CNT结构、性能、现状

CNT研究背景和意义

自从1991年日本NEC的电镜专家Iijima首先用高分辨透射电镜（HRTEM）发现了具有纳米尺寸的多壁碳纳米管（MWNT）]1[，这种结构由长约1 um、直径4-30 nm的多层石墨管构成。1993年又发现了单臂碳纳米管（SWNT）]2[以来，碳纳米管(CNT)作为一种新型的纳米材料，以其独特的物理、化学特征，重要的基础研究意义及在分子电子器件和复合材料等众多领域的潜在应用价值，而引起了世界各国科学家的极大关注，成为纳米材料领域研究的一个新热点。对它的应用研究主要集中在复合材料、氢气存储、电子器件、电池、超级电容器、场发射显示器、量子导线模板、电子枪及传感器和显微镜探头等领域，已经取得许多重要进展]53[ 。

1、结构

碳纳米管(carbon nanotubes，CNTs)，又称巴基管(buckytube)，属于富勒碳系，是一维量子材料，是在C60不断深入研究中发现的。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，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]6[。

碳纳米管根据碳管壁中碳原子层的数目可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管两大类。Iijima]7[和IBM公司的Bethune]8[等分别采用Fe和Co作为催化剂掺杂在石墨电极中，用电弧放电法各自独立合成出单壁碳纳米管(SWNT)，它由单层石墨卷成柱状无缝管而形成(见图1)，是结构完美的单分子材料，因合成条件的不同碳纳米管的管径可控制在0.7-3nm，长度可达1-50um]9[；多壁碳纳米管(MWNT)是由多个不同直径的单壁碳纳米管同轴卷曲而成，层数从2-50不等，层间距一般为0.34 nm且层与层之间排列无序，通常多壁管直径为2-30 nm，长度为0.1-50um]10[。观测发现多数碳纳米管在两端是闭合的，研究表明碳纳米管端口的帽状部分很容易出现五边环或七边环结构且弯曲率较大，当出现五元环时

碳纳米管就会凸出，出现七元环则会凹进]11[。

单壁碳纳米管根据六边环螺旋方向(螺旋角)的不同，可以是半导体型碳纳米管，也可以是金属型碳纳米管，并可以用碳纳米管的螺旋矢量参数(n，m)来表征。当n和m为不相等的整数时，称为螺旋型碳纳米管；当n=0或m=0时，称为锯齿型碳纳米管；当n=m时，称为扶椅型碳纳米管，是金属型碳纳米管。螺旋型和锯齿型碳纳米管既可以是半导体型碳纳米管，也可以是金属型碳纳米管。如果n-m=3k(k为非零整数)，则为半导体型碳纳米管，否则为金属型碳纳米管。管的两端由半个大小相应的富勒烯球封闭。

图1.1 碳纳米管

图1.2 三种类型的碳纳米管

2、性能

CNT具有很多奇异的特性，如热力学性质、场发射特性、电学性能、化学与电化学性能、吸附性能等，已经引起了世界上众多科学家的极大关注，下面我们简单分类阐述。

2.1 热力学性质

碳纳米管由卷曲的石墨片构成，具有石墨巨大长径比和导热率高的特点，因而其轴向方向的热交换性能很高，相对其径向方向的热交换性能较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合成各向异性高的热传导材料。经计算]12[，在温度为100 K时，单根碳纳米管的导热率为37 000 W/mK，室温下能达到6 600 W/mK，这一数据几乎是所报道的金刚石室温下导热率(3 320 W/mK)的2倍。

在力学性能方面，碳纳米管具有极高的弹性模量、韧性和强度。其弹性模量与金刚石的弹性模量几乎相同，可达到1Tpa，约为钢的5倍；其弹性应变约为5%—12%，约为钢的60倍。CNT具有与金刚石相同的热导和独特的力学性质。理论计算表明，碳纳米管的抗张强度比钢的高100倍。碳纳米管无论是韧性还是强度，都远远优于任何纤维材料。将碳纳米管作为复合材料增强体，可表现出良好的弹性、强度、各项同性及抗疲劳性，这可能带来复合材料性质的一次飞跃]13[。

碳纳米管的实验检测也说明了碳纳米管具有良好的力学性能。Z.W.Pan等人

]

[直接测量了超长多壁碳纳米管的杨氏模量和拉伸长度，得到多壁碳纳米管的14

拉伸长度为1.72Gpa，杨氏模量为0.45Tpa。E.W.Wong等人]15[用原子力显微镜探针弯曲多壁碳纳米管的石墨烯片层得到其强度的初步结果是28.5Gpa。由碳纳米管悬臂梁振动测量结果可以估计出延伸率达百分之几，并具有良好的可弯曲性，可承受弯曲形变并可弯成小圆环，应力卸除后可完全恢复到原来的状态，压力不会导致碳纳米管的断裂。这些优良的力学性质使它们在很多领域具有潜在的应用前景。

2.2 场发射特性

利用CNT作为场发射电极材料，其优良的场发射电极特性，可以使场发射平板显示器变得更薄更亮更清晰，可以使平板显示技术发生革命性变革，较以往的场发射阴极有如下优势]16[：

1)碳纳米管的电子逸出功低，约在1.0～2.0；

2)碳纳米管的发射体特性十分稳定，实验表明在200 h内发射电流的涨落仅为2 ；

3)碳纳米管微小的直径使其具有一个尖锐的发射尖端，同时它又具有良好的导电性，所以碳纳米管端头易形成强电场，非常有利于电子的场致发射；

4)能够进行大面积的生长、移植，易于制作大面积、过渡均匀的平板显示器；

5)原材料来源广泛，制备工艺简单，容易在工业上实现大批量生产。

2.3 电学性能

根据结构的不同，碳纳米管既具有半导体的导电性，又具有金属的导电性，这主要与它的螺旋结构及直径有关。螺旋结构及直径主要由手性矢量所决定，当手性矢量符合一定数时，单壁碳纳米管为金属导电性（导体），否则为半导体导电性（半导体）。对于导体来说，与其它材料形成的复合材料电导大大增强。当然，由于某些特别的缺陷也可能导致同一碳纳米管既具有半导体的导电性又具有金属的导电性]17[。Saito R等人]18[经过理论分析认为：根据碳纳米管的螺旋和直径角度，大约有1/3的碳纳米管是金属导电性的，而2/3是半导体导电性的。De Heer W A等人]19[进一步指出：碳纳米管的轴向电阻小于径向电阻，并且随着温度的降低这种电阻的各向异性增大。Dai H等人]20[的研究结果表明：缺陷的碳纳