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碳纳米管的应用——力学➢材料增强体–用于增强金属、陶瓷和有机材料等。

并且结合碳纳米管的导热导电特性，能够制备自愈合材料。

碳纳米管/有机复合材料碳纳米管增强陶瓷基复合材料极大提高航天航空器的自我保护和修复能力！碳纳米管的应用－隐身材料➢碳纳米管对红外和电磁波有隐身作用:1.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,这就大大减少波的反射率；2.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。

➢因此，红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，很难发现被探测目标，起到起到了隐身作用。

由于发射到该材料表面的电磁波被吸收，不产生反射，因此而达到隐形效果。

➢储氢材料•碳纳米管由于其管道结构及多壁碳管之间的类石墨层空隙，使其成为最有潜力的储氢材料。

碳纳米管储氢示意图红点为氢原子➢锂离子电池碳纳米管的层间距略大于石墨的层间距，充放电容量大于石墨，而且碳纳米管的筒状结构在多次充放电循环后不会塌陷，循环性能好。

碱金属如锂离子和碳纳米管有很强的相互作用。

用碳纳米管做负极材料做成的锂电池的首次放电容量高达1600mAh/g，可你容量为700mAh/g，远大于石墨的理论可逆容量372mAh/g。

日机装公司制成以直径为20nm的碳纳米管为负极材料的锂离子电池碳纳米管的应用－纳米器件➢纳米导线碳纳米管的直径仅数纳米至数十纳米，耐电流密度可达铜的100多倍，可以作为超级耐高电流密度的布线材料，半导体型的碳纳米管还可以用来构筑纳米场效应晶体管、单电子晶体管等纳米器件，变频器、逻辑电路以及环形振荡器等各种逻辑电路。

IBM的研究人员已经在单一“碳纳米管”分子上构建起了首个的完整电子集成电路，比当今的硅半导体技术具有更强大的性能，有里程碑式的重要意义。

碳纳米管电子线路碳纳米管的应用－电子器件➢场致发射❿纳米级发射尖端、大长径比、高强度、高韧性、良好的热稳定性和导电性等，使得碳纳米管成为理想的场致发射材料!有望在冷发射、电子枪、平板显示器等众多领域中获得应用。

❿日本已制出该类技术的彩色电视机样机，其图象分辨率是目前已知其它技术所不可能达到的。

用碳纳米管制成的电子枪与传统的相比，不但具有在空气中稳定、易制作的特点，而且具有较低的工作电压和大的发射电流，适用于制造大的平面显示器。

❿使用具有高度定向性的单壁碳纳米管作为电子发送材料，不但可以使屏幕成像更清晰，还可以缩短电子到屏幕之间的距离，使得制造更薄的壁挂电视成为可能。

➢新型的电子探针碳纳米管具有大长径比、纳米尺度尖端、高模量，是理想的电子探针材料。

1.不易折断：即使与被观察物体的表面发生碰撞，也不易折断，碳纳米管可与被观察物体进行软接触。

2.灵活性高：碳纳米管笼状碳网状结构，可以进入观察物体不光滑表面的凹陷处。

能更好显现被观察物体的表面形貌和状态，有很好的重现性。

用碳纳米管作为这类电子显微镜的探针，不仅可以延长探针的使用寿命，而且可极大的提高显微镜的分辨率。

特别是扩展了原子力显微镜等探针型显微镜在蛋白质、生物大分子结构的观察和表征中的应用。

➢超级电容器多孔碳不但微孔分布宽（对存储能量有贡献的孔不到30% ），而且结晶度低，导电性差，容量小。

碳纳米管结晶度高、导电性好、比表面积大、微孔大小可通过合成工艺加以控制，比表面利用率可达100%，超级电容器极限容量骤然上升了3-4个数量级，循环寿命在万次以上（使用年限超过5年）。

在碳纳米管的点双层电容器实例移动通讯、信息技术、电动汽车、航空航天和国防科技等方面具有极其重要和广阔的应用前景。

碳纳米管的应用－传感器➢传感器碳纳米管吸附某些气体之后，导电性发生明显改变，因此可将碳纳米管做成气敏元件对气体实施探测报警。

在碳纳米管内填充光敏、湿敏、压敏等材料，还可以制成纳米级的各种功能传感器。

纳米管传感器将会是一个很大的产业。

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