碳纳米管及其应用的研究现状

文章编号:1001-9731(2000)-0119-02

碳纳米管及其应用的研究现状Ξ

朱绍文1,贾志杰2

(1.华中师范大学应用物理研究所,湖北武汉,430079;2.清华大学机械工程系,北京100084)

摘　要:　在世界范围内,碳纳米管及其应用的研究成为当前材料研究的热点。通过最近数年的研究,科技界对于碳纳米管的特性及应用前景有了深刻的认识。目前研究的重点集中在较大批量生产(公斤级/日)和全面应用方面。

关键词:　碳纳米管;电子器件;纳米复合材料

中图分类号:　T B383

1　引　言

自K roto和Smalley于1985年发现碳纳米管(获得1996年诺贝尔化学奖)[1,2],以及NEC公司电镜专家I ijima在用电弧法制作C60时生产出第一根碳纳米管以来[3],在世界范围内掀起一股碳纳米管热。其中美国居于领先水平,从医学到电子、复合材料等领域,高投入、全方位地开展研究。日本紧随其后。我国也在几年前开始这方面的研究,并有重点地(电子领域)加强力量,进行应用开发研究。到目前,关于碳纳米管本身特性及生产方法的研究已取得重大进展,开始进入到碳纳米管批量生产及碳纳米管应用方面。碳纳米管是一种主要由碳六边形(弯曲处为碳五边形和碳七边型)组成的单层或多层纳米级管状材料,由自然界最强的C—C共价键结合而成,因此具有非常高的强度(理论值是钢的100多倍,碳纤维的近20倍),同时还具有很高的韧性、硬度和导电性能[4～8]。目前研究的重点己经转移到碳纳米管的较大批量生产及其应用领域。应用领域里最具潜力的应用是在电子和复合材料领域。

2　碳纳米管的制备

碳纳米管的制备包括碳纳米管的生产及处理。碳纳米管虽然具有很好特性及诱人的应用前景,但首先只有碳纳米管的生产实现了规模化生产才有意义。碳纳米管的生产开始采用石墨-电弧法,后来发展到具有较大产量的化学气相沉积(CVD)法[10～14]。催化剂一般采用铁基、钴基或镍基催化剂。各种催化剂各有其优点,用得较多的是镍基催化剂。实验室产量从每炉次10毫克级发展到10克级(国内己达到的水平),己经具备工业化生产条件。当然,要真正实现工业化生产,还需要进一步研究和优化碳纳米管的生产工艺,设计出相应的能够实现连续合成碳纳米管的生产设备。

由于CVD法生产的碳纳米管粗产物里含有许多杂质,如SiO2、Fe、Co、Ni等金属颗粒,需要进行净化处理[15,16]。由于碳纳米管具有很高的结构稳定性,耐强酸、强碱腐蚀,故碳纳米管的净化处理一般采用酸浸泡或酸煮的方式,然后用蒸馏水清洗。另外,由于CVD法生产的碳纳米管缠绕成微米级大团,需要进行分散处理,以利于与其它材料进行复合制作纳米复合材料。碳纳米管的分散处理采用浓硝酸或浓硫酸较长时间煮的方式或高速球磨机球磨的方式。

3　电子应用领域

由于碳纳米管具有很高的导电性能,特别是经高温退化处理后(消除碳五边形和碳七边形结构)的碳纳米管,因此,目前碳纳米管应用研究的最大领域是在电子学领域。第一,利用碳纳米管本身结构特点,研究新型电子器件。如:利用碳纳米管的激发电压与钼针相比有大幅度降低,并具有自修补功能的特性,加之其纳米级尺寸,若用于研制场发射器件,可制成超大规模视屏系统[21]。通过控制生产工艺,使碳纳米管中缺陷(碳五边形和碳七边形)集中于碳纳米管中部,制成电子纳米电子开关和纳米二极管[18]。目前美国科学家正利用碳纳米管研制纳米三极管,如若成功,就可将集成电路尺寸降低两个数量级以上[19]。根据这个思路,还有很多纳米电子器件的研究在进行中。第二,利用碳纳米管导电性能好的特点,研制其它电子器件。如:利用碳纳米管研制高能微型电池,用于计算机起动电源和汽车电子打火,具有体积小,能量高,使用寿命长的特点[17]。将一定量的碳纳米管压成薄片,制成高能电容,能量比一般的电容高两个数量级(国家“九五”计划)[26,27]。在一些器件表面镀上碳纳米管,制成导电膜,其导电性能提高很多[23,24]。加碳纳米管加入到金属Al 中(少量),可明显提高其导电性。在高分子材料中加入少量碳纳复米管,降低其电阻3个数量级以上,使其具有抗静电功能[17],等等。

4　复合材料领域

由于碳纳米管具有非常高的强度[8],且耐强酸、强碱,600℃以下基本不氧化,又具有纳米级尺寸,若与工程材料复合,可起到强化作用。因此关于碳纳米管复合材料的研究也成为其应用研究的一个重要领域。用碳纳米管制作复合材料研究,首先在金属基上进行,如:Fe/碳纳米管、Al/碳纳米管、Ni/碳纳米管、Cu/碳纳米管等[28～31]。复合方法一般有快速凝固法和粉末冶金法。由于碳纳米管的尺寸与金属晶格相比显得太大,无法进入,被排斥在晶界上。因而,当碳纳米管加入量超过一定值(一般为3%)时,就在晶界上集聚成团,削弱晶格间连接力,反而降低基体的强度。另外,如Fe/碳纳米管、Al/碳纳米管、Ni/碳纳米管,在复合过程中部分碳纳米管与高温液态金属化合形成金属

Ξ基金来源:湖北省科委重大科研攻关项目收稿日期:1998-12-10

碳化物,将碳纳米管与金属基体割裂开,在碳纳米管与金属基体之间形成一层脆性界面。将碳纳米管与纳米Si2C陶瓷复合也进行过尝试(清华大学机械工程系)。考虑到碳纳米管与高分子材料具有相近的结构,近年,碳纳米管复合材料的研究重心己转移到高分子/碳纳米管复合材料方面[32,33]。由于高分子材料的机械性能,特别是其抗拉强度普遍较低,因而,研究高分子/碳纳米管复合材料,用碳纳米管增强高分子材料,以扩展高分子材料的应用领域,具有很高的研究、推广价值。如用原位复合法复合碳纳米管/PMMA,碳纳米管在复合过程中参与PMMA的加成聚合反应,与PMMA形成牢固的结合界面,将PMMA的机械性能大幅度提高。在目前研究中的尼龙6/碳纳米管复合材料中,也显示出同样的效果。

总之,由于碳纳米管具有非常好的性能,其尺寸又处于纳米级,因而具有很好的应用前景,被誉为下世纪材料革命的引发剂。在1997年年末,美国政府科技局将其列入最具代表的百项高科技发展研究项目,处于第43位(见1998年年初的《参考消息》)。

参考文献

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31　Xu Z D,Chen W X,et al.Journal of Materials Science Letters,1995,

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(97):579～582

33　Ajayan P M,Stephan O,Colliex C,et al.Science,1994,8(265):1212～

1214

朱绍文　男,湖南汝城县人,1944年生,1966

年毕业于清华大学自动控制系。现任华中

师范大学应用物理研究所和电子计算机研

究所所长、教授、教育部信息与电子学科教

学指导委员会成员、中国自动化学会智能控

制专委会委员、中南九省理论电工学会常务

理事。主要从事电子学和计算机科学研究

和研究生教学工作,出版“电路理论”和“数理逻辑”等专著3部,发表学术论文70余篇

。

贾志杰　男,湖北襄樊人,1964年生,1999

年清华大学机械系博士生毕业。主要从事

材料科学研究工作。

R esearch Actualities of C arbon N anotube and Its Application

ZH U Shaowen1,J I A Zhijie2

(1.Institute of Applied Physics,Central China Normal University,Wuhan,430079,China;

2.Department of Mechanical Engineering,Tsinghua University,Beijing,100084,China)

Abstract:The re search on carbon nanotube and its application has been coming to a study hotspot in the world.I ts character and applica2 tion outlook have been realized by men working in science and technology.Current keystone of re searche s is centralized on producing carbon nanotube in larger yield(kg/day)and all-sized application.

K ey w ords:carbon nanotube;electronic device;nanocomposite