碳纳米管及其在未来材料领域中的潜在应用

碳纳米管及其在未来材料领域中的潜在应用

徐新宇王一杰陈锟段昊泓

北京大学化学与分子工程学院05级

摘要：碳纳米管自发现以来，由于其独特的结构特征，使其具有独特的物理、化学性质和广泛的应用前景。本文首先简述碳纳米管的发现和发展历史，碳纳米管的结构和制备，然后阐述单壁碳纳米管的物理、化学性能和及其应用的最新进展，并且初步探讨了碳纳米管在电磁学方面的潜在应用前景。

关键词：碳纳米管，结构，单壁碳纳米管，应用，微型发电机

1．引言

继C60在1985年被Smalley等人发现[1]及1990年实现批量制备以来[2],对C60的结构和各方面性能的研究也逐渐开展起来。正是基于对C60的研究工作的深入展开，在1991年，日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家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[3],这就是现在被称作的“Carbon nanotube”, 中文译名为“碳纳米管”。

2．碳纳米管的结构

碳纳米管是富勒碳家族的一个重要成员，是晶体碳的另一种同素异形体。从富勒碳、碳纳米管到石墨，再到金刚石，晶形碳的结构日趋完美（从零维到三维）。在碳纳米管被发现之前，在晶形碳的同素异形体中，石墨是二维的（面），金刚石是三维的（体），C60是零维的（点），如图所示。人们自然会联想到，是不是还存在一维的晶形碳结构呢？自1991年Iijima发现了碳纳米管后，这个问题最终有了答案[4]。

图 1 富勒碳图2 碳纳米管

图3 石墨图4 金刚石

2．1 一维纳米线

顾名思义，碳纳米管的直径必然在纳米级。一般单壁碳纳米管的直径在0.4—2nm，多壁碳纳米管的直径也不超过50nm，长度则可达数微米至数毫米，因而具有很大的长径比，是准一维的量子线[5]。

2．2碳纳米管的微观结构

碳纳米管可看作是由石墨烯层片卷成、直径为纳米尺度的圆桶，其两端由富勒烯半球封帽而成[6]。另一方面，碳纳米管可以想象为由C60或其他富勒碳分子拉长而成，封口的碳纳米管两端都是半笼形结构，为相应富勒碳球形分子的一半[4]。

2．2．1 多壁、中空与螺旋特征[4]

碳纳米管具有典型的层状中空结构特征。构成碳纳米管的层片之间存在一定的夹角。采用拓扑学方法将管展开平铺，显示出其螺旋特征，这与普通晶体的螺旋生长特征相吻合。

2．2．2 六边形碳环结构与多边形管状特征

碳纳米管的管身是准圆管结构，并且大多数由五边形截面所组成。管身由六边形碳环微结构单元组成。

2．2．3端帽部分

由含五边形的碳环组成的多边形结构，或者称为多边锥形多壁结构。

3．碳纳米管的分类[4]

3．1 按形态分类

碳纳米管形态各异。根据Osawa等人所绘制的碳纳米管形态图[7]，可以将碳纳米管分为普通封口型、变径型、洋葱型、海胆型等多种形态。

3．2 按层数分类

按碳纳米管的层数分类，碳纳米管可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。3．3 其他分类标准

还可以按手性分类，按定向性分类，按导电性分类。

4．单壁碳纳米管的制备[8]

4．1 电弧法

这是制备单壁碳纳米管的传统方法。在真空室中充入一定量的惰性气体，用填充有铁或钴作为催化剂的较细的石墨棒作为阳极，而较粗的石墨棒作为阴极。通过石墨电弧法进行反应，在容器内壁上得到富含单壁碳纳米管的碳灰，经提纯，可以得到单壁碳纳米管。

图5 石墨电弧法工艺装置

4．2 激光蒸发法

激光蒸发法是在高温电阻炉中，由激光束蒸发石墨靶，采用钴及硫或Al2O3载Mo或La等催化剂，反应得到绳索状的直径均匀的单壁碳纳米管，又称为激光烧灼法。

4．3 化学气相沉积法

化学气相沉积法是在制备碳纤维的基础上制备单壁碳纳米管的。在制备中，常采用浮动裂解法，在1100—1200℃的温度范围内，以二茂铁为催化剂，通过其引入量来控制催化剂颗粒的大小和碳氢比。以苯为碳源，添加适量的噻吩可以制得碳纳米管。

图6 化学气相沉积法制备碳纳米管装置图

5．碳纳米管的性能及其应用

5．1 碳纳米管的力学性能

5．1．1 碳纳米管的力学特性

碳原子之间通过较强的共价键结合，碳原子最外层的4个电子通过sp2杂化，产生3个能级相同的轨道与其他碳原子形成结合力较强的σ键。另外一个电子也可以和其他碳原子形成∏键。σ键使碳纳米管形成独特、稳定的微观管状结构[4]

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图7 碳原子成键的sp2杂化轨道

碳纳米管的弹性模量与金刚石的基本相同，为已知的最高材料模量，约为

钢的5倍；其弹性应变最高可达12%，约为钢的60倍而密度仅为钢的几分之一。以色列和美国的材料学家发现，碳纳米管的强度大约比其他纤维的强度高200倍，可以经受约100万个大气压的压力而不破裂[9]。

5．1．2碳纳米管的力学方面的应用现状和未来

5．1．2．1纳米秤[10]

在纳米机械方面，已经制成了纳米秤。纳米秤与悬挂的钟摆相似，通过测量其振动频率，可以测出粘结在悬臂梁一端的颗粒质量，这个原理同样适用于测量粘结在碳纳米管自由端顶部的微小质量。有专家认为，此纳米秤将可以用来衡量大生物分子的质量和生物颗粒，例如病毒，还可能导致一种纳米质谱仪的产生。5．1．2．2纳米天梯[11]

由碳纳米管组成的碳纤维理论强度为钢的100倍，密度只有其1/6。直径1毫米的细丝足可以承受20多吨的重量。碳纳米管材料将是唯一可以用来架设“天梯”的材料。使用航天飞机或运载火箭花费巨大，而且会破坏发射地的生态环境，如会破坏臭氧层，而使用“天梯”系统却无此缺点。还有，使用“天梯”系统相对安全。

5．2 碳纳米管的电学性能

5．2．1碳纳米管的电学特性

碳纳米管由石墨片卷曲而成，4个价电子中3个形成共价键，每个碳贡献一个电子形成金属键性质的离域键，因此，圆柱形碳纳米管轴向具有良好的导电性

[12]

。根据碳纳米管的直径和螺旋角度，大约1/3是金属导电性的，而2/3是半