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纳米碳材料材料学曹云岳1411093008一纳米碳材料的简介•纳米碳材料是指分散相尺度至少有一维小于100nm的碳材料。分散相既可以由碳原子组成，也可以由异种原子（非碳原子）组成，甚至可以是纳米孔。•近年来，碳纳米技术的研究相当活跃，多种多样的纳米碳结晶、针状、纳米碳材料、棒状、桶状等层出不穷。德、美科学家制出了C60笼状分子为材料学领域解决了一个重要的研究课题。碳纳米材料中纳米碳纤维、纳米碳管等新型碳材料具有许多优异的物理和化学特性，被广泛地应用于诸多领域。二纳米碳材料的分类•1、碳纳米管•2、碳纳米纤维•3、纳米碳球1、碳纳米管（CNT）•碳纳米管研究是富勒烯的继续，其作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。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的显现出来。CNT分类•按形态分类–普通封口型，变径型，洋葱型，海胆型，竹节型，纺锤型，念珠型，螺旋型和其他异型等按石墨烯的层数分类--单壁碳纳米管（SWNT）：只有一个石墨烯层多壁碳纳米管（MWNT）：有两个或两个以上石墨烯层•多壁管在开始形成的时候，层与层之间很容易成为陷阱中心而捕获各种缺陷，因而多壁管的管壁上通常布满小洞样的缺陷；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，具有更高的均匀统一性。CNT性能•（1）力学性能由于碳纳米管中碳原子采取SP2杂化，使纳米管具有高模量、高强度。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。目前在工业上常用的增强型纤维中，长径比决定强度。目前希望得到的长径比至少是20:1，而碳纳米管的长径比一般在1000:1以上，是理想的高强度纤维材料，因而碳纳米管被称为“超级纤维”。•（2）导电性能由于CNT的结构与石墨的片层结构相同，所以具有良好的电学性能。理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角，当CNTs的管径大于6nm时，导电性能下降；当管径小于6nm时，CNTs可被看成具有良好导电性能的一维量子导线，预示着碳纳米管在超导领域的应用前景。•（3）传热性能CNT具有良好的传热性能，具有非常大的长径比，因而其沿着长度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。另外，碳纳米管有着较高的热导率，只要在复合材料中掺杂微量的碳纳米管，该复合材料的热导率将得到很大的改善。2、碳纳米纤维（CNF）•碳纳米纤维是化学气相生长碳纤维的一种形式，是由通过裂解气相碳氢化合物制备的非连续石墨纤维。纳米碳纤维的研究开始于1991年，日本科学家饭岛利用高分辨电子显微镜在石墨棒放电所形成的阴极沉积物中发现纳米碳纤维，自从发现了纳米碳纤维，它就引起了理论研究者以及工业应用者的兴趣。碳纳米纤维与碳纳米管的结构区别制备碳纳米纤维的方法•（1）基体法在石墨或陶瓷基体上分散纳米级催化剂颗粒的“种粒”，并在高温下通入碳氢气体化合物，热解后在催化剂颗粒上析出纳米碳纤维。但由于超细催化剂颗粒的制备较为困难，且受从板温度和热解气体浓度不均及催化剂粒子在基板上分布不均等因素的影响，纤维生长疏密不匀，也很难得到直径较细的制品，产量不高，难以连续生长，难以实现工业化生产。•（2）喷淋法在苯等液体有机化合物中掺入催化剂，并将含催化剂的混合溶液在外力作用下喷淋到高温反应室中，制备出纳米碳纤维。喷淋法可实现催化剂连续喷入，为工业化连续生产提供了可能，但喷淋过程中催化剂颗粒分布不均匀，难以达到纳米级形式存在，且存在一定的炭黑。•（3）气相流动催化法利用此方法可制备出直径为50～200nm的纳米碳纤维，它是直接加热催化剂前驱体，使其以气体形式同烃类气体一起引人反应室，经过不同温度区完成催化剂和烃类气体的分解，分解的催化剂原子逐渐聚集成纳米级颗粒，热解生成的碳在纳米级催化剂颗粒上生成纳米碳纤维。纳米碳纤维的性能与应用（1）力学性能对纳米碳纤维进行表面处理，以改进它与树脂基体的物理与化学连接。经表面处理的纳米碳纤维可提高纯树脂的强度和模量性能4～6倍。研究表明，纳米碳纤维同时具备高强度、高弹性和高刚度，在提高复合材料力学性能和分子器件方面已显示出巨大的潜力，纳米碳纤维是制备复合材料的理想的轻质增强材料。•（2）电学性能在电性能方面，纳米碳纤维用作聚合物的填料具有独特的优势，由于纳米碳纤维直径细且导电，在纺织品中添加少量纳米碳纤维，既可以防止静电的产生，同时又不会影响纺织品的舒适性。（3）热学性能由于纳米碳纤维独特的细长结构，使得其热传导性与平行于轴线方向上表现出很大的不同。平行于轴线方向的热传导性可以与具有最高的热传导率的金刚石相媲美；而垂直与轴线方向上，热传导率又非常小。可以利用这种差异来测量极微量样品的热导率比热容，优于常规方法。（4）电磁性能在平行于管的轴向外加一磁场时，通过碳纳米管的磁通量是量子化的，金属筒外加一平行于轴向的磁场时，金属筒的电阻作为筒内的磁通量的函数将表现出周期性振荡行为。可以预计，碳纳米管将取代薄金属圆筒，在电子器件小型化和高速化的进程中发挥重要作用。（5）储氢性能由于纳米碳纤维具有独特的孔腔结构，因此比表面积极大，可以作为多种气体的快速吸附介质，其储氢数量大大的高过了传统的储氢系统。（6）作为新的催化剂载体经过表面处理的纳米碳纤维负载贵金属催化剂，由于纳米碳纤维颗粒比较小，结构可控，而且表面经过处理，使得贵金属很好的负载到纳米碳纤维表面，并很好的结合并分散，所以作为烯烃加氢催化剂一般都有很好的催化活性，使反应有很好的转化率以及选择性。综上所述，碳纳米纤维是一种新型碳纳米材料，可望用于结构增强材料、电子器件、锂离子电池负极材料、电容器电极材料、储氢材料、催化剂载体、隐形材料等诸多领域，具有很好的应用前景。3、纳米碳球（富勒烯C60）•纳米碳球（足球烯）根据尺寸大小可分为：(1)富勒烯族系Cn和洋葱碳(具有封闭的石墨层结构，直径在2—20nm之间)，如C60，C70等；(2)未完全石墨化的纳米碳球，直径在50nm一1μm之间；(3)碳微珠，直径在11μm以上。•根据结构形貌可分为空心碳球、实心硬碳球、多孔碳球、核壳结构碳球和胶状碳球等。C60的结构•C60属于碳簇分子，由20个正六边形和12个正五边形组成的球状32面体，直径0.71nm，其60个顶角各有一个碳原子。•C60分子中碳原子价都是饱和的，每个碳原子与相邻的3个碳原子形成两个单键和一个双键。整个球状分子就是一个三维的大π键，其反应活性和对称性都相当高。C60的制备（1）激光蒸发石墨法早些年就是采用激光轰击石墨表面，使石墨气化成碳原子碎片，在氦气中碳原子碎片在冷却过程中形成含富勒烯的混合物。但该方法产生的富勒烯含量极少。（2）苯燃烧法后来在含Ar的氧气中燃烧苯，燃烧1kg苯得到3gC60和C70混合物，富勒烯产率随燃烧条件不同而有所变化。（3）电弧放电法通过两石墨电极之间的放电，产生高于4000℃的高温，使阳极石墨蒸发，而阴极温度低于石墨蒸发温度。在充有氦气（压力约为13.3kPa）的放电室内，被蒸发的碳原子及碳原子团簇在冷凝时，形成含有富勒烯的烟灰。C60的性质（1）溶解性（2）超导性（3）光学性溶解性•富勒烯在脂肪烃中的溶解性随溶剂分子的碳原子数增大而增大，但一般溶解性较小。在苯和甲苯中有良好的溶解性，而在二硫化碳中的溶解度很大，目前用于溶解C60最常用的溶剂为甲苯。超导性C60晶体是面心立方晶体结构，在其四面体和八面体间隙位置可以掺加入碱金属原子，1991年美国贝尔实验室研究人员发现C60和碱金属形成的化合物具有良好的超导性。光学性•研究发现，C60和C70的甲苯溶液能够透射相对低光强的光，但能阻止通过超过某一临界光强的光，而且处于激发态的C60分子比处于基态的C60具有更好的吸光性。C60的应用三、纳米碳材料的发展前景•目前碳纳米材料的工业化生产还没有完全解决。虽然纳米管、富勒烯等碳纳米材料都可以实现量产，但生产富勒烯成本高、纳米管的纯化难等技术问题亟待解决。••谢谢观赏！•Thanks!