宏量可控制备碳纳米管阵列

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碳纳米管阵列

碳纳米管阵列

碳纳米管阵列引言碳纳米管是一种由碳原子构成的纳米级管状结构,具有优异的力学、电学和热学性质。

碳纳米管阵列是指将碳纳米管以一定的间距排列在基底上形成的结构。

碳纳米管阵列具有很多独特的特性和潜在应用,因此在纳米科技领域引起了广泛的关注和研究。

I. 碳纳米管阵列的制备方法碳纳米管阵列的制备方法主要包括化学气相沉积、电化学沉积和模板法等。

化学气相沉积是最常用的制备方法之一,通过在合适的基底上控制碳源气体的流量和温度,可以在基底表面上生长出碳纳米管阵列。

电化学沉积方法利用电解质溶液中的电流对碳源进行电化学反应,从而在电极表面上沉积碳纳米管阵列。

模板法是利用模板的孔隙结构来控制碳纳米管的生长方向和排列,从而形成碳纳米管阵列。

II. 碳纳米管阵列的性质碳纳米管阵列具有许多独特的性质,其中包括优异的电导性、机械强度和导热性。

碳纳米管的电导性非常好,可以作为电子器件的导线或电极材料。

同时,碳纳米管的机械强度也非常高,具有优异的拉伸和弯曲性能,可以用于制备高强度的纳米材料。

此外,碳纳米管还具有很高的导热性,可以作为高效的热导材料。

III. 碳纳米管阵列的应用碳纳米管阵列在许多领域都有着重要的应用。

首先,碳纳米管阵列可以用于制备纳米电子器件。

由于碳纳米管具有优异的导电性能,可以用于制备高性能的晶体管、场效应晶体管等电子器件。

其次,碳纳米管阵列还可以用于制备高性能的化学传感器。

由于碳纳米管表面的特殊化学性质,可以用于检测微量的化学物质。

此外,碳纳米管阵列还可以用于能量存储和转换领域,例如制备高性能的锂离子电池和超级电容器。

此外,碳纳米管阵列还可以用于制备高效的催化剂和光催化剂,用于环境治理和能源转化等方面。

IV. 碳纳米管阵列的挑战与展望尽管碳纳米管阵列具有广泛的应用前景,但是其制备和性质调控仍然面临一些挑战。

首先,碳纳米管阵列的制备方法需要进一步优化,以提高碳纳米管的纯度和排列度。

其次,碳纳米管的性质调控和控制也是一个关键问题,需要研究如何在碳纳米管阵列中实现特定的性质调控。

碳纳米管及其宏观体的可控制备、表征和性能研究的开题报告

碳纳米管及其宏观体的可控制备、表征和性能研究的开题报告

碳纳米管及其宏观体的可控制备、表征和性能研究的开题报告引言随着现代科技的不断发展,碳纳米管作为一种新型材料受到了广泛关注。

碳纳米管具有很小的尺寸、特殊的电子结构、优良的力学性能和热导率等特点,被认为是一种理想的纳米材料。

因此,在材料科学领域引起了广泛的兴趣,并涉及到许多领域,如电子学、光电探测、催化、生物医学和新型能源等。

而对其制备方法、结构和性能的控制也是当前研究的热点之一。

本文将针对碳纳米管的制备方法、表征技术和性能研究进行综述和阐述,并探讨它在较大尺寸的宏观体中的应用前景。

一、碳纳米管的制备方法碳纳米管的制备方法可以分为两类:一类是自下而上的合成方法,另一类是自上而下的加工方法。

自下而上的合成方法包括化学气相沉积法、电弧放电法、激光热解法等。

其中,化学气相沉积法是一种非常常见的方法。

它通常使用一种碳源,如甲烷、丙烷或异丙醇等,在高温下通过固-气或液-气相反应,将碳纳米管生长在催化金属颗粒的表面上。

此外,电弧放电法和激光热解法也可以得到高质量的碳纳米管。

自上而下的加工方法包括切割法和拉伸法。

切割法通常是通过激光、电子束或化学方法将大块的石墨材料切割成碳纳米管。

而拉伸法则是将碳块加热并拉伸成碳纳米管。

二、碳纳米管的表征技术为了确定碳纳米管的尺寸、形貌和结构,需要采用各种表征技术进行分析。

常用的表征技术包括透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱等。

TEM是最常用的技术之一,它可以通过电子束对样品进行成像和能谱分析,对构成钠离子电池的各个组成部分进行观察和分析。

SEM是另一种重要的表征技术,它可以通过电子束的扫描成像获得样品表面的形貌和微结构。

拉曼光谱技术可以测量碳纳米管的结构、振动、分子呼吸等特性,并可以定量测量碳纳米管的弯曲度和管径。

三、碳纳米管的性能研究碳纳米管有着独特的结构和性能,在电子工程、光电学、催化和新能源等领域具有广泛的应用前景。

因此,对其力学性能、热导率、气敏性、光学性能等进行研究和探索成为非常重要的任务。

南开大学科技成果——单壁碳纳米管(SWNTs)的宏量制备及其电磁屏蔽复合材料

南开大学科技成果——单壁碳纳米管(SWNTs)的宏量制备及其电磁屏蔽复合材料

南开大学科技成果——单壁碳纳米管(SWNTs)的宏量制备及其电磁屏蔽复合材料所属学科:新材料应用行业:1、电子;2、机械;3、军工;成果与项目的背景及主要用途单壁碳纳米管(SWNTs)是公认的综合性能最好的纳米纤维,其强度可达钢的100倍,而密度只有钢的六分之一。

本项目实现了单壁碳纳米管(SWNTs)的大规模、低成本制备,其年产量可达100公斤,纯度在70%以上。

通过物理共混及原位聚合方法,获得了具有导电、电磁屏蔽及雷达波吸收等特殊性能的SWNT/聚合物复合材料。

该复合材料的体积电阻率达100-102Ω•cm,电磁波衰减率可达40dB,在航空航天、机械、电子及医疗卫生等领域具有很好的应用前景。

技术原理与工艺流程简介本技术通过催化剂的设计、制备、煅烧等环节控制催化剂的形态、构型、晶型及反应条件,控制SWNTs的结构和性能,并通过控制电极的电流/电压、炉内气压及反应温度,实现SWNTs的宏量可控制备,利用SWNTs优良的电磁性能,制备了电磁屏蔽复合材料。

技术水平及专利“SWNTs的宏量制备及其电磁屏蔽复合材料”技术达国际领先水平,已获授权专利一项(单壁碳纳米管的电弧合成方法,专利号:ZL200410019624.4),另外申请的5项专利也已全部公开(公开号:CN1712350,CN1749156,CN1791322,CN1818650,CN1840706)。

应用前景分析及效益预测作为一种具有战略意义的新兴材料及技术,SWNTs及其复合材料的市场需求较大,国际市场高纯度SWNTs的价格高达几百美元/克,远远高出黄金的价格。

据权威机构预测,至2009年,国际碳纳米管/聚合物复合材料市场可达1.6已美元,电磁屏蔽是其主要的应用领域之一。

NASA等国外机构更是看好碳纳米管及其复合材料在航空航天、国防军工等领域的应用前景,潜在经济价值无法估量。

应用领域及能为产业解决的关键技术可用于国家信息安全系统、信息通讯、精密电子仪器、医疗卫生、航空等领域,还可用于防护电磁辐射对人类的伤害,如个人电脑、手机、电视机、电冰箱等家用电器的电磁辐射防护,另外,在国防军工等领域,可用于军事设施、武器、雷达及指挥通讯系统的防护等。

碳纳米管的宏量可控制备

碳纳米管的宏量可控制备

碳纳米管的宏量可控制备
魏飞
【期刊名称】《科学中国人》
【年(卷),期】2011(000)001
【摘要】近年来.纳米技术的蓬勃发展为新型工业开拓了科学和工程技术应用空间。

纳米材料呈现了诸多奇妙的性质.纳米技术在此基础上发展了很多具有高强、高硬度、高韧性、高抗冲击性、超疏水、高导电性能的产品。

这有望突破传统材料发展中遇到的瓶颈,创造出许多重大的应用需求。

【总页数】4页(P10-13)
【作者】魏飞
【作者单位】北京市绿色反应工程与工艺重点实验室
【正文语种】中文
【相关文献】
1.碳纳米管/环氧树脂复合纤维棉宏量制备及其吸油性能
2.碳纳米管的宏量制备及产业化
3.碳纳米管纤维的物理性能与宏量制备及其应用
4.碳纳米管可控制备的过去、现在和未来
5.超支化聚磷酰胺包覆碳纳米管的可控制备及阻燃应用
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高品质碳纳米管宏量制备关键技术及产业化应用

高品质碳纳米管宏量制备关键技术及产业化应用

高品质碳纳米管宏量制备关键技术及产业化应用高品质碳纳米管(CNTs)的宏量制备关键技术及其产业化应用是材料科学领域的一个研究热点,因为它们在众多领域具有广阔的应用潜力。

以下是一些关于这一主题的关键点:1. 宏量制备技术:目前,已经实现了千吨级产量的多壁碳纳米管和单壁碳纳米管的批量制备。

这些技术包括化学气相沉积(CVD)、激光烧蚀、电弧放电等方法。

每种方法都有其优势和局限性,例如CVD方法适合生产高纯度和特定结构的碳纳米管,但成本较高;而电弧放电法则成本较低,但产品中可能含有较多杂质。

2. 结构控制:碳纳米管的性能在很大程度上取决于它们的结构,包括直径、长度、手性(螺旋)结构以及缺陷的数量和类型。

目前,结构缺陷和手性结构控制仍然是制约高性能碳基芯片应用的关键问题。

3. 应用领域:碳纳米管因其出色的力学、电学、热学性能,被广泛应用于能源存储与转化、复合材料、多相催化、环境保护及生物医药等领域。

例如,它们可以用作锂离子电池的电极材料,提高电池的能量密度和充放电速率。

4. 产业化挑战:尽管碳纳米管的生产已经达到千吨级别,但在产业化过程中仍面临一些挑战,如工业标准的制定、环境评估以及市场需求的不断拓展。

此外,为了实现大规模纳米产业,还需要进一步开发高性能碳纳米管的宏量制备技术和配套产业化技术。

5. 未来展望:随着技术的不断进步和市场需求的增长,高品质碳纳米管的宏量制备技术及其产业化应用将继续发展。

这包括提高生产效率、降低成本、改善产品质量以及开发新的应用领域。

同时,企业和研究机构需要密切关注市场动态,不断创新,以满足未来的市场需求。

综上所述,高品质碳纳米管的宏量制备关键技术及产业化应用是一个多学科交叉的领域,涉及材料科学、化学工程、机械工程等多个领域。

随着技术的进步和市场的发展,这一领域有望为社会的可持续发展做出重要贡献。

碳纳米管的宏量制备及产业化

碳纳米管的宏量制备及产业化
引言
碳是与人类关系最密切的元素之一 , 其一直 是学 术研究的热点 。碳纳米管 是 可控制备、结构表征过渡 到性 能发挥及 各种形式 的碳材料在 人类生活 中发挥 了 目前研 究最为充分、关注度最高 的新 型 应用研究。 重要 的作用 ,而 自从纳米碳被发现 以来, 纳 米材 料之一 ,其关注的 热点 也逐渐 从
另外在碳纳米管的催化合成过程 中
这种方法具有简单快速的特点 ,碳 晶缺 陷,对碳纳米管 的力学性能及物理 选择合适 的催化剂 十分 关键 ,研究最 多
纳米管能够最大程度地石墨化 ,管缺陷 化学性能会有不 良的影响。
的活性 组分为过渡金属 Fe、Co、Mo、
少 。
2.3激光烧 蚀 法 】
CVD)可 控 制 备 碳 纳 米 管 。
上形成为碳纳米管 。
常用碳源气体有 甲烷 、CO、乙烯 、
2.1石 墨电弧 法
该方法的优点是 :反应过程易于控 丙烯 、丁烯、苯及 正己烷等 。
将石 墨 电极置于充满氦气或氩气的 制 ,设备简单 ,原料成本低 ,可大规模
不 同 的 碳 源 气 体 用 于 合 成 碳 纳 米 管
2.碳纳米管 的制备方法
实现基于碳纳米管 的各种应用 ,首 以一定 比例 的氮气作为压制气体 ,通入 备复杂 、能耗大、投资成本高 。
先要实现结构和性能可控 的碳纳米管批 事先 除去氧的石英管中在 600~ 1000℃ 2.4化 学气 相沉 积法
量 制备 。在 过去 的 20年 中 ,人们 开 发 的温度及催化剂作 用下 ,使含碳化合物
3.碳 纳米管合成的工程原理
碳 纳米 管 批量 生 产是 多 尺 度复 杂 涉及多相催化工程 、反应工程 以及应用 各领域 中的应用。

阵列碳纳米管及制备阵列碳纳米管和片层状催化剂的方法

阵列碳纳米管及制备阵列碳纳米管和片层状催化剂的方法

阵列碳纳米管及制备阵列碳纳米管和片层状催化剂的方法我折腾了好久阵列碳纳米管及制备阵列碳纳米管和片层状催化剂的方法,总算找到点门道。

我一开始制备阵列碳纳米管的时候,完全是瞎摸索。

我就知道碳纳米管是那种很神奇的材料,可真要让它们乖乖排列成阵列,可不容易。

我最初想啊,就像搭积木一样,把那些碳的小单元按照我想要的样子堆起来。

我尝试过用一些化学试剂来诱导它们排列,但是那结果简直是一团糟。

就好像你想让一群调皮的小猫按照顺序排好队,可它们完全不听你的,到处乱跑。

后来我查阅了好多资料,发现控制反应条件特别重要。

比如说温度,就像你烤蛋糕,温度不对,蛋糕就烤不好,制备阵列碳纳米管也一样,温度稍微有点偏差,最后得到的产物根本不是想要的阵列样子。

我试过提高温度,结果碳纳米管长得歪歪扭扭的,不成阵列。

再降低温度呢,生长又特别缓慢,还有好多杂七杂八的东西混在里面。

对于片层状催化剂的制备,我也是吃了不少苦头。

我曾以为简单地把各种成分混合在一起就能行,就像调颜料似的。

但是并不是这么简单的事。

有一次我快速搅拌那些原料,想着这样能混合得更均匀,但是最后出来的催化剂活性低得可怜。

后来我才知道,混合原料得掌握好节奏,慢慢搅拌,就好比炖一锅老汤,得小火慢炖才能出好味道。

我在制备阵列碳纳米管的时候,发现气源的选择也很关键。

就好像做饭选材很重要一样。

选错了气源,碳纳米管的生长质量就大打折扣。

我开始用的气源可能含杂质比较多,最后得出来的碳纳米管阵列里就有很多小瑕疵。

在制备阵列碳纳米管的时候呢,基底的选择和处理也绝不能马虎。

我用过几种不同的基底,有一次的基底表面没有处理干净,就像你要在一块满是灰尘的板子上画画一样,碳纳米管根本没办法很好地在上面排列。

我后来就好好地对基底进行清洗和预处理,结果就好多了。

我不知道我这些摸索过程对别人有没有用哈。

反正我在这个过程中发现不管是做阵列碳纳米管还是制备片层状催化剂,每个步骤都像是一个小的关卡,哪一关没处理好,最后的结果都不会太理想。

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附件2论文中英文摘要格式作者姓名:张强论文题目:宏量可控制备碳纳米管阵列作者简介:张强,男,1984年3月出生,2004年9月师从于清华大学魏飞教授,于2009年7月获博士学位。

中文摘要化学工程为现代高新技术产业的发展提供了最基本的生产手段与技术。

近年来,纳米技术的蓬勃发展为新型工业开拓了科学和工程技术应用空间。

作为一种具有一维管状结构的纳米材料,碳纳米管在力学、热学、电学、光学、声学等方面表现出优异的性能,成为纳米领域中最受关注的对象之一。

随着应用研究的深入,人们发现,相互缠绕的聚团状碳纳米管往往作为一种化工原材料添加到最终产品中,这样就难以充分发挥碳纳米管的优异性能。

相关研究表明,碳纳米管的取向和排列可以显著影响其作为宏观材料的性能。

如果能够将碳纳米管做成高度规整的定向阵列结构,那么阵列本身就是带有功能的产品——超级弹簧、定向薄膜、过滤器、电池电极、场发射体等;碳纳米管阵列也可以经进一步加工形成人工合成的超强纤维、电子器件、高性能复合材料,从而极大地提高材料的性能;由于碳纳米管阵列的易分散性,即使破坏碳纳米管阵列的排列,将其单分散后应用于导电、导热、力学增强复合材料时仍表现出比聚团状单壁和多壁碳纳米管更为优异的性能。

所以,碳纳米管阵列是诸多类型碳纳米管材料中的高端产品。

虽然高度规整的碳纳米管阵列已经开发出很多应用。

但是,时至今日,基于碳纳米管阵列的所有应用还不能够看到明确的实用前景。

其重要原因是可控、大规模宏量制备应用研究所需的宏量规模的定向碳纳米管阵列样品仍然非常困难。

众多研究者采用高纯硅片作为基板,每批次仅获得几毫克碳纳米管阵列样品。

碳纳米管阵列的市售价格可高达2000美元/片硅片。

因此,要实现纳米技术为人类造福的目标,首要的问题就是能够探索出可在工业规模上大量生产碳纳米管阵列的方法。

而探索宏量可控制备碳纳米管阵列的科学以及开发工业生产碳纳米管阵列的技术是化学工程发展中的新问题。

本文研究了碳纳米管阵列所涉及到的各个尺度上的科学问题,并应用纳米过程工程的基本方法分析了碳纳米管阵列的宏量制备,探索制备过程中的技术和控制手段,为碳纳米管阵列的宏量制备提供一个切实可行的技术路线,进而为碳纳米管阵列的实用化铺平道路。

本文在理解碳纳米管团聚结构特点的基础上,对碳纳米管阵列的生长机理进行了探索。

采用时空分析方法,指出在原子/分子层次上,碳纳米管的生长遵循气液固生长机制。

此模型较好地解释单根碳纳米管如何在纳米金属催化剂生长,以及碳纳米管的直径控制,但是并未解释碳纳米管如何有效组装形成有序阵列。

我们通过催化剂标记的方法,发现在单根尺度上,碳纳米管阵列遵循底部生长机制,即碳纳米管的生长点在其与基板结合的根部,但没有解释碳纳米管的组装行为。

进一步在整体尺度上采用扫描电子显微镜和Raman光谱对分层生长技术获得四层碳纳米管阵列进行表征,发现本研究获得的碳纳米管阵列中存在两种类型的碳纳米管:类型一直管和类型二弯管。

通过Raman光谱中G峰峰位偏移指出碳纳米管阵列中存在应力。

在应力的作用下,弯管的形貌发生了显著的变化,其曲折因子随着碳纳米管距其顶部的距离增加而下降。

我们推测,碳纳米管阵列的生长是一种协同作用自组织生长的过程:催化剂颗粒均匀分散到基板表面,当引入碳源后,直管在基板表面先长出,形成了无序网络,弯管受到直管的空间位阻而被迫垂直生长;直管受到弯管的推动也垂直定向生长;直管和弯管协同作用形成有序阵列结构。

这一从无序缠绕到有序组装的过程可利用液晶形成相关的Onsager virial理论进行描述。

高催化剂颗粒密度(>1010/cm2)分布在较小曲率(曲率半径>1 μm)的基板上有利于碳纳米管阵列的生长。

以此为基础,通过控制催化剂的尺寸分布和方差,缩小催化剂活性的差异,形成超顺排可抽丝的碳纳米管阵列。

通过缩小碳纳米管生长区域、减弱协同作用以及扩散限制,维持其自由生长,可以获得长度高达14.5 mm的超长碳纳米管阵列。

为克服平整基板上碳纳米管阵列生产工程化遇到的比表面积有限的瓶颈,提出了颗粒表面辐射生长碳纳米管阵列的方法,并依次采用比表面积约为2.0×102 cm2/g的陶瓷球、1.0×104 cm2/g的石英纤维、2.4×105 cm2/g的层状双羟基金属氢氧化物(LDH)片状颗粒作为生长基板,在其表面大量辐射生长碳纳米管阵列。

这些新型颗粒状基板具有高比表面积、低成本、易流动、在反应器内可连续输运等优点。

通过化学手段在这些新型颗粒基板表面形成高密度纳米金属催化剂颗粒,放入反应器内加热到碳纳米管阵列生长温度,通入如乙烯、丙烯、液化石油气、环己烷或二甲苯等烃类物质作为碳源,即可以在其表面高效率的生长碳纳米管阵列。

当采用直径为0.7 mm的陶瓷球作为生长基板,可以在球表面辐射生长长度至1.2 mm,直径为10-50 nm的多壁碳纳米管阵列;采用FeMgAl-LDH作为生长基板,通过还原促进LDH骨架所含金属离子转变为金属催化剂颗粒,通过化学气相沉积,可在LDH表面法向生长长度至50 μm,直径约为4-7 nm的双壁碳纳米管阵列。

为解决碳纳米管阵列形貌在宏量制备过程中阵列易损坏问题,提出了在片层材料中插层生长碳纳米管阵列的方法。

选用自然界中存在的天然片层材料,如蛭石、云母等具有层状结构和可交换性层间离子的一类粘土化合物作为碳纳米管生长基板,通过离子交换将金属催化剂活性组分插层到片层中,然后进一步煅烧和还原,形成活性催化剂颗粒高度分散在层间的碳纳米管阵列生长催化剂。

通过化学气相沉积过程,在一颗厚度约为3 mm的层状蛭石颗粒中,约有3000层垂直定向的碳纳米管阵列插层生长。

在每两片片层中间,碳纳米管阵列相向生长,使层状颗粒在轴向方向上进一步膨胀;在每一片粘土片层上,碳纳米管阵列都垂直于片层生长。

在所得的阵列产物中,碳纳米管的直径约为7-13 nm,长度可在0.10-100 μm范围内调变。

针对碳纳米管阵列产量有限的现状,提出采用Fe/Mo/蛭石片层催化剂在流化床中生长。

在流化床中,气体通过包括催化剂和生长的碳纳米管的固相颗粒层,使固体颗粒处于悬浮运动状态进而进入流化状态。

当进行化学气相沉积时,一方面,流化床反应器提供了定向碳纳米管生长足够的空间;另一方面,颗粒运动强化了热量和质量传递,提供了充足的物质交换和热量交换,进而可以连续稳定地大量生长碳纳米管。

采用厚度在50-100 μm,直径为100-300 μm 的片层状可流化的颗粒作为碳纳米管阵列生长催化剂,当气速高于起始流化速度之后,片层催化剂处于流化状态。

通入碳源之后,碳纳米管阵列在片层催化剂中插层生长,定向生长行为也不会受颗粒之间的碰撞影响。

据此,在保证催化剂可流化的前提下,采用碳源空速与催化剂比表面积比值不变的原则,成功实现了碳纳米管阵列的工程放大。

采用直径为500 mm的流化床反应器作为工业中试,以片层状催化剂载体,通过流化床化学气相沉积过程,实现了产量为3.0 kg/hr的碳纳米管阵列宏量制备。

这种依靠化学气相沉积过程自组织形成的上万层的垂直自组织生长的一维、二维复合纳米结构材料具有极好的抗冲击性能;长度为25 μm的碳纳米管阵列插层复合物的能量吸收值高达149 kJ/kg,远高于传统的泡沫材料(约36 kJ/kg)。

这是由于蛭石片层和25 μm的碳纳米管阵列尺寸匹配较好,从而使较硬的无机片层能够把应力传递给耐压缩的碳纳米管阵列。

即使经过二十次压缩,碳纳米管阵列仍保持较好的取向,进而表现出优异的抗冲击循环稳定性。

这说明碳纳米管阵列在复合材料、缓冲抗震等大规模工业民用领域有突出的性能和广泛的应用前景。

关键词:碳纳米管阵列;化学气相沉积;催化剂;宏量制备;流化床。

Mass Production of Vertically Aligned Carbon Nanotube ArraysZhang QiangABSTRACTChemical engineering is one of the advanced technologies for the development of modern society. In recent years, the rapid development of nanotechnology has opened up new intriguing industrial applications. Carbon nanotubes (CNTs), which are cylindrical tubes composed of wrapped graphene sheets, possess extremely high tensile strength, high modulus, large aspect ratio, low density, good chemical and environmental stability, and high thermal and electrical conductivities. Various applications based on CNTs have been demonstrated. However, it is noticed that the agglomerated CNTs showed limited improvement on products, and the extraordinary performance of CNTs were not fully illustrated. The alignment of CNTs greatly affects the performance of CNT in macroscopical applications. If the CNTs can be aligned to form ordered CNT arrays, the as-grown arrays can be directly used as nano-spring, anisotropic conductive materials, multi-functional membranes, filters, battery electrodes, and field emitters. Aligned CNTs can also be further processed into strong fibers, electronic components, and high-performance composites. Even with the loss of the original alignment, longer and straighter multi-walled CNTs from the aligned CNT arrays are found to be better than randomly aggregated multi-walled or even single-walled CNTs in improving the electronic, mechanical, and thermal properties of a polymer. Vertically aligned CNT arrays were one of the advanced materials to demonstrate the fascinating properties of nanomaterials.Up to now, many intriguing applications based on aligned CNTs have been proposed. However, not all of them are with clear practical-prospects. The major reason is that the availability of aligned CNTs in large amount is still very limited. Usually, expensive silicon wafers were used as the growth substrate, and only several milligrams of aligned CNTs samples can be obtained in a batch of chemical vapor deposition. The price of aligned CNTs was estimated to be 2,000 U.S. dollars/piece. If the goal of nanotechnology were for human benefit, one of the urgent tasks is the ability for mass production of high quality CNT arrays. Exploring the science and developing the technology for industrial production of aligned CNT arrays becomes one of cutting-edge issues in chemical engineering. In this thesis, the scientific problems of aligned CNT growth are discussed,and the mass production of aligned CNT arrays is analyzed by nanoscale process engineering methods. Based on the novel scientific understanding, a practical route to the mass production of aligned CNT arrays is proposed and realized to promote the applications of aligned CNTs.Based on the understanding of CNT array structure, the growth mechanism of CNT arrays was proposed. On the atomic scale, the vapor-liquid-solid model explains how a single CNT grows out from the catalyst, and the diameter of CNTs in the arrays can be easily modulated through nucleation and sintering of the metal catalyst particles during the heterogeneous catalysis process. The growth sites of individual CNTs in the array were at the bottom of the array. To illustrate the synchronous growth of CNTs, a multi-layered aligned CNT array grown by a four-step interim reactant supply reaction was characterized by the scanning electron microscopy and Raman spectra. These were used to deduce that the pristine stress was present in the CNT arrays. A model of the stresses induced by space limitation and different growth rates was applied to explain the development of a synchronous growth of the CNT arrays. Large amount of CNTs were self organized into array structure based on the interaction among CNTs, which can be described by the Onsager virial theory. The CNT arrays can be easily synthesized on a low curvature substrate with high density active metal particles (>1010/cm2). By controlling the formation of uniform catalyst with a narrow size distribution, spinnable aligned CNTs were obtained by an improved floating catalyst chemical vapor deposition method. Moreover, if CNTs were synthesized in a small area, they can grow freely into super long CNTs with a length of 14.5 mm.To overcome the limited surface area for the growth of CNT arrays on flat substrates, radial growth of CNT arrays on the surface of various particles was proposed. Spherical, fibrous, and flaked layered double hydroxide particles with a specified surface area of 2.0×102, 1.0×104, and 2.4×105 cm2/g, respectively, were used as substrates for large scale growth of aligned CNTs. These powder substrates exhibit large specified surface area, low cost, good flowability, and can be transferred easily in the reactor. When high density of metal catalyst particle distributed on their surface, with introduction of various carbon sources (such as ethylene, propylene, liquified petroleum gas, cyclohexane, and xylene) at growth temperature, aligned CNTs were efficiently synthesized on the surface of those particles. For instance, multi-walled CNTs in array form with a diameter of 10-50 nm and a length of 10-1200 μm were radially synthesized on ceramic spheres. Double-walled CNTs in array form with a diameter of 4-7 nm and a length of 50 μm were grown on FeMgAl layered double hydroxide flakes.To avoid the damage caused by the collisions among CNT arrays during th e process of transport and fluidization, a strategy of intercalated growth of CNT arrays among layered catalyst was proposed. The layered vermiculite catalyst with dispersed active particles among the layers was prepared by an ion-exchanged method. Various natural clays, such as vermiculite, mica, were with a lamellar structure and exchangeable ions were used as growth substrates. The clays were impregnated with catalyst seeds in solution to exchange active metal phase among the layers. After calcination and reduction in a reducing atmosphere, metal catalyst nanoparticles were formed in a high density among clay layers. Through chemical vapor deposition method, aligned CNTs were intercalated grown among the natural clay particle. For example, about 3000 layers of aligned CNT films were intercalated into one vermiculite block of 3 mm thickness. Each interlayer consisted of two aligned CNTs that were grown from opposite clay surfaces and joined in the middle. The as-grown CNTs exhibited uniform length and good alignment, and the vermiculite sheets along the perpendicular direction could be distinguished. Vertically aligned CNT arrays with a diameter of 7-13 nm and a length of 0.10-100 μm, were intercalated among inorganic layers.Large amount of CNT arrays can be produced in a fluidized bed reactor on the lamellar catalysts. In a fluidized bed, the solid particles (such as catalyst and the as-grown products) transformed into a fluid-like state through suspension in gas. The fluidized bed reactor has great advantages in terms of enough growth space, excellent diffusion and heat transfer, easiness in scaling up and continuous operation for CNT production. Multilayer structured lamellar particles with a thickness of 50-100 μm and a diameter of 100-300 μm were considered as fluidizable catalysts, which exhibit dense phase expansion after minimum fluidization velocity. The aligned CNTs can be intercalatedly grown within a single lamellar particle, and the collisions among CNT arrays during growth can therefore be avoided. The CNTs grown among vermiculites through the fluidized bed chemical vapor deposition possess good alignment. By keeping the ratio of carbon source space velocity to catalyst surface area a constant and maintaining the well fluidization state, the synthesis of aligned CNT arrays was scaled up. A 3.0 kg/hr CNT array productivity was realized in a fluidized bed reactor with a diameter of 500 mm. The CNTs in the as grown arrays were with good alignment, and can be easily purified.The introduction of strong yet flexible CNTs makes the self-organized CNT arrays intercalated composites highly compliant and resilient, in contrast to bare inorganic compounds that are rigid and brittle. The CNT-intercalated composite can be repeatedly compressed at high strains, with an energy absorption capacity of 149 kJ/kg when thelength of CNTs was 25 μm, which is much higher than CNTs in cushioning polystyrene foams (36 kJ/kg). The enhanced mechanical properties can be attributed to the combination of aligned CNTs with inorganic layers. The CNTs still keep good alignment after 20 cycles of compression. The obtained aligned CNT arrays intercalated composites are with superior mechanical properties as energy absorption, dumping, shock absorbing materials, which are highly necessary for aircraft, container, car, and so on.Key words: carbon nanotube array; chemical vapor deposition; catalyst; mass production; fluidized bed.。

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