纳米材料文献综述word版本

北京化工大学北方学院

NORTH COLLEGE OF BEIJING UNIVERSITY OF

CHEMICAL TECHNOLOGY

碳纳米管的性质与应用

姓名：赵开

专业：应用化学

班级： 0804

学号： 080105097

2011年05月

文献综述

前言

本人论题为《碳纳米管的性质与应用》。碳纳米管是一维碳基纳米材料，其径向尺寸为纳米级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口。碳纳米管具有尺寸小、机械强度高、比表面大、电导率高、界面效应强等力学，电磁学特点。近年来，碳纳米管在力学、电磁学、医学等方面得到了广泛应用。

本文根据众多学者对碳纳米管的研究成果，借鉴他们的成功经验，就碳纳米管的性质及其功能等方面结合最新碳纳米管的应用做一些简要介绍。本文主要查阅近几年关于碳纳米管相关研究的文献期刊。

碳纳米管（CNT）是碳的同素异形体之一，是由六元碳环构成的类石墨平面卷曲而成的纳米级中空管，其中每个碳原子通过SP2杂化与周围3个碳原子发生完全键合。碳纳米管是由一层或多层石墨按照一定方式卷曲而成的具有管状结构的纳米材料。由单层石墨平面卷曲形成单壁碳纳米管（SWNT），多层石墨平面卷曲形成多壁碳纳米管（MWNT）。自从1991年日本科学家lijima发现碳纳米管以来，其以优异的力学、热学以及光电特性受到了化学、物理、生物、医学、材料等多个领域研究者的广关注。

一、碳纳米管的性质

碳纳米管的分类

研究碳纳米管的性质首先要对其进行分类。（1）按照石墨层数分类，碳纳米管可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。（2）按照手性分类，碳纳米管可分为手性管和非手性管。其中非手性管又可分为扶手椅型管和锯齿型管。（3）按照导电性能分类，碳纳米管可分为导体管和半导体管。

碳纳米管的力学性能

碳纳米管无缝管状结构和管身良好的石墨化程度赋予了碳纳米管优异的力学性能。其拉伸强度是钢的100倍，而质量只有钢的1/ 6，并且延伸率可达到20 %，其长度和直径之比可达100～1000，远远超出一般材料的长径比，因而被称为“超强纤维”。碳纳米管具有如此优良的力学性能是一种绝好的纤维材料。它具有碳纤维的固有性质，强度及韧性均远优于其他纤维材料[1]。单壁碳纳米管的杨氏模量在1012Pa范围内，在轴向施加压力或弯曲碳纳米管时，当外力大于欧拉强度极限或弯曲强度，它不会断裂而是先发生大角度弯曲然后打卷形成麻花状物体，但是当外力释放后碳纳米管仍可以恢复原状。

碳纳米管的电磁性能

在纳米碳管内，由于电子的量子限域，电子只能在石墨片中沿着纳米碳管的轴向运动，因此纳米碳管表现出独特的电学性能。它既可以表现出金属的电学性能又可以表现出半导体的电学性能。碳纳米管具有独特的导电性、很高的热稳定性和本征迁移率，比表面积大，微孔集中在一定范围内，满足理想的超级电容器电极材料的要求[2]。此外，碳纳米管还可以用作锂离子电池的材料。碳纳米管的磁化率比石墨、富勒烯、活性炭、碳黑等其它材料要高。由于碳纳米管的尖端具有纳米尺度的曲率，在相对比较低的电压下就能够发射大量的电子，因此碳纳米管材料能够呈现出良好的场致发射特性，很适合用作各种场致发射器件的阴极。碳纳米管的光学性能

研究碳纳米管的发光性质从其发光位置着手研究。单壁纳米碳管的发光是从支撑纳米碳管的金针顶附近发射的，并且发光强度随发射电流的增大而增强；多壁纳米碳管的发光位置主要限制在面对着电极的薄膜部分，发光位置是非均匀的，发光强度也是随着发射电流的增大而增强。碳纳米管的发光是由电子在与场发射有关的两个能级上的跃迁而导致的。研究表明单壁纳米碳管的光吸收随压力的增大而减弱，其原因在于压力的变化会导致纳米碳管对称性的改变。

碳纳米管的敏感性能

碳纳米管对多种气体有敏感性能[3]，如碳纳米管对氧气极为敏感，这是电子在氧原子和碳纳米管之间的转移所造成的结果。在室温下，放置在氧气中的半导体性碳纳米管会转化成金属性的。碳纳米管在吸附氧原子后电阻会下降15%。如果把半导体性的单壁碳纳米管放置在含二氧化氮或氨气中，很快碳纳米管的电阻变化可达3个数量级。其吸附二氧化氮后，使其电阻下降，吸附氨气后导致其电阻增大。这是由于空穴是碳纳米管中的主要载流子，吸附二氧化氮会引起费米能级下移从而靠近价带，吸附氮气会引起费米能级上移从而靠近导带。

碳纳米管的催化性能

在催化研究方面，碳纳米管已被用于分散和稳定纳米级的金属小颗粒。由碳纳米管制得的催化剂可以改善多相催化的选择性。如果直接用碳纳米管做催化剂可明显转换率。此外，利用碳纳米管的管状腔进行管道有机合成，在生物化学以及制药化学领域有重要意义。

碳纳米管的其他性能

碳纳米管还具有超导性能，研究发现单壁碳纳米管的电导率随外磁场的变化

而改变，这说明管内电子的自旋与外磁场之间有较强的相互作用，因此由外界改变单壁碳纳米管内的磁序列是可能的。有学者研究表明，纳米碳管在低温区表现出超导性能并且有很高的临界超导电流。纳米碳管的超导性能研究为热敏电阻辐射器件的研制和开发提供了条件。碳纳米管具有很好的热稳定性，在真空状态高温下保持稳定。碳纳米管具有良好的导热性，它的导热性是金刚石的两倍。

由上述可知，正是因为碳纳米管具有力学、电学、磁学、热学以及物理、化学等方面独特的性能，使得其在诸多领域都有着广泛的应用。探索和研究碳纳米管的应用已成为当务之急，具有重大的实用价值。

二、碳纳米管的应用

碳纳米管在力学领域的应用

碳纳米管具有十分优良的力学性能，具有异常高的扬氏模量，同时还具有极高的韧性，被认为是未来的“超级纤维”。基于碳纳米管的优良力学性能可以将其作为结构复合材料的增强剂。例如，碳纤维增强复合材料在航空航天等高技术领域早已得到广泛的应用，但碳纤维韧性不高的弱点也带来了很多制约。[4]如果用碳纳米管取代碳纤维而成为复合材料的优异的增强剂，可以大大增强纤维的韧性。另外，碳纳米管可以承受重击，所以它是很好的装甲和防弹衣的材料。碳纳米管还可以用于场发射、微电极和SPM探针显微镜的针尖等。在纳米机械方面，已经研制出可称量单个病毒质量的“纳米秤”。纳米秤与悬挂的钟摆很相似，通过测量振动频率便可以测出粘结在悬臂梁一端的颗粒的质量。利用这个原理可以测量出粘结在碳纳米管自由端顶部的微小质量。

碳纳米管在电磁学领域的应用

碳纳米管具有良好的导电性，是一种可用于制备修饰电极和电化学传感器的优良材料。将碳纳米管对传统电极进行修饰可以降低氧化过电势，增加峰电流，从而改善分析性能，提高方法选择性和灵敏度。[5]因此，碳纳米管作为修饰电极材料已广泛应用于分析化学领域。由于碳纳米管的尖端具有纳米尺度的曲率在相对比较低的电压下就能够发射大量的电子，因此碳纳米管材料能够呈现出良好的场致发射特性，非常适合于用作各种场致发射器件的阴极。利用碳纳米管的场致电子发射性能可用于制作平面显示装置，使之更薄、更省电，从而取代笨重和低效的电视和计算机显示器。碳纳米管的优异场发射性能还可使其应用于微波放大器、真空电源开关和制版技术上。由于碳纳米管是理想的一维量子导线，其独特