结处就会一点点断开。 这种高科技材料在科学方面有非常有趣的应 用，像在太空中，舱外作业的宇航员就可以穿 上这种具有吸盘粘附功能的衣服。 据估计， 世界第一套“蜘蛛衣”有望在2017年前问世。