碳材料工艺学第七讲碳纳米管

Max. Tensile Strength
~30 GPa
~2000 W/m·K (max) 10 Gpa 25 MPa
Application
Nanodevices
EMI
FED tip, SPM tip Capacitor, battery, H storage
Strengthen ing
2 碳纳米管的制备
米管的化学切割开始的。1994年，Green等人发现， 利用强酸对碳纳米管进行化学切割，可以得到开口 （opening）的碳纳米管。在随后的研究中，Green 等人及Ebbesen等人发现，开口的碳纳米管的顶端含 有一定数量的活性基团，如羟基、羧基等，并预言 可以利用这些活性基团对碳纳米管进行有机化学修 饰。
碳纳米管的特性
2.电学性能
碳纳米管电学性质与它的结构相关,受量子物理影响, 随网格构型和直径的不同,其导电性可呈现金属、半 金属或半导体性，因而碳纳米管的传导性可通过改 变管中网络结构和直径来变化。另外，还可通过掺 杂进一步改变其导电特性。
CNT磁学特性 平行于管的轴向加一磁场时 ，具有金属导电
制备CNT的研究动态
▲ 1991年Iijima首先发 现的 MWNTs的直径约为 2nm
▲1992年P.M.Ajayan和 Iijima发现最小SWNTs的 直径约为0.7nm
▲2000年解思深发现了 一个可能与Ｃ36相关的直 径为0.5nm的MWNTs
▲2000年10月9 《Phys.Rev.Letts》报道 直径为0.33nm的SWNTs
性的CNT表现出Aharonov Bohm效应(简称AB 效应) 。
CNT光学特性 频率在168cm-1左右的强振动模与直径密切相
关。
Properties Density
Nanotube ~ 2.0 g/m3
Graphite 2.26 g/m3
Electronic Property
Metal / Semiconductor Semimetal
碳纳米管
Carbon nanotube
一、碳纳米管简介 二、碳纳米管结构及性能 三、碳纳米管的制备 四、碳纳米管的化学修饰 五、应用
碳纳米管的发现
碳纳米管是由类似石墨结构 的六边形网格卷绕而成的、 同轴中空“微管”,两端的 “碳帽”由五边形或七边形 网格参与封闭,根据石墨片层 数的不同,碳纳米管可分为单 壁管和多壁管两种。
碳纳米管的结构
碳纳米管的特性
理论证明CNTs具有极高的强度和极大的韧 性;CNTs的抗拉强度为钢的100倍,碳纤维的近 20倍,而密度只为钢的1/6~1/7,并具有很好的 柔韧性.实验测得MWNTs的杨氏模量的平均 值为1.8TPa,弯曲强度为14.2GPa.
◆CNTs的特性
CNT力学性能
100-700 m2/g
3.35 Å Basal // : 10-4-10-5 Ω cm Basal : 1 Ω cm -
< 100
< 10 m2/g
Thermal Conductivity
1800-6000 W/m·K
Elastic Properties
Young’s Modulus ~1 TPa
Oxygen molecules (green) adsorbed on carbon nanotubes cause changes in electronic properties
碳纳米管的有机化学修饰
2.碳纳米管的有机非共价化学修饰 碳纳米管的侧壁由片层结构的石墨组成，碳
原子的sp2杂化形成高度离域化π电子。这些 π电子可以被用来与含有π电子的其它化合物 通过π-π非共价键作用相结合，得到功能化的 碳纳米管。这种有机修饰方法不会对碳纳米 管本身的结构造成破坏，从而可以得到结构 保持的功能性碳纳米管。
1. 电弧法 2. 催化法(CVD) 3.等离子体法和激光法 4. 其它制备方法 (1)增强等离子热流体化学蒸汽分解沉积法 (2)固体酸催化裂解法
碳纳米管的制备
电弧放电法可以生产结构比较完整的单壁管和多壁 管,其缺点主要是生产的碳纳米管无序、易缠结、纯 度低,产率也仅有30%左右。激光蒸发法主要生产单 壁管,产率达到70%,但是其制备费用非常昂贵。化 学气相沉积法通常只制备多壁管,具有生产设备简单、 生长速度快、产率高、成本低等优点,适合于规模化 生产。近年来,碳纳米管的制备技术取得了较大的进 展和突破,主要表现为:(1)碳纳米管的批量生产;(2)全 新的制备技术;(3)特殊结构和性能的碳纳米管的制备。
1. 电弧法
CNT growth on Si
Fe 50nm (deposition) C2H2 (30 sccm), 900 oC, 20min growth
Vertically aligned carbon nanotubes
High density Uniform diameter & height
900 oC, NH3 60sccm/6min, NH3+C2H2 mixture, 10min
Carbon nanotubes with a filling
碳纳米管的有机化学修饰
1. 碳纳米管的有机共价功能化 2. 碳纳米管的有机非共价化学修饰
碳纳米管的有机化学修饰
1.碳纳米管的有机共价功能化 碳纳米管的有机共价功能化的研究最初是从碳 纳
碳纳米管的基本网络和石墨烯一样,是由自然界最强的价键 之一 sp2形成的c=c共价键组成.
• 理论计算 抗拉强度为钢的100倍 碳纤维的近20倍
• 试验结果 电弧法: 杨氏模量270 ~ 950 Gpa 拉伸强度: 11 ~ 63 Gpa CVD法:杨氏模量0.45 ± 0.23 Tpa 拉伸强度为1.7ayer Spacing
Electrical Properties
Resistivity
Max. current density
3.38~3.41 Å 10-4~10-5 Ω cm 1013 A/m2
Structural Properties
Aspect Ratio
> 10,000
Surface Area