碳纳米管材料.

LOGOCarbonnanotubesCatalogue引言碳纳米管材料的结构、性能碳纳米管材料的制备碳纳米管材料的应用参考文献引言碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美[2]，具有许多异常的力学、电学和化学性能。最早在1991年，日本NEC公司基础研究室的电子显微镜专家饭岛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[2]，这就是现在的碳纳米管。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来[3]。碳纳米管材料的结构单壁碳纳米管多壁碳纳米管又称富勒管(Fullerenestubes)，由一层石墨烯片组成，直径和长度分别为0.75～3nm和1～50μm。含有多层石墨烯片，层数从2～50不等，层间距为0.34±0.01nm。典型的直径和长度分别为2～30nm和0.1～50μm。Creativity碳纳米管(CNTS)又称巴基管，是一种有特殊结构和性质的新型材料。管的外径尺寸一般在几纳米到几十纳米，内径更小，有的只有1纳米左右[4]。相对而言，碳纳米管的长度和直径的比非常大，管的长度一般在微米量级，可达103～106，因此，碳纳米管被认为是一种典型的一维纳米材料[5]。碳纳米管材料的结构碳纳米管管壁由类石墨微晶的碳原子SP2杂化与周围三个碳原子完全键合而成的六边形碳环构成，五边形和七边形的碳环组成弯曲部位。当六边形逐渐延伸出现五边形时碳纳米管就会凸出，七边形出现则会使其凹进。[6]。如果五边形出现在碳纳米管的顶端则成为碳纳米管的封口。碳纳米管材料的结构DescriptionofthecontentsDescriptionofthecontents碳纳米管材料的结构DescriptionofthecontentsDescriptionofthecontents碳纳米管材料的结构碳纳米管材料的性能碳纳米管主要的性能可以从五个方面说明力学性能其他性能电学性能储氢性能热学性能碳纳米管材料的性能力学性能金刚石是我们所知道的自然界中最为坚硬的物质。而作为金刚石的同素异形体，碳纳米管具有良好的力学性能。硬度：碳-碳共价键是自然界中最稳定的化学键，而碳纳米管的强度接近于碳-碳键的强度[9]，因此单壁碳纳米管的抗拉强度达到50～200GPa，杨氏模量与金刚石相当，强度是钢的100倍。碳纳米管材料的性能力学性能弹性：与金刚石的三维结构不同，碳纳米管作为一维纳米材料可弯可拉具有相当好的弹性[18]。通常碳纳米管发生很大的拉伸变形，只要不发生原子共价键发生断裂，通常碳纳都能完全恢复到原来的状态[19]。实验表明碳纳米管在拉升达原来长度的136%时仍然可以恢复到原来的样子[20]。而且即使受到了很大的外加应力，碳纳米管也不会发生脆性断裂。碳纳米管材料的性能电学性能碳纳米管在电学性能上也有很大的发展空间。实验表明不同类型的碳纳米管，导电性能也不相同，例如，单壁纳米管总是金属性的，锯齿形纳米管和手性形纳米管中则部分为半导体性，部分为金属性的[22]。有报道说Huang通过计算认为直径为0.7nm的碳纳米管具有超导性，尽管其超导转变温度只有1.5×10-4K，但是预示着碳纳米管在超导领域的应用前景。碳纳米管材料的性能电学性能但是目前人们在制备碳纳米管时，目前还无法按照所需的要求制备出具有特定电学特性的碳纳米管[23]。仅这一点，就使得碳纳米管在纳米电子学的应用中仍然存在着一些必须尽早解决的问题。为了改变这种状况，人们正采用半导体材料改性的同样方法，通过化学掺杂的方式来制备n型或p型的碳纳米管，以求控制和改变碳纳米管的电子学特性。碳纳米管材料的性能热学性能碳纳米管具有良好的传热性能，由于是一维材料，其在径向上的导热性能优越，我们甚至可以在复合材料中掺杂微量的碳纳米管,使得复合材料的热导率得到很大的改善。碳纳米管材料的性能储氢性能碳纳米管具有比较大的表面积，且具有大量的微孔，其储氢量远远大于传统材料的储氢量，因此被认为是良好的存储材料。其他性能碳纳米管还具有光学和毛细，化学等其他良好的性能，也正是这些特性使得碳纳米管成为许多新材料的基础。碳纳米管材料的制备为了对碳纳米管进行观察、研究及其应用，碳纳米管的制备是对其进行研究的第一个步骤，也是最基本的环节。从1991年，日本NEC筑波基础研究所的教授饭岛澄男(S．Iijima)对真空电弧蒸发石墨电极的副产品——阴极沉积物用高分辨电镜进行高分辨像观察时发现了多层碳纳米管以来，科学家们就持续地对碳纳米管的生长工艺以及生长机理进行了大量的研究工作，也总结出了碳纳米管制各的多种方法。碳纳米管材料的制备Titleinhere激光蒸发法Titleinhere太阳能法Titleinhere电解法其中制备碳纳米管最为主要的有三种方法，分别为：电弧放电法、激光蒸发法和化学气相沉积法(CVD)。其他还有热解聚合物法、电解法、太阳能法。Titleinhere化学气相沉积法TextinhereTextinhereTitleinhere热解聚合物法Titleinhere石墨电弧法制备碳纳米管材料的制备最早制备CNTs的工艺方法是石墨电弧法，电弧实质上是一种气体放电现象，其主要工艺是在真空反应室中充惰性气体(He、NH4)，采用较细石墨棒作为阳极，粗大的石墨棒作为阴极，在电弧放电的过程和高温的条件下，固体碳源蒸发并进行结构重排，阳极石墨被蒸发消耗的同时阴极石墨上会沉积CNTs，从而生产出CNTs。Iijima在1991年就是利用此法制各出的CNTs：石墨电弧法具有简单快速的特点，而且所制各的CNTs管直，石墨化程度高，但该法所产生的CNTs缺陷较多，而且CNTs烧结成束，束中夹杂很多非晶态杂质。1石墨电弧法碳纳米管材料的制备1石墨电弧法碳纳米管材料的制备化学气相沉积法具有成本低、产量大、实验条件易于控制等很多优点，是最有希望大量制各高质量多壁CNTs的方法，化学气相沉积法的主要机理是使含有碳源的气体(如乙炔乙烯等石油气)流经金属催化剂(如铁、钻、镍等)表面时分解，从而产生出CNTs，产生出的CNTs的直径取决于催化剂颗粒的大小，选择适当的催化剂能优先生长单壁CNTs，化学气相沉积法制备CNTs的工艺要求的温度大约为800°Ｃ，并且生产成本相对比较低，生产设备相对较简单，生产工艺便于控制，而且产品质量相对较稳定，所以化学气相沉积法是目前己知的最具商业开发价值和能够大规模工业化生产CNTs的生产工艺。2化学气相沉积法碳纳米管材料的制备2化学气相沉积法碳纳米管材料的制备3激光蒸发法这种方法制备CNTs的基本装置是把一根金属催化剂和石墨混合的石墨靶放到一个长形的石英管中间，然后把该管置于加热炉内，当温度升到1473K时，就迅速把惰性气体冲入管内，然后将一束激光聚焦于石墨靶上，石墨靶在激光照射下会生成气态碳，气流把这些气态碳和催化剂粒子高温区带向低温区，气态碳在催化剂的作用下生长成单壁CNTs，激光蒸发法主要用于生产单壁CNTs。激光蒸发法可以得到较高产率CNTs，但由于成本太高，产物杂质多并难以分离提纯，所以应用较少。碳纳米管材料的制备4热解聚合物法热解聚合物法是通过热解某些聚合物或有机金属化合物的方法来制备CNTs的方法，已经有人先用柠檬酸和甘醇聚脂化，然后把得到的聚合物在400摄氏度左右韵空气中连续加热8个小时，最后将这些物质冷却到室温，就得到了CNTs，这种方法中的一个至关重要的影响因素是热处理温度。碳纳米管材料的制备5电解法电解法是将石墨阴极浸于融解的无机盐溶液中，然后在电流的作用下，使石墨阴极发生氧化还原反应，从而生成多壁CNTs，但是这种方法的制备工艺条件相当难以控制，而且产物的质量和产物的产量都相对较低，以熔融的碱金属化合物为电解液，以石墨棒为电极，在氢气气氛中Hsu等用电解方法也合成了CNTs。碳纳米管材料的制备6太阳能法另一种比较新型的制备CNTs的方法是太阳能法，这种方法是将阳光聚焦在一个石墨样品上，使石墨样品上的碳原子蒸发，这些蒸发的碳原子将会沉积在反应器的无太阳光聚焦的低温区，太阳能法的设置主要是：用一平透镜收集太阳光，然后反射到一个抛物柱镜面上，并将此抛物柱镜面把太阳光直接聚焦在石墨靶上，聚焦的太阳光可达的最高温度大概为3000K，石墨靶被置于反应炉的中心，碳升华后被氩气或氧气吹到反应器的低温区沉积，C．Jourent在1998年，用功率为2KW反应炉，通过调整各种反应条件，得到了单壁CNTs。碳纳米管材料的应用新型碳纤维材料及增强材料储氢材料场致发射.用作超级电容器电极材料碳纳米管应用碳纳米管材料的应用储氢材料利用氢能的障碍是氢气的规模化存储和运输。按5人座的轿车行使500公里计算，需要3.1Kg的氢气，以正常的油箱体积计算，氢气的存储密度应有6.5wt%或62Kg/m3，目前的储氢材料都不能满足这一要求。碳纳米管由于其管道结构及多壁碳管之间的类石墨层空隙，使其成为最有潜力的储氢材料，并是当前研究的热点，国外学者证明在室温和不到1bar的压力下，单壁碳管可以吸附氢气5-10wt%，有人认为在80K下，C/H比可达1/1（即8.25wt%）。有人认为多壁碳纳米管储氢可达14wt%。我们用NO反滴定法测定的多壁碳纳米管的储氢量在5wt%左右。目前，根据理论推算和近期反复验证，大家普遍认为可逆储/放氢量在5wt%左右，即使5wt%，也是迄今为止最好的储氢材料。己经证实，碱金属嵌入碳纳米管会极大地提高其储氢性能。碳纳米管材料的应用储氢材料碳纳米管材料的应用储氢材料美国通用汽车公司液氢为能源的燃料电池概念车－氢动一号碳纳米管材料的应用场致发射碳纳米管具有极好的场致电子发射性能，这一性能可用于制作平面显示装置,取代体积大、重量重的阴极电子管技术。加州大学的研究人员证明碳纳米管具有稳定性好和抗离子轰击能力强等良好性能，可以在10-4Pa真空环境下工作，电流密度达到0.4A/cm3。将碳纳米管沉积在一种高分子膜的阵列上，制成的显示器，在200V的工作电压下工作了200小时，电流密度可达10-2A/cm3。日本已制出该类技术的彩色电视机样机，其图象分辨率是目前已知其它技术所不可能达到的,他们在2001年将该种电视机推向市场。将单壁碳纳米管在晶态金膜上组成阵列，可提供高达106A/cm3的电流密度。用碳纳米管制成的电子枪与传统的相比，不但具有在空气中稳定、易制作的特点，而且具有较低的工作电压和大的发射电流，适用于制造大的平面显示器。碳纳米管材料的应用碳纳米管材料的应用场致发射韩国三星公司采用纳米碳管作的平板显示器碳纳米管材料的应用新型碳纤维材料及增强材料碳纳米管由于纳米中空管及螺旋度的共同作用，具有极高的强度和理想的弹性，杨氏模量甚至可达1.3TPa，在内外层承受了16%的应变的情况下，碳纳米管没有断裂，证明其具有非凡的韧性和恢复能力。碳纳米管长径比在1万以上，强度比钢高100倍，但重量不及钢的1/6。碳纳米管具有如此优秀的力学性能，是一种绝好的纤维材料，它的性能优于当前的任何纤维，它既具有碳纤维的固有性质，又具有金属材料的导电导热性，陶瓷材料的耐热耐蚀性，纺织纤维的柔软可编性，以及高分子材料的轻度易加工性，是一种一材多能和一材多用的功能材料和结构材料，可望应用于材料领域的多个方面。尤其在汽车、飞机及其它飞行器的制造上带来革命性的突破。碳纳米管材料的应用新型碳纤维材料及增强材料碳纳米管作为复合材料的纤维增强体表现出极好的强度、弹性、抗疲劳性以及各向同性。用激光合金化淬火工艺制出的碳纳米管/45#钢复合材料，硬度可达HRC69，抗磨性质比在同样的工艺条件下合成的石墨/45#钢复合材料提高40%。用碳纳米管做增强纤维的铜基复合材料其耐磨性远大于铜轴承。碳纳米管又具有石墨的润滑性和导电性，所以碳纳米管在摩擦技术方面一定有很大的前途，特别是在航空、航天领域里的特殊制造业上有无可比拟的优势。碳纳米管作为水泥系列材料的增强材料，在水泥中具有极高的稳定性，对环境也无不良影响。耐冲击性也得到了改善，制成的物件尺寸稳定，同时还防静电、耐磨