碳纳米管合成以及应用ppt课件
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《碳纳米管》PPT课件
分类：
离子液体修饰碳纳米管 、表面活性剂 （十二 烷基磺酸钠(SDS)和十二烷基苯磺酸钠 (SDBS) ）、聚间亚苯基亚乙烯（PmPV） 等
4 碳纳米管的基本性质
（1）力学性能：sp2杂化形成的C=C共价键是自然界 最强的价键之一，赋予碳纳米管极强的强度、韧性 及弹性模量，使碳纳米管具有优异的力学性能。由 于碳纳米管的纳米尺度和易缠绕的特点，直接用传 统实验方法测量其力学性能比较困难，因此最初对 碳纳米管力学性能的研究集中在理论预测上。
当今世界公开报道高质、高效、连续大批 量工业化生产碳纳米管的实例：沸腾床催化法、 化学气相沉积法
碳纳米管结构示意图
(A) 椅形单壁碳纳米管 (B) Z字形单壁碳纳米管 (C) 手性单壁碳纳米管 (D) 螺旋状碳纳米管 (E) 多壁碳纳米管截面图
（方A）法电和弧设放备电都法较：相其似方。法阴及极设采备用与厚制约备10Ｃmm60的， 直径约为30mm的高纯高致密的石墨片，阳极 采用直径约为6mm的石墨棒，整个系统保持 在气压约104Pa的氦气气氛中，放电电流为50 Ａ左右，放电电压20Ｖ。通过调节阳极进给速 度，可以保持在阳极不断消耗和阴极不断生长 的同时，两电极的放电端面距离不变，从而可 以得到大面积离散分布的碳纳米管，同时还可 能产生碳纳米微粒。
(D)激光法
机理:与电弧放电法类似，主要是将一根金属催化剂/ 石墨混合的石墨靶放置于一长形石英管中间，该管 则置于一加热炉内。当炉温升至1200℃时，将惰性 气体充入管内，并将一束激光聚焦于石墨靶上。石 墨靶在激光照射下将生成气态碳，这些气态碳和催 化剂粒子被气流从高温区带向低温区，在催化剂的 作用下生长成碳纳米管。
发现：1991年，日本学者Ijima和美国的Bethune 等人在掺加过渡金属催化剂的石墨电极间起弧放 电，并在制备产物中分别发现了单壁纳米管。
离子液体修饰碳纳米管 、表面活性剂 （十二 烷基磺酸钠(SDS)和十二烷基苯磺酸钠 (SDBS) ）、聚间亚苯基亚乙烯（PmPV） 等
4 碳纳米管的基本性质
（1）力学性能：sp2杂化形成的C=C共价键是自然界 最强的价键之一，赋予碳纳米管极强的强度、韧性 及弹性模量，使碳纳米管具有优异的力学性能。由 于碳纳米管的纳米尺度和易缠绕的特点，直接用传 统实验方法测量其力学性能比较困难，因此最初对 碳纳米管力学性能的研究集中在理论预测上。
当今世界公开报道高质、高效、连续大批 量工业化生产碳纳米管的实例：沸腾床催化法、 化学气相沉积法
碳纳米管结构示意图
(A) 椅形单壁碳纳米管 (B) Z字形单壁碳纳米管 (C) 手性单壁碳纳米管 (D) 螺旋状碳纳米管 (E) 多壁碳纳米管截面图
（方A）法电和弧设放备电都法较：相其似方。法阴及极设采备用与厚制约备10Ｃmm60的， 直径约为30mm的高纯高致密的石墨片，阳极 采用直径约为6mm的石墨棒，整个系统保持 在气压约104Pa的氦气气氛中，放电电流为50 Ａ左右，放电电压20Ｖ。通过调节阳极进给速 度，可以保持在阳极不断消耗和阴极不断生长 的同时，两电极的放电端面距离不变，从而可 以得到大面积离散分布的碳纳米管，同时还可 能产生碳纳米微粒。
(D)激光法
机理:与电弧放电法类似，主要是将一根金属催化剂/ 石墨混合的石墨靶放置于一长形石英管中间，该管 则置于一加热炉内。当炉温升至1200℃时，将惰性 气体充入管内，并将一束激光聚焦于石墨靶上。石 墨靶在激光照射下将生成气态碳，这些气态碳和催 化剂粒子被气流从高温区带向低温区，在催化剂的 作用下生长成碳纳米管。
发现：1991年，日本学者Ijima和美国的Bethune 等人在掺加过渡金属催化剂的石墨电极间起弧放 电，并在制备产物中分别发现了单壁纳米管。
碳纳米管的制备ppt课件
缺点：制备纳米碳管的成本较高, 难以推广应用 。
一般多用于生产单壁碳纳米管
7
可编辑课件PPT
催化热解法
又叫化学气相沉积法,含有碳的气体流经催化剂纳米 颗粒表面时分解产生碳原子, 在催化剂表面生成碳纳 米管. 基体法利用石墨或陶瓷等作载体, 将催化剂附着于其上
, 高温下通入含碳气体使之分解并在催化剂颗粒上长出碳纳米 管; 浮游法就是直接加热催化剂前驱体使其成气态, 同时与气 态烃一起被引入反应室, 在不同温区各自分解, 分解的催化剂 原子逐渐聚集成纳米级颗粒, 浮游在反应空间,分解的碳原子在 催化剂颗粒上析出, 形成碳纳米管。
8
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催化热解法的优缺点
优点：条件可控、容易批量生产等优点, 自发现
以来受到极大关注, 成为纳米碳管的主要合成方法 之一。
缺点:含有许多杂质 , 需要进一步纯化 , 且碳纳
米管缠绕成微米级大团 , 还需要进一步进行分散 处理
9
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碳纳米管合成的工程原理
宏观尺度
宏观尺度上连续生产碳纳米管,涉及多 相催化工程、反应工程以及应用探索、 市场开拓等复杂工程.
碳纳米管的制备
报告人
1
可编辑课件PPT
碳纳米管制备的发展历程
1991年电弧放电法首次得到了碳纳米管
1996年激光蒸发法
化学气相沉积法
水热法、凝聚相电解生成法等
2
可编辑课件PPT
碳纳米管的制备
微观尺度
微观尺度上, 碳纳米管的生长是碳原子 自组装成一维管状结构的过程, 即碳原 子形成六元环或五七元环卷曲形成具有 特定螺旋角的过程
12
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碳纳米管合成的工程原理
团聚结构控制
一般多用于生产单壁碳纳米管
7
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催化热解法
又叫化学气相沉积法,含有碳的气体流经催化剂纳米 颗粒表面时分解产生碳原子, 在催化剂表面生成碳纳 米管. 基体法利用石墨或陶瓷等作载体, 将催化剂附着于其上
, 高温下通入含碳气体使之分解并在催化剂颗粒上长出碳纳米 管; 浮游法就是直接加热催化剂前驱体使其成气态, 同时与气 态烃一起被引入反应室, 在不同温区各自分解, 分解的催化剂 原子逐渐聚集成纳米级颗粒, 浮游在反应空间,分解的碳原子在 催化剂颗粒上析出, 形成碳纳米管。
8
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催化热解法的优缺点
优点：条件可控、容易批量生产等优点, 自发现
以来受到极大关注, 成为纳米碳管的主要合成方法 之一。
缺点:含有许多杂质 , 需要进一步纯化 , 且碳纳
米管缠绕成微米级大团 , 还需要进一步进行分散 处理
9
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碳纳米管合成的工程原理
宏观尺度
宏观尺度上连续生产碳纳米管,涉及多 相催化工程、反应工程以及应用探索、 市场开拓等复杂工程.
碳纳米管的制备
报告人
1
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碳纳米管制备的发展历程
1991年电弧放电法首次得到了碳纳米管
1996年激光蒸发法
化学气相沉积法
水热法、凝聚相电解生成法等
2
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碳纳米管的制备
微观尺度
微观尺度上, 碳纳米管的生长是碳原子 自组装成一维管状结构的过程, 即碳原 子形成六元环或五七元环卷曲形成具有 特定螺旋角的过程
12
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碳纳米管合成的工程原理
团聚结构控制
碳纳米管的应用ppt课件
11
导电材料
将碳纳米管均匀地扩散到塑料中，可获得强度更高并具有导电 性能的塑料，可用于静电喷涂和静电消除材料，目前高档汽车的 塑料零件由于采用了这种材料
由于碳纳米管复合材料具有良好的导电性能，不会象绝缘塑料产 生静电堆积，因此是用于静电消除、晶片加工、磁盘制造及洁净 空间等领域的理想材料
当CNTs的管径大于6mm时，导电性能下降；当管径小于6mm时， CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。
12
储氢材料 氢气在未来的能源方面将扮演一个很重要的角色，
它在释放能量的过程中不会引起空气的污染和导致 温室效应，但目前仍然没有一个实用的办法存储和 运输氢气，而这对氢气能源的实用化是十分重要的。
最近的研究表明，碳纳米管非常适合于作为储氢材 料。由于碳纳米管具有独特的纳米级尺寸和中空结 构，具有更大的表面积，相对于常用的吸附剂活性 炭而言，具有更大的氢气吸附能力。
14
储存器 由于优异的化学稳定性（C-C键，
无悬空键） 因此碳纳米管具有化学惰性，经
历充放电不发生化学作用。因此， 数据保存在这样的一个存储器中 可以拥有更长的保存时间。
15
四、碳纳米管的新应用发现
麻省理工大科学家发现，在电池一 端电极使用含碳纳米管可以比现在 的锂电池蓄存更多的电力 。这种电 池在充电效率及蓄电能力远比目前 最高端的锂电池更优良。科新研发 的含碳纳米管电池进行1000次充 放电实验。结果在经历1000次充 放电后，含碳纳米管电池内的物质 属性变化极微，电池蓄电力丝毫未
9
电磁干扰屏蔽材料及隐形材料 碳纳米管是一种有前途的理想微波吸收剂,可用于 隐形材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料。碳纳米 管对红外和电磁波有隐身作用。
10
超级电容器 作为电双层电容电极材料，要
导电材料
将碳纳米管均匀地扩散到塑料中，可获得强度更高并具有导电 性能的塑料，可用于静电喷涂和静电消除材料，目前高档汽车的 塑料零件由于采用了这种材料
由于碳纳米管复合材料具有良好的导电性能，不会象绝缘塑料产 生静电堆积，因此是用于静电消除、晶片加工、磁盘制造及洁净 空间等领域的理想材料
当CNTs的管径大于6mm时，导电性能下降；当管径小于6mm时， CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。
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储氢材料 氢气在未来的能源方面将扮演一个很重要的角色，
它在释放能量的过程中不会引起空气的污染和导致 温室效应，但目前仍然没有一个实用的办法存储和 运输氢气，而这对氢气能源的实用化是十分重要的。
最近的研究表明，碳纳米管非常适合于作为储氢材 料。由于碳纳米管具有独特的纳米级尺寸和中空结 构，具有更大的表面积，相对于常用的吸附剂活性 炭而言，具有更大的氢气吸附能力。
14
储存器 由于优异的化学稳定性（C-C键，
无悬空键） 因此碳纳米管具有化学惰性，经
历充放电不发生化学作用。因此， 数据保存在这样的一个存储器中 可以拥有更长的保存时间。
15
四、碳纳米管的新应用发现
麻省理工大科学家发现，在电池一 端电极使用含碳纳米管可以比现在 的锂电池蓄存更多的电力 。这种电 池在充电效率及蓄电能力远比目前 最高端的锂电池更优良。科新研发 的含碳纳米管电池进行1000次充 放电实验。结果在经历1000次充 放电后，含碳纳米管电池内的物质 属性变化极微，电池蓄电力丝毫未
9
电磁干扰屏蔽材料及隐形材料 碳纳米管是一种有前途的理想微波吸收剂,可用于 隐形材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料。碳纳米 管对红外和电磁波有隐身作用。
10
超级电容器 作为电双层电容电极材料，要
新材料概论碳纳米管课件
通过化学或物理方法对碳纳米管进行改性， 以提高其分散性和界面稳定性。
环保与可持续性
在合成和使用过程中，考虑碳纳米管的环保 和可持续性问题也正在成为研究热点。
05
碳纳米管的生产与市场产主要采用气相沉积、电弧放 电和激光脉冲等方法。其中，气相沉积法具 有生长速度快、纯度高、可大规模生产等优 点，但设备成本较高。电弧放电法和激光脉 冲法具有设备简单、成本低等优点，但产量 较低。
02 将不同性能的材料进行复合，实现材料的多功能特性
，如强度、韧性、耐磨性、导电性、导热性等。
多功能复合材料应用
03
将多功能复合材料应用于不同的领域，如航空航天、
汽车、能源、生物医学等。
新兴应用领域拓展
01
新一代信息技术
发展新型电子器件、光电器件、 传感器的应用，推动信息技术领 域的创新发展。
02
化学稳定性
碳纳米管在大多数化学环境下都具 有很好的稳定性，使其在化学反应中 具有很好的应用前景。
挑战与瓶颈
01
生产与合成难度
碳纳米管的制备和合成仍存在一 定的挑战，其大规模生产和成本
控制是当前的研究重点。
03
界面稳定性差
在某些应用中，碳纳米管的界面 稳定性较差，可能会影响其性能
。
02
分散与纯化问题
其他制备方法
总结词
其他制备碳纳米管的方法
VS
详细描述
除上述方法外，还有许多其他制备碳纳米 管的方法，如燃烧合成法、溶胶凝胶法等 。这些方法各有优缺点，可根据实际需求 选择合适的方法。
03
碳纳米管的应用领域
纳米电子器件
碳纳米管在制造纳米电子器件方面具有高导电性和稳定性，可以用于制造高灵敏 度的场效应晶体管、逻辑电路和存储器等。
环保与可持续性
在合成和使用过程中，考虑碳纳米管的环保 和可持续性问题也正在成为研究热点。
05
碳纳米管的生产与市场产主要采用气相沉积、电弧放 电和激光脉冲等方法。其中，气相沉积法具 有生长速度快、纯度高、可大规模生产等优 点，但设备成本较高。电弧放电法和激光脉 冲法具有设备简单、成本低等优点，但产量 较低。
02 将不同性能的材料进行复合，实现材料的多功能特性
，如强度、韧性、耐磨性、导电性、导热性等。
多功能复合材料应用
03
将多功能复合材料应用于不同的领域，如航空航天、
汽车、能源、生物医学等。
新兴应用领域拓展
01
新一代信息技术
发展新型电子器件、光电器件、 传感器的应用，推动信息技术领 域的创新发展。
02
化学稳定性
碳纳米管在大多数化学环境下都具 有很好的稳定性，使其在化学反应中 具有很好的应用前景。
挑战与瓶颈
01
生产与合成难度
碳纳米管的制备和合成仍存在一 定的挑战，其大规模生产和成本
控制是当前的研究重点。
03
界面稳定性差
在某些应用中，碳纳米管的界面 稳定性较差，可能会影响其性能
。
02
分散与纯化问题
其他制备方法
总结词
其他制备碳纳米管的方法
VS
详细描述
除上述方法外，还有许多其他制备碳纳米 管的方法，如燃烧合成法、溶胶凝胶法等 。这些方法各有优缺点，可根据实际需求 选择合适的方法。
03
碳纳米管的应用领域
纳米电子器件
碳纳米管在制造纳米电子器件方面具有高导电性和稳定性，可以用于制造高灵敏 度的场效应晶体管、逻辑电路和存储器等。
碳纳米管的制备与应用ppt课件
劣势：杂质多
16
3.3.2 等离子体增强化学气相沉积工艺 (Plasma-enhanced CVD, PECVD)
优势：等离子体增强反应活性 外加电场控制生长方向
Science. 1998. 282 (5391): 1105–7.
17
3.3.3 高压一氧化碳合成工艺（HiPCO， High-pressure carbon monoxide synthesis）
将冷的含有羰基铁Fe(CO)5的高压CO气体,和预先加热到1200℃ 的CO气体相混合，使含有催化剂的高压CO气体,在不到1毫秒的 时间内加热到1000℃。这时羰基铁分解出的Fe原子相互碰撞形 成 铁纳米颗粒，铁纳米颗粒进而和 CO反应生成CO2并留下一个 碳原子
2001. Cambridge: Cambridge University1P8 ress.
单壁碳纳米管束
SCIENCE VOL. 273 26 JULY115 996
3.3.1 化学气相沉积法（CVD）
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
优势：产量大 生产方法简单 重复性高
不锈钢 凯夫拉纤维
杨氏模量（TPa） ~1 (from 1 to 5)
0.94 0.94 0.92 0.2-0.95 0.186-0.214 0.06-0.18
抗拉强度（GPa） 13-53 126.2 94.5
11-160 0.38-1.55
3.6-3.8
断裂伸长率（%） 16 23.1
16.6-17.6
3.4 其它制备方法
固相热解法 水热晶化法 太阳能法 电解法 溶胶凝胶法
16
3.3.2 等离子体增强化学气相沉积工艺 (Plasma-enhanced CVD, PECVD)
优势：等离子体增强反应活性 外加电场控制生长方向
Science. 1998. 282 (5391): 1105–7.
17
3.3.3 高压一氧化碳合成工艺（HiPCO， High-pressure carbon monoxide synthesis）
将冷的含有羰基铁Fe(CO)5的高压CO气体,和预先加热到1200℃ 的CO气体相混合，使含有催化剂的高压CO气体,在不到1毫秒的 时间内加热到1000℃。这时羰基铁分解出的Fe原子相互碰撞形 成 铁纳米颗粒，铁纳米颗粒进而和 CO反应生成CO2并留下一个 碳原子
2001. Cambridge: Cambridge University1P8 ress.
单壁碳纳米管束
SCIENCE VOL. 273 26 JULY115 996
3.3.1 化学气相沉积法（CVD）
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
优势：产量大 生产方法简单 重复性高
不锈钢 凯夫拉纤维
杨氏模量（TPa） ~1 (from 1 to 5)
0.94 0.94 0.92 0.2-0.95 0.186-0.214 0.06-0.18
抗拉强度（GPa） 13-53 126.2 94.5
11-160 0.38-1.55
3.6-3.8
断裂伸长率（%） 16 23.1
16.6-17.6
3.4 其它制备方法
固相热解法 水热晶化法 太阳能法 电解法 溶胶凝胶法
碳纳米管的制备、性质和应用进展
在化学传感器和生物传感器领域，碳纳米管的敏感度高、响应速度快，可检测 多种化学物质和生物分子。例如，多壁碳纳米管可检测空气中的有害气体分子， 单壁碳纳米管可检测生物体内的病毒和细菌。这些应用为化学和生物分析提供 了新的检测手段。
在硬材料制备领域，碳纳米管因其卓越的力学性能和热导率而被用于制备高性 能复合材料和耐磨材料。例如，将碳纳米管添加到塑料或橡胶中可显著提高材 料的强度、韧性和热稳定性。此外，碳纳米管还被用于制造刀具和轴承等耐磨 器件，其高硬度和高耐磨性使得这些器件的性能得以显著提升。
谢谢观看
碳纳米管的电子结构研究表明，它们具有金属性和半导体性两种类型，具体取 决于碳纳米管的层数和手性。碳纳米管的导电性能与金属导线相似，具有高电 导率。同时，碳纳米管还具有优异的热导率，可高达6000 W/m·K，远高于铜。
碳纳米管的应用：
由于其独特的结构和性能，碳纳米管在电子、化学传感器、生物传感器和硬材 料制备等领域具有广泛的应用前景。
3、生物医学领域
在生物医学领域，碳纳米管膜也展现出广阔的应用前景。由于其生物相容性和 良好的电性能，碳纳米管膜可以作为药物载体和细胞培养基底。研究表明，将 药物包裹在碳纳米管膜内，可以实现对药物的精确控制和靶向输送。同时，碳 纳米管膜还可以作为细胞生长支架，促进细胞的黏附和增殖。
4、电子器件领域
然而，尽管碳纳米管的研究已经取得了许多成果，但仍存在一些问题需要进一 步探讨。例如，碳纳米管的制备过程中，如何实现规模化生产并降低成本；在 性质方面，如何控制碳纳米管的形貌和性能；在应用方面，如何将碳纳米管更 好地应用到实际生产和科学研究中。
同时，随着科技的不断进步和创新，碳纳米管的研究和应用前景也日益广阔。 未来，可以进一步探索碳纳米管在其他领域的应用，如能源、环保、生物医学 等。此外，随着人工智能和大数据等技术的快速发展，可以预见碳纳米管的研 究和应用将越来越受到智能化和数字化的影响，这将会为碳纳米管的研究和应 用带来更多的机遇和挑战。
碳纳米管PPT课件
第5页/共81页
碳纳米管的发现
1991年，日本NEC公司基础研究实验室的电 子显微镜专家Iijima（饭岛澄男）发现 了多壁碳纳米管（MultiWalled Carbon Nanotubes ，MWNTs），直径为4-30nm， 长度为1um。，最初称之为“Graphite tubular”。
1993年单壁碳纳米管也被发现（SingleWalled Carbon Nanotubes ，SWNTs）， 直径从0.4nm到3-4nm，长度可达几微米。
第2页/共81页
nanotube
富勒烯 (C60)
• 1985年英国Sussex大学化学家Kroto和美国Rice大学 化学物理学家Smalley及Curl等人发表文章，宣布笼形 分子C60的发现。
• Smalley和Kroto等分析认为C60分子是个足球的样子， 由12个五元环和20个六元环组成的球状分子，其60个顶 点由碳原子占据。为了纪念美国建筑师Buckminster Fuller设计圆穹屋顶，感谢他在为解开C60分子结构之谜 提供的帮助，他们决定命名C60为Buckminster Fullerene简称fullerene,俗称Buckyballs。但此后几 年，由于不能制备出足够多的C60，通过实验来确定C60存 在的问题还没有解决。
• 碳纳米管的导电性可随其螺旋度的不同而异，可以是金属性的， 也可以是半导体性的。
• 碳纳米管还有很独特的热学性质。它具有比普通材料更高的比热、 更大的热导。 碳纳米管的热学性质也与其结构密切相关。其比热 主要依赖于管的直径和管的长度。
• 碳纳米管还有非凡的力学性质，表现出很好的柔韧性。可以承受 很大的拉伸应变。
激光蒸发法制备碳纳米管的装置
Science 273 , 483–487(1996)
碳纳米管的制备与纯化ppt课件
匀混合后可用于固相热解法。
.
一般说来，碳源的选择不影响产物的性质，但是 对碳纳米管的成长速率有一定的影响。不同的碳 源，分解温度不同，因而热传导率也不同。另外， 在反应中加入一些生长促进剂(如硫、磷、唾吩等) 可以加速碳源的分解，有利于生成纳米管。 此外，载体法中随着碳源的分解，碳的浓度和压 强在载体孔隙中逐渐增大，达到一定浓度时，便开 始在催化剂颗粒上沉积成核，开始碳纳米管的生 长。所以与其它方法相比，载体催化热解法能充分 利用载体孔隙增大积碳压强而降低合成温度。
场对碳管的开口生长起稳定作用并诱导碳纳
米管生长。而Zhang等认为，电弧条件下的 CNTs生长是阴极上的场发射结构与等离子体
相互作用的结果。Satio等认为电场的静电引 力是碳纳米管生长的原因，在电场力作用
下，液态的小微粒呈椭圆形，并沿着电场作 .
用方向生长。
➲ 电弧法制备碳纳米管的生长机理 在观察电弧法制备的纳米管结构时发现，很 难用闭口模型生长机理来解释其结构的形成， 例如：闭口生长模型不可能解释为什么在多壁 的生长过程中内层的长度和外层的不同。另 外，在如此高温下，碳管沿径向和轴向同时生 长，所有的同轴碳管将瞬间形成，表明这种生 长更倾向于开口生长。
超声震荡2h后，在N2(压力200kPa)中磁力搅 拌下微孔过滤，大部分的金属纳米粒子和碳纳 米球都进人滤液而被除去，最后所得SWNTs 的纯度>90%。与此同时，Shelimov等发现 结合超声振荡技术和微量过滤方法，可将由激 光蒸发法制备出的SWNTs从含有无定形碳、 石墨多面体和金属催化剂微粒等杂质的产物中 有效地分离出来。在过滤过程中，超声技术的 引人可以防止过滤器受到污染，同时还可以保 持一个充分分散的碳纳米管与纳米颗粒共存的 悬浮液环境。由于起始原料的不同，这种方法 可以得到产率为30%~70%、纯度>90%的单 壁碳纳米管，由于超声. 展荡的切割作用，纯化
.
一般说来，碳源的选择不影响产物的性质，但是 对碳纳米管的成长速率有一定的影响。不同的碳 源，分解温度不同，因而热传导率也不同。另外， 在反应中加入一些生长促进剂(如硫、磷、唾吩等) 可以加速碳源的分解，有利于生成纳米管。 此外，载体法中随着碳源的分解，碳的浓度和压 强在载体孔隙中逐渐增大，达到一定浓度时，便开 始在催化剂颗粒上沉积成核，开始碳纳米管的生 长。所以与其它方法相比，载体催化热解法能充分 利用载体孔隙增大积碳压强而降低合成温度。
场对碳管的开口生长起稳定作用并诱导碳纳
米管生长。而Zhang等认为，电弧条件下的 CNTs生长是阴极上的场发射结构与等离子体
相互作用的结果。Satio等认为电场的静电引 力是碳纳米管生长的原因，在电场力作用
下，液态的小微粒呈椭圆形，并沿着电场作 .
用方向生长。
➲ 电弧法制备碳纳米管的生长机理 在观察电弧法制备的纳米管结构时发现，很 难用闭口模型生长机理来解释其结构的形成， 例如：闭口生长模型不可能解释为什么在多壁 的生长过程中内层的长度和外层的不同。另 外，在如此高温下，碳管沿径向和轴向同时生 长，所有的同轴碳管将瞬间形成，表明这种生 长更倾向于开口生长。
超声震荡2h后，在N2(压力200kPa)中磁力搅 拌下微孔过滤，大部分的金属纳米粒子和碳纳 米球都进人滤液而被除去，最后所得SWNTs 的纯度>90%。与此同时，Shelimov等发现 结合超声振荡技术和微量过滤方法，可将由激 光蒸发法制备出的SWNTs从含有无定形碳、 石墨多面体和金属催化剂微粒等杂质的产物中 有效地分离出来。在过滤过程中，超声技术的 引人可以防止过滤器受到污染，同时还可以保 持一个充分分散的碳纳米管与纳米颗粒共存的 悬浮液环境。由于起始原料的不同，这种方法 可以得到产率为30%~70%、纯度>90%的单 壁碳纳米管，由于超声. 展荡的切割作用，纯化
碳纳米管的制备与应用 ppt课件
墨电弧法制备纳米碳管装置图
12
3.1 电弧法
复合电极电弧催化
掺有过渡金属其氧化物（如Fe, Co, Ni, Mo等）的石墨为电极
优势： 产物为SWNTs 副产物少 纯度高
催化剂粉末
劣势：产物中掺有少 量催化剂
复合电极电弧催化制备纳米碳管装置图 1.冷却水 2.真空 3.氦气
ppt课件
13
10nm
单壁碳纳米管束
ppt课件 SCIENCE VOL. 273 26 JULY115 996
3.3.1 化学气相沉积法（CVD）
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
优势：产量大 生产方法简单 重复性高
11-160 0.38-1.55
3.6-3.8
断裂伸长率（%） 16 23.1
16.6-17.6
16-60 ~2
碳纳米管西装 ——防弹衣
ppt课件
7
2 碳纳米管的应用
在电磁学领域的应用
金纳米团簇-多壁 碳纳米管修饰电极
碳纳米管电 化学传感器
ppt课件
8
2 碳纳米管的应用
在催化剂材料领域的应用
在储氢材料领域领域的应用
chiral型SWNT5
1 碳纳米管的结构与特性
多壁碳纳米管 可视为“同轴多层碳圆柱体的组装体”– Russian doll 层间距~0.34 nm 多层碳圆柱体间由弱的Van de Waals力提供绑缚力
单壁碳纳米管 SWNTs
多壁碳纳米管 MWNTs
ppt课件
6
2 碳纳米管的应用
在力学领域的应用
12
3.1 电弧法
复合电极电弧催化
掺有过渡金属其氧化物（如Fe, Co, Ni, Mo等）的石墨为电极
优势： 产物为SWNTs 副产物少 纯度高
催化剂粉末
劣势：产物中掺有少 量催化剂
复合电极电弧催化制备纳米碳管装置图 1.冷却水 2.真空 3.氦气
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13
10nm
单壁碳纳米管束
ppt课件 SCIENCE VOL. 273 26 JULY115 996
3.3.1 化学气相沉积法（CVD）
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
优势：产量大 生产方法简单 重复性高
11-160 0.38-1.55
3.6-3.8
断裂伸长率（%） 16 23.1
16.6-17.6
16-60 ~2
碳纳米管西装 ——防弹衣
ppt课件
7
2 碳纳米管的应用
在电磁学领域的应用
金纳米团簇-多壁 碳纳米管修饰电极
碳纳米管电 化学传感器
ppt课件
8
2 碳纳米管的应用
在催化剂材料领域的应用
在储氢材料领域领域的应用
chiral型SWNT5
1 碳纳米管的结构与特性
多壁碳纳米管 可视为“同轴多层碳圆柱体的组装体”– Russian doll 层间距~0.34 nm 多层碳圆柱体间由弱的Van de Waals力提供绑缚力
单壁碳纳米管 SWNTs
多壁碳纳米管 MWNTs
ppt课件
6
2 碳纳米管的应用
在力学领域的应用
碳纳米管简介PPT课件
.
9
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
提纯后的SWNT
.
10
应用领域
AFM image
CNT电性能测试装置（左） 电性能测试结果（右）
.
5
➢ 热性能
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
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
.
15
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。
碳纳米管的结构PPT课件
第10页/共43页
★石墨层间化合物的功能与应用
石墨层间化合物的性质因嵌入物不同、阶数不同而不同，因而其 功能及应用是多方面的，主要可用于: 轻型高导电材料、电极材料、 新型催化剂、固体润滑剂、贮氢及同位素分离材料、防水防油剂等。
电极材料
石墨间隙化合物的电阻比石墨本身还低，在垂直方向降低了约10倍，沿石墨
碳纤维增强复合材料作结构材料, 可作飞机的尾翼或副翼, 通信卫星的天线系统和导波管、航天飞机的货舱门、燃料箱、 助推火箭的外壳。在建筑方面，可作碳纤维增强水泥地板，并 有取代钢筋的可能性。
作为非结构材料, 碳纤维复合材料可作密封材料、耐磨材料、 隔热材料、电极材料。
在原子能工程上用碳纤维－石墨复合材料作铀棒的幕墙材 料, 不仅可以防止铀棒的辐射变形, 使其对中子的吸收截面变小, 反射中子能力增强, 而且在光氧条件下能耐3000 ℃以上的高温。
碳纤维复合材料可作优质的化工容器、设备或零部件。 将碳纤维进行活化处理，得到活性碳纤维，是已知的比表 面积最大的物质之一(2500 m2·g－1)，被称为第3代活性炭，作为 新型吸附剂具有重要的应用前景。 在医学上，碳纤维增强型塑料是一种理想的人工心肺管道 材料，也可作人工关节、假第肢16、页/假共4牙3页等。
性能的优点(而一般的石墨存在润滑性能下降的缺陷)。这是由于氟化石墨的层面由C －F键构成，其表面能极小，容易滑动之故。
贮氢及同位素分离材料 钾、铷、铯等碱金属的石墨层间化合物在一定温度下能化学或物理吸附氢。如
C8K吸附氢生成C8KHx(0≤x≤2)，且离解温度及离解能低，吸附与解吸完全可逆，达 平衡的时间短，因而可作贮氢材料。更有趣的是这种吸附对氢、氖、氖有选择性， 因而可用于氢同位素分离，其H2－D2及H2－HT分离系数都高于硅酸盐系离子交换 体系。
★石墨层间化合物的功能与应用
石墨层间化合物的性质因嵌入物不同、阶数不同而不同，因而其 功能及应用是多方面的，主要可用于: 轻型高导电材料、电极材料、 新型催化剂、固体润滑剂、贮氢及同位素分离材料、防水防油剂等。
电极材料
石墨间隙化合物的电阻比石墨本身还低，在垂直方向降低了约10倍，沿石墨
碳纤维增强复合材料作结构材料, 可作飞机的尾翼或副翼, 通信卫星的天线系统和导波管、航天飞机的货舱门、燃料箱、 助推火箭的外壳。在建筑方面，可作碳纤维增强水泥地板，并 有取代钢筋的可能性。
作为非结构材料, 碳纤维复合材料可作密封材料、耐磨材料、 隔热材料、电极材料。
在原子能工程上用碳纤维－石墨复合材料作铀棒的幕墙材 料, 不仅可以防止铀棒的辐射变形, 使其对中子的吸收截面变小, 反射中子能力增强, 而且在光氧条件下能耐3000 ℃以上的高温。
碳纤维复合材料可作优质的化工容器、设备或零部件。 将碳纤维进行活化处理，得到活性碳纤维，是已知的比表 面积最大的物质之一(2500 m2·g－1)，被称为第3代活性炭，作为 新型吸附剂具有重要的应用前景。 在医学上，碳纤维增强型塑料是一种理想的人工心肺管道 材料，也可作人工关节、假第肢16、页/假共4牙3页等。
性能的优点(而一般的石墨存在润滑性能下降的缺陷)。这是由于氟化石墨的层面由C －F键构成，其表面能极小，容易滑动之故。
贮氢及同位素分离材料 钾、铷、铯等碱金属的石墨层间化合物在一定温度下能化学或物理吸附氢。如
C8K吸附氢生成C8KHx(0≤x≤2)，且离解温度及离解能低，吸附与解吸完全可逆，达 平衡的时间短，因而可作贮氢材料。更有趣的是这种吸附对氢、氖、氖有选择性， 因而可用于氢同位素分离，其H2－D2及H2－HT分离系数都高于硅酸盐系离子交换 体系。
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10
碳纳米管的生产方法简介
➢ 石墨电弧法 ➢浮动催化法 （即碳氢化合物催化分解法，又称CVD法） ➢激光蒸汽法 ➢燃烧火焰法
11
石墨电弧法：
基本原理： 电弧室充惰性气体保护，两石 墨棒电极靠近，拉起电弧，再 拉开，以保持电弧稳定。放电 过程中阳极温度相对阴极较高， 所以阳极石墨棒不断被消耗， 同时在石墨阴极上沉积出含有 碳纳米管的产物。
氢气为缓冲气 含硫化合物为生长促进剂 大阳极，阴极在其上方并 与其成一定角度 电极角度可控可半连续制 备
13
化学气相沉积法（CVD）
➢特点：
设备简单、条件易控、能大规模制备、可直接生长在合适的基底上
➢常用气体：
甲烷、一氧化碳、苯等
➢催化剂：
Fe、Co、Ni、Mo等以及它们的氧化物
14
激光蒸发法
影响因素： ➢催化剂 ➢保护压强（3.0x104一4.5 x 104 Pa） ➢气体（氦气、氩气） ➢激光脉冲时间间隔 （间隔越短， 产率越高） ➢激光脉冲功率（功率↑，直径↓）
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
7
其他异型
背景介绍
纳米管结构的表征：
扫描隧道显微镜 X射线衍射 孔结构及比表面积 电子衍射 拉曼光谱
8
背景介绍
碳纳米管的表征
碳纳米管的原始状态：团聚状态，束状
9
背景介绍
碳纳米管的表征
有机DMF（N，N-二甲基甲酰胺）中超声分散后碳纳米 管的SEM（左）与TEM（右）
碳纳米管按照石墨烯片的层数分类可分为：单壁碳纳米 管（SWNTs）和多壁碳纳米管（MWNTs），与多壁管相比， 单壁管是由单层圆柱型石墨层构成，其直径大小的分布范围 小，缺陷少，具有更高的均匀一致性。
单壁碳纳米管 直径为1-6 nm
5
多壁碳纳米管 直径nm → μm
按手性分：
通常依照n ，m 的相对关系，将单 壁碳纳米管分为 achiral 和 chiral 两个基本类型。
研究方向：石墨烯、碳纳米管手性控制与工程应用、 能量收集、转换与存储（太阳能电池、锂离子电池、 超级电容器等）、复合材料与异质结构
21
22
23
e) Picture of a CNT and a polymeric sponge placed in a water bath. The CNT sponge is floating on the top while the polyurethane sponge absorbed water and sank to below the surface level. f) A CNT sponge bent to arch-shape at a large-angle by finger tips. g) A 5.5cm1 cm0.18cm sponge twisted by three round turns at the ends without breaking. h) Densification of two cubic-shaped sponges into small pellets (a flat carpet and a spherical particle, respectively) and full recovery to original structure upon ethanol absorption.
18
南昌大学机电工程学院曾效舒教授 公司生产碳纳米管及石墨烯
19
清华化工系魏飞教授组
天奈公司(Cnano)：技术支持-清华化工系魏飞教授组 利用纳米聚团床反应器技术，成功设计出低成本、 大批量制备碳纳米管的工艺流程，目前已形成 日产360公斤、年产120吨、纯度高达80％以上的 多壁纳米管生产能力。
15
制备纳米碳管的其它方法：
1.微波等离子化学蒸发法 2.微孔模板法 3.太阳能法
16
国内碳纳米管批量制备情况
深圳纳米港有限公司: 成立于2001年,是国内最早从 事碳纳米管开发和生产的高科技企业。 在国际上首次成功实现碳纳米管的连续化批量产， 年产碳纳米管可达5－10吨，成为亚洲最大的碳纳 米管生产基地，产量居世界前列（2001年数据）。
碳纳米管(CNTs)制备及其应用
1
主要内容
T背景情况介绍及其制备 T自身理论及应用 T复合材料
2
碳纳米管(CNT)的发现
纳米碳管研究是富勒烯的继续.1991年，NEC公司 的S.Iijima在高分辨电子显微镜下观察采用电弧法 制备的富勒烯中发现了多壁纳米碳管(MWNT),直 径为4-30nm，长度为1um。
Achiral 型又分为zigzag （锯齿
型）和armchair（扶手椅型） 两
类。当n 和m 其中之一为0 时，为
zigzag 型；当n=m 时为armchair 型；其它所有情况都称为chiral 型( 手性管）。
Armchair (n,m)=(5,5)
6
Zigzag (n,业化结合
培养了二位百篇优博论文获得者：骞伟中，张强
20
清华机械工程系朱宏伟
清华大学机械工程系研究员、博导。已在Science、 Nano Letters、Advanced Materials、Small、 Applied Physics Letters等期刊上发表论文70余篇， 出版学术著作1部。目前主要从事纳米材料连续化、 纳米技术在能源/环保领域的应用研究。
理想的工艺条件：氦气为载气，气压 60—50Pa，电流 60A～100A，电压19V～25 V，电极间距1 mm～4mm， 产率50％。Iijima等生产出了半径约1 nm的单层碳管。
12
氦气保护石墨电弧法
氢气保护石墨电弧法
阳极-面积较小的石墨棒（石墨粉 和催化剂组成）
阴极-面积较大的石墨棒
氢电弧法优点:
技术支持：中科院成都有机所于作龙研究小组（催 化）
17
中科时代纳米公司
中科时代纳米公司（中科院成都有机所）产品： 单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管、 工业级多壁碳纳米管
石墨烯、碳纳米管分散液及浆料、碳纳米管填料、 碳纳米管功能母粒、碳纳米管环氧复合物
高纯度（>90wt%）单壁碳纳米管的生产能力已达到100kg/a， 多壁碳纳米管（直径:20-30nm,纯度:>95%）的生产能力已达 到30T/a。
1993年发现单壁碳纳米管(SWNT),直径0.4nm4nm，长度可达几微米
饭岛和 他的碳 纳米管
Nature 354, 56 - 58 (1991)
3 http://nec.co.jp
背景介绍
图a 图c
图b
图a，b分别是多壁，单壁碳 纳米管示意图，图c是碳纳米 管的放大电镜图
4
背景介绍
碳纳米管分类：
碳纳米管的生产方法简介
➢ 石墨电弧法 ➢浮动催化法 （即碳氢化合物催化分解法，又称CVD法） ➢激光蒸汽法 ➢燃烧火焰法
11
石墨电弧法：
基本原理： 电弧室充惰性气体保护，两石 墨棒电极靠近，拉起电弧，再 拉开，以保持电弧稳定。放电 过程中阳极温度相对阴极较高， 所以阳极石墨棒不断被消耗， 同时在石墨阴极上沉积出含有 碳纳米管的产物。
氢气为缓冲气 含硫化合物为生长促进剂 大阳极，阴极在其上方并 与其成一定角度 电极角度可控可半连续制 备
13
化学气相沉积法（CVD）
➢特点：
设备简单、条件易控、能大规模制备、可直接生长在合适的基底上
➢常用气体：
甲烷、一氧化碳、苯等
➢催化剂：
Fe、Co、Ni、Mo等以及它们的氧化物
14
激光蒸发法
影响因素： ➢催化剂 ➢保护压强（3.0x104一4.5 x 104 Pa） ➢气体（氦气、氩气） ➢激光脉冲时间间隔 （间隔越短， 产率越高） ➢激光脉冲功率（功率↑，直径↓）
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
7
其他异型
背景介绍
纳米管结构的表征：
扫描隧道显微镜 X射线衍射 孔结构及比表面积 电子衍射 拉曼光谱
8
背景介绍
碳纳米管的表征
碳纳米管的原始状态：团聚状态，束状
9
背景介绍
碳纳米管的表征
有机DMF（N，N-二甲基甲酰胺）中超声分散后碳纳米 管的SEM（左）与TEM（右）
碳纳米管按照石墨烯片的层数分类可分为：单壁碳纳米 管（SWNTs）和多壁碳纳米管（MWNTs），与多壁管相比， 单壁管是由单层圆柱型石墨层构成，其直径大小的分布范围 小，缺陷少，具有更高的均匀一致性。
单壁碳纳米管 直径为1-6 nm
5
多壁碳纳米管 直径nm → μm
按手性分：
通常依照n ，m 的相对关系，将单 壁碳纳米管分为 achiral 和 chiral 两个基本类型。
研究方向：石墨烯、碳纳米管手性控制与工程应用、 能量收集、转换与存储（太阳能电池、锂离子电池、 超级电容器等）、复合材料与异质结构
21
22
23
e) Picture of a CNT and a polymeric sponge placed in a water bath. The CNT sponge is floating on the top while the polyurethane sponge absorbed water and sank to below the surface level. f) A CNT sponge bent to arch-shape at a large-angle by finger tips. g) A 5.5cm1 cm0.18cm sponge twisted by three round turns at the ends without breaking. h) Densification of two cubic-shaped sponges into small pellets (a flat carpet and a spherical particle, respectively) and full recovery to original structure upon ethanol absorption.
18
南昌大学机电工程学院曾效舒教授 公司生产碳纳米管及石墨烯
19
清华化工系魏飞教授组
天奈公司(Cnano)：技术支持-清华化工系魏飞教授组 利用纳米聚团床反应器技术，成功设计出低成本、 大批量制备碳纳米管的工艺流程，目前已形成 日产360公斤、年产120吨、纯度高达80％以上的 多壁纳米管生产能力。
15
制备纳米碳管的其它方法：
1.微波等离子化学蒸发法 2.微孔模板法 3.太阳能法
16
国内碳纳米管批量制备情况
深圳纳米港有限公司: 成立于2001年,是国内最早从 事碳纳米管开发和生产的高科技企业。 在国际上首次成功实现碳纳米管的连续化批量产， 年产碳纳米管可达5－10吨，成为亚洲最大的碳纳 米管生产基地，产量居世界前列（2001年数据）。
碳纳米管(CNTs)制备及其应用
1
主要内容
T背景情况介绍及其制备 T自身理论及应用 T复合材料
2
碳纳米管(CNT)的发现
纳米碳管研究是富勒烯的继续.1991年，NEC公司 的S.Iijima在高分辨电子显微镜下观察采用电弧法 制备的富勒烯中发现了多壁纳米碳管(MWNT),直 径为4-30nm，长度为1um。
Achiral 型又分为zigzag （锯齿
型）和armchair（扶手椅型） 两
类。当n 和m 其中之一为0 时，为
zigzag 型；当n=m 时为armchair 型；其它所有情况都称为chiral 型( 手性管）。
Armchair (n,m)=(5,5)
6
Zigzag (n,业化结合
培养了二位百篇优博论文获得者：骞伟中，张强
20
清华机械工程系朱宏伟
清华大学机械工程系研究员、博导。已在Science、 Nano Letters、Advanced Materials、Small、 Applied Physics Letters等期刊上发表论文70余篇， 出版学术著作1部。目前主要从事纳米材料连续化、 纳米技术在能源/环保领域的应用研究。
理想的工艺条件：氦气为载气，气压 60—50Pa，电流 60A～100A，电压19V～25 V，电极间距1 mm～4mm， 产率50％。Iijima等生产出了半径约1 nm的单层碳管。
12
氦气保护石墨电弧法
氢气保护石墨电弧法
阳极-面积较小的石墨棒（石墨粉 和催化剂组成）
阴极-面积较大的石墨棒
氢电弧法优点:
技术支持：中科院成都有机所于作龙研究小组（催 化）
17
中科时代纳米公司
中科时代纳米公司（中科院成都有机所）产品： 单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管、 工业级多壁碳纳米管
石墨烯、碳纳米管分散液及浆料、碳纳米管填料、 碳纳米管功能母粒、碳纳米管环氧复合物
高纯度（>90wt%）单壁碳纳米管的生产能力已达到100kg/a， 多壁碳纳米管（直径:20-30nm,纯度:>95%）的生产能力已达 到30T/a。
1993年发现单壁碳纳米管(SWNT),直径0.4nm4nm，长度可达几微米
饭岛和 他的碳 纳米管
Nature 354, 56 - 58 (1991)
3 http://nec.co.jp
背景介绍
图a 图c
图b
图a，b分别是多壁，单壁碳 纳米管示意图，图c是碳纳米 管的放大电镜图
4
背景介绍
碳纳米管分类：