综述：碳纳米管材料的发展、性能与应用”

大连东软信息学院电子工程系《微电子发展前沿技术》期末大作业

项目一二三四总分

分数

综述：碳纳米管材料的发展、性能与应用

姓名刘胜

班级微电子11001班

学号11160600113

专业电子信息工程（微电子制造方向）

2014年5月18日

目录

第1章前言 (1)

1.1碳纳米管简介 (1)

1.2碳纳米管的发展 (1)

1.3碳纳米管现状 (3)

第2章碳纳米管的优秀性能 (4)

2.1电学性能 (4)

2.2力学性能 (4)

2.3热学性能 (4)

2.4复合材料性能 (4)

第3章碳纳米管的应用及前景 (5)

3.1碳纳米管的应用 (5)

3.2碳纳米管的前景 (6)

参考文献 (8)

第1章前言

1.1碳纳米管简介

碳纳米管,是一种具有特殊结构( 径向尺寸为纳米量级, 轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口) 的一维量子材料, 可看作是由片层结构的石墨卷成的无缝中空的纳米级同轴圆柱体, 两端由富勒烯半球封帽而成。按片层石墨层数分类, 可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。单壁碳纳米管可看成是由单层片状石墨卷曲而成, 而多壁碳纳米管可理解为不同直径的单壁碳纳米管套装而成, 层与层之间距离约0.3 4 n m 。碳纳米管因其小尺寸效应和独特的分子结构，具有优异的物理化学性能。一维分子材料和六边形完美连接结构使碳纳米管具有质量轻、强度高的特点；较大长径比及sp2、sp3杂化几率不同使碳纳米管具有优良的弹性；直径、螺旋角以及层间作用力等存在的差异使碳纳米管兼具导体和半导体的特性；独特的螺旋状分子结构使碳纳米管构筑的吸波材料具有比一般吸收材料高得多的吸收率。

碳纳米管具有最简单的化学组成及原子结合形态, 却展现了最丰富多彩的结构以及与之相关的物理、化学性能。由于它可看成是片状石墨卷成的圆筒, 因此必然具有石墨优良的本征特性, 如耐热、耐腐蚀、耐热冲击、传热和导电性好、有自润滑性和生体相容性等一系列综合性能。但纳米碳管的尺度、结构、碳原子相结合又赋予了碳纳米管极为独而有广阔应用前景的性能。

1.2碳纳米管的发展

1991年日本NEC公司基础研究实验室的科学家饭岛澄男(Iijima)在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子,这就是现在被称作的“Carbon nanotube”，即碳纳米管,又名巴基管。是一种外径为515nm、内径213nm、仅由两层同轴类石墨圆柱面叠合而成的碳结构。进一步的分析表明，这种管完全由碳原子构成，并看成是由单层石墨六角网面以其上某一方向为轴，卷曲360°而形成的无缝中空管。相邻管子之间的距离约为0.34nm，与石墨中碳原子层与层之间的距离0.335nm相近[1]，所以这种结构一般被称为碳纳米管，这是继C60之后发现的碳的又一同素异形体，是碳团簇领域的又一重大科研成果。

1993年，S.Iijima等和DS.Bethune等同时报道了采用电弧法，在石墨电极中添加一定的催化剂，可以得到仅仅具有一层管壁的碳纳米管，即单壁碳纳米管产物[2]。

1997年，AC.Dillon等报道了单壁碳纳米管的中空管可储存和稳定氢分子，引起广泛的关注。相关的实验研究和理论计算也相继展开。初步结果表明：碳纳米管自身重量轻，具有中空的结构，可以作为储存氢气的优良容器，储存的氢气密度甚至比液态或固态氢气的密度还高。适当加热，氢气就可以慢慢释放出来。研究人员正在试图用碳纳米管制作轻便的可携带式的储氢容器。据推测，单壁碳纳米管的储氢量可达10%（质量比）。此外，碳纳米管还可以用来储存甲烷等其他气体[2]。

2002年，美国、英国、法国和墨西哥等国的研究人员发现单层碳纳米管可在光照下自燃的特性，据认为将会在遥控爆破等领域有用武之地。科学家们说，利用这一特性，将来也许可以制造出新型的光感应点火或触发装置。

2003年，日本信州大学和三井物产下属的CNRI子公司研制成功了直径只有0.4纳米的他纳米管，这标志碳纳米管达到超细程度。

2003年，墨西哥科研人员从墨西哥东南部油田提取的多份原油样品中发现了碳纳米管。这是世界上首次在原油中发现天然碳纳米管。

2007年，日本首次开发出在大面积金属板上直接合成大量单层碳纳米管的技术。其特点是利用了被称为“Super Growth法”的单层碳纳米管合成技术。

2008年，美国科学家的一项最新研究，定量测定了单壁碳纳米管(SWCNT)的电学性质。他们发现，单壁碳纳米管中每32个碳原子就能够捕获并存储一个电子，而且很容易实现受控放电。这一发现有助于科学家按照需求设计出作为电容器的碳纳米管，并提高电子设备和太阳能电池的光电和电气化学性能。

2008年，美国和巴西科学家的一项最新研究发现，碳纳米管薄层(也称巴克纸)却能够在拉伸和均匀压缩时，长度和宽度同时增加。也就是说这种材料具有负的泊松比。

2010年，浙江大学和美国加利福尼亚大学科研人员成功合成世界上最小碳纳米管结构的富勒烯C90。

2010年，美国耶鲁大学的工程师们发现，碳纳米管的缺口可促使T细胞抗原在血液中凝聚，并激发人体自身的免疫反应，从而改进目前常用的继承性免疫疗法。

2012年，碳纳米管应用在生物传感器上，使原型生物传感器的速度几乎增加两倍[3]。

2013浙大研究出世界最轻固体材料碳纳米管纤维材料，斯坦福的研究团队发现碳纳米管或将成为硅芯片的替代材料，日本研究显示近红外线照射碳纳米管可杀死癌细胞[3]。

2014年美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员开发出一种均匀的多壁碳纳米管为基础的涂料，可降低常用的泡沫内饰的易燃性。清华大学成功研制出高性能碳

纳米管导线[3]。

1.3 碳纳米管现状

目前，各国在实验上对碳纳米管的研究方兴未艾，并都取得了一定的成就，美国发明了纳米秤，日本制成了铂填充的碳纳米管，德国制备出直径为lnm的碳纳米管。我国个别研究成果虽然走在了世界最前沿，如合成出世界最长的碳纳米管、高质量碳纳米管储氢的研究等，但在纳米科技领域的总体水平与美日欧相比，差距还很大。

现在各国主要面临以下两个共同问题，使得碳纳米管不能真正得到工业应用。如何实现高质量碳纳米管的连续批量工业化生产。碳纳米管制备现状大致是：多壁碳纳米管能较大量生产，单壁碳纳米管多数处于实验室研制阶段，某些制备方法得到的碳纳米管生长机理还不明确，对碳纳米管的结构(管径、管长、螺旋度、壁厚、管表面石墨碳的结晶度等)还不能做到任意调节和控制，影响碳纳米管的产量、质量及产率的因素太多(如催化剂颗粒的大小、碳源的种类、温度、混合气体的种类及比例等)，使制得的碳纳米管都存在杂质高、产率低等缺点，还没有高效的纯化碳纳米管的方法。如何更深入研究碳纳米管实际应用问题。例如，在常温常压下如何解析氢气及加快其储氢放氢速度。如何提高碳纳米管吸附容量的稳定性和吸附压力的敏感性。再如，怎样才能制备出性能更为优异或能预期其性能的碳纳米管复合材料。要解决这些共同难题，就需要研究人员们一方面突破技术关键，进一步研究开发新的、成本低廉、适合于大规模生产碳纳米管的技术，通过建模和模拟来加强生长现象与机理研究，另一方面继续深入研究其应用，把碳纳米管与各个领域结合起来，充分发挥其自身优异的特性。