低维材料

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碳纳米管复合材料
可以与金属，无机陶瓷材料，有机 高聚物复合，应用广泛
结构复合材料：碳纳米管复合材料基于 纳米碳管的优良力学性能可将其作为结 构复合材料的增强剂。 研究表明，与无机复合明显提高韧性， 有机聚合物复合提高强 度。环氧树脂和 纳米管之间可形成数百MPa 的界面强度 。 功能复合材料：基于碳纳米管优良的导 电，导热，吸波，介电，储氢功能
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
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↓）
碳纳米管性质
碳纳米管具有优异的 力学性能，高强度，韧性，伸长率，低密度，理想的增强体 热学性能，理论导热率达6600k/（Km）实验达3000 电学性能，近金属的电导率，可以做为半导体材料 磁学性能，吸波性能显著，频带宽 储氢性能，碳纳米管的中空结构，理论储氢量可达10％（重量比）
氢气保护石墨电弧法
氦气保护石墨电弧法
氢电弧法优点:


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
背景介绍
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
碳纳米管结构和性质应用
碳纳米管
碳纳米管的发现
1991年，日本NEC公司基础研究实验室的电 子显镜专家Iijima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。
碳纳米管分为单壁碳纳米管(SWNT)和多壁碳纳米管两类(MWNT)
SWNT
单壁碳纳米管single wall nanotube 一层碳原子构成管 直径在几个nm范围

SWNT
STM照片 TEM照片
结 构
MWNT
多壁碳纳米管 multiwalled nanotube
可视为“同轴多层碳圆柱体的组装体”– Russian doll 层间距~0.34 nm (石墨片层间距0.335 nm)
激光蒸汽法
燃烧火焰法 微波等离子化学蒸发法 微孔模板法 太阳能法
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。 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。
由石墨烯片层构造纳米碳管的示意图
碳纳米管分类：
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
多壁碳纳米管
直径nm → μm
碳纳米管-碳纤维-树酯航空航天复合材料结构体系
碳纳米管性质




碳原子采取SP2杂化，相比SP3杂化，SP2杂化中S轨道成分比较大，使 碳纳米管具有高模量、高强度。 CNTs抗拉强度达到50～200GPa,是钢的100倍,密度却只有钢的1/6， 至少比常规石墨纤维高一个数量级； 它的弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍 密度则只有1．3 g~1.8g／cm3，比碳纤维还低。 碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，可以拉伸10%15%左右。 研究人员曾将碳纳米管置于1011 MPa的水压下(相当于水下10000米 深的压强)，碳纳米管被压扁。撤去压力后，碳纳米管像弹簧一样立即 恢复了形状，表现出良好的韧性。这启示人们可以利用碳纳米管制造 轻薄的弹簧，用在汽车、火车上作为减震装置，能够大大减轻重量 长径比一般在1000:1以上，强度高，是理想的高强度纤维材料 碳纳米管的熔点是目前已知材料中最高（预计3652-3697℃ ）。
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)
Zigzag (n,m)=(9,0)
碳纳米管的表征
碳纳米管的原始状态：束状 团聚状态，束状
ห้องสมุดไป่ตู้
CNTS
碳纳米管的生产方法简介：
石墨电弧法 碳氢化合物催化分解法，又称CVD法
多层碳圆柱体间由弱的Van de Waals力提供绑缚力
MWNT
不同管壁数目的纳米碳管的高分辨电镜照片 （从左至右管壁数目分别为一至五）
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 （非手性）和chiral （手 性） 两个基本类型。 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；
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碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域π键，由于共轭效应显著，碳 纳米管具有一些特殊的电学性质。 理论预测当CNTs的管径大于6nm时，导电性能下降；当管径小于6nm时， CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。导电性能取决于其 管径和管壁的螺旋角。 碳纳米管具有良好的传热性能，CNTs具有非常大的长径比，因而其沿着 长度方向的热交换性能很高，相对的其垂直方向的热交换性能较低，通过 合适的取向，碳纳米管可以合成高各向异性的热传导材料。理论热导率很 高，达6600W/（m.K）