纳米碳材料及其应用

纳米碳材料及其应用材料科学与工程学院

单质碳的存在形式1. 金刚石（Diamond）

2. 石墨（Graphite）

3. 富勒烯（Fullarene）

4. 无定形碳（Amorphous）

5. 碳纳米管（Carbon nanotube）

6. 六方金刚石（Lonsdaleite）

8. 纤维碳（Filamentous carbon）

9. 碳气凝胶（Carbon aerogels）

10. 碳纳米泡沫（Carbon nanofoam）……

➢最为坚固的一种碳结构，其中的碳原子以晶体结构的形式排列，每一个碳原子与另外四个碳原子紧密键合，最终形成了一种硬度大，活性差的固体。

➢金刚石的熔点超过350℃，相当于某些恒星的表面温度。

石墨中碳原子以平面层状结构键合在

一起，层与层之间键和比较脆弱，因

此层与层之间容易被滑动而分开。

7. 赵石墨（Chaoite）石墨与陨石碰撞时产生，具有

六边形图案的原子排列。

富勒烯的结构•哈罗德·克罗托（Harold W Kroto）受建筑学家理查德·巴克明斯特（Richard Buckminster Fuller，

1895年7月12日~1983年7月1日）设计的美国万

国博览馆球形圆顶薄壳建筑的启发，认为C60可

能具有类似球体的结构，因此将其命名为

buckminster fullerene（巴克明斯特·富勒烯，简

称富勒烯）

•富勒烯是一系列纯碳组成的原子簇的总称。它们是由非平面的五元环、六元环等构成的封闭

式空心球形或椭球形结构的共轭烯。现已分离

得到其中的几种，如C60和C70等。在若干可能

的富勒烯结构中C60，C240，C540的直径比为

1:2:3。

•C60的分子结构的确为球形32面体，它是由60个碳原子以20个六元环和12个五元环连接而成的

足球状空心对称分子，所以，富勒烯也被称为

足球烯

富勒烯的性质和应用

＊C60有润滑性，可作为超级润滑剂。

＊金属掺杂的C60有超导性，可用作超导材料

＊C60还可能在半导体、催化剂、蓄电池材料和

药物等许多领域得到应用。

＊C60分子可以和金属结合，也可以和非金属负

离子结合。C60是既有科学价值又有应用前景

的化合物，在生命科学、医学、天体物理学等

领域也有一定意义。

＊富勒烯成员还有C70、C82、C84、C90、C96等。

从左到右：C60、C70、C76/C78、C84

碳纳米管的发现❖1985年，英国萨塞克斯大学的波谱学家克罗托（Harold W. Kroto）和美国莱斯大学斯莫利Richard E. Smalley发现了富勒烯，共同荣获1996年诺贝尔化学奖。

❖1991年年11月，日本筑波NEC实验室的物理学家饭

岛澄男Iijima Sumio）使用高分辨率分析电镜从电弧

法生产的碳纳米管。(Multi-walled Carbon Nanotubes )

❖1993年，美国IBM公司Almaden实验室Bethune 等人

和Iijima同时报道了观察到单壁碳纳米管(Single—walled Carbon Nanotubes)

碳纳米管结构

1)按形态分

普通封口型变径型洋葱型海胆型

竹节型

念珠型纺锤型螺旋型其他异型

碳纳米管又叫巴基管，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。

2)按手性分

•单壁碳纳米管分为achiral 和

chiral 两个基本类型。

•Achiral 型又分为zigzag （锯齿型）

和armchair（扶手椅型）两类。

Armchair Zigzag

碳纳米管的性能

特性单壁碳纳米管比较

尺寸直径0.6-1.8nm电子刻蚀可以产生50nm宽，几纳米厚

的纳米线密度 1.33-1.40g·cm-3铝的密度2.9g·cm-3

抗拉强度45GPa高强度合金钢2GPa

抗弯强度可大角度弯曲不变形，回复原形金属和碳纤维在晶界处断裂

载流容量估计1GA·cm-2铜线载1000kA·cm-2时即烧毁

场发射电极间隔1um时，在1-3V激发铝尖端发光需要50-100V·um-2 ，且发光

时间有限

金刚石6000W·(m·K) -1热导室温热导率有望达到

6000W·(m·K)-1

真空稳定至2800℃，空气750℃微芯片的金属导线在600-1000℃熔化高温稳定

性能

凝胶&气凝胶

•凝胶：溶胶或溶液中的胶体粒子或高分子在一定条件下互相连接，形成空间网状结构，结构空隙中充满了作为分散介质的液体（在干凝胶中也可以是气体），这样一种特殊的分散体系称作凝胶。

•内部常含有大量液体，但没有流动性。例如血凝胶、琼脂的含水量都可达99%以上。

•由溶液或溶胶形成凝胶的过程称为胶凝作用。

•可分为弹性凝胶和脆性凝胶。

–弹性凝胶失去分散介质后，体积显著缩小，而当重新吸收分散介质时，体积又重新膨胀，例如明胶等。

–脆性凝胶失去或重新吸收分散介质时，形状和体积都不改变，例如硅胶等。

碳纳米管的应用——力学

➢超强纤维

–碳纳米管具有弹性高、

密度低、绝热性好、强

度高、隐身性优越、红

外吸收性好、疏水性强

等优点，它可以与普通

纤维混纺来制成防弹、

保暖、隐身的军用装备

太空电梯构想图