碳纳米材料
碳纳米材料
1碳纳米材料发展简史
●1985年发现了巴基球(C60)；柯尔、克罗托和斯莫利在模拟宇宙长链碳分子的生长研
究中，发现了与金刚石、石墨的无限结构不同的，具有封闭球状结构的分子C60。因此，1996年获得诺贝尔化学奖。
●1991年日本电气公司的S. Iijima在制备C60、对电弧放电后的石墨棒进行观察时，
发现圆柱状沉积。空的管状物直径0.7-30 nm，叫Carbon nanotubes，(CNTs）；
●1992年瑞士洛桑联邦综合工科大学的D.Ugarte等发现了巴基葱(Carbon nanoonion)；
●2000年，北大彭练矛研究组用电子束轰击单壁碳纳米管，发现了Ф=0.33nm的碳纳米
管,但稳定性较差;
●2002年4月5日，美国纽约州的伦斯勒工业大学（RPI Rensselar Polytechnic Institute）
材料科学工学专业教授P.M. Ajayan的研究小组报道制备出了“雏菊”
●2003年5月4日，日本信州大学和三井物产下属的CNRI子公司研制成功Ф= 0.4nm
的碳纳米管。同年，日本名古屋大学筱原久典教授制备出了纳米电缆；
●2004年3月下旬, 中国科学院高能物理研究所赵宇亮、陈振玲、柴之芳等研究人员，
利用一定能量的中子与C70分子相互作用，首次成功合成、分离、表征了单原子数目富勒烯分子C141
2 碳纳米材料的分类
富勒烯:碳的第四种同素异形体(金刚石、石墨和无定形碳)。富勒烯包括：巴基球（C50 、C60 、C70、C76、C80、C82、C84、C90、C94等）、巴基管（单壁和多壁碳纳米管）和巴基葱。纳米金刚石
2.3 富勒烯
C60 C80
C60的发现于命名
●1985年11月14日，Kroto，Curl和Smalley等人，《自然》杂志，正式宣布C60的发现
及结构模型；1996年，获得诺贝尔化学奖。
●C60分子中每一个C原子与周围三个C原子形成3个σ键，剩余的轨道和电子共同组
成离域π键，可简单地将其表示为每个碳原子与周围3个碳原子形成2个单键和1个双键。C60的结构参数为C—C—C，键角平均为116o，杂化轨道类型为SP2.28，六边形键长为0.1388nm，五边形键长为0.1432nm，晶体型式为面心立方的分子晶体。
●1967年加拿大蒙特利尔万国博览会，美国展览馆是由五边形和六边形组成拼接构成的
圆顶建筑-----启发，提出了C60的分子结构。因此，他们决定以该展览馆建筑师的名字Buckminster Fuller命名，定为“Buckmister fullerene”, 词尾ene为英文“烯烃”的后缀，表示C60的不饱和性，简称“Fullerene”或“Buckyball”亦称footballene
C60
C60的物理化学性质
（1）物理性质
黑色粉末，密度1.65g/cm3±0.05g/cm3，熔点>700℃，易溶于CS2、甲苯等，在脂肪烃中溶解度随溶剂碳原子数的增加而增大。能在不裂解情况下升华。生成热为ΔH°f (C)=2280KJ/mol，电离势为2.61ev±0.02ev，电子亲合势2.6ev～2.8ev，可压缩率为7.0×10-12cm3/dyn，抗冲击能力强。具有非线性光学性能，室温下是分子晶体，适当的金属掺杂后的C60表现出良好的导电性和超导性。
（2）化学性质
芳香性，倾向于得到电子，易于与亲核试剂反应。多种C60衍生物，其中金属包含于C60笼内部：M@C60；金属和C60在球外表起反应：MC60。
C60和金属的反应
C60的氧化还原反应
C60与自由基反应
C60的加成反应
C60的应用与展望
C60的研究已涉及到有机化学、无机化学、生命科学、材料科学、高分子科学、催化化学、电化学、超导体与铁磁体等众多学科和应用研究领域，并越来越显示出巨大的潜力和重要的研究及应用价值。
碳纳米管
1 .碳纳米管的性能
碳纳米管作为一维纳米材料，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地展现出来。
1）力学性能由于碳纳米管中碳原子采取SP2杂化，相比SP3杂化，SP2杂化中S轨道成分比较大，使碳纳米管具有高模量、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，决定强度的一个关键因素是长径比，即长度和直径之比。目前材料工程师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。2000年10月，美国宾州州立大学的研究人员称，碳纳米管的强度比同体积钢的强度高100倍，重量却只有后者的到1/7。碳纳米管因而被称“超级纤维”。
2）导电性能碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域π键，由于共轭效应显著，碳纳米管具有一些特殊的电学性质。碳纳米管具有良好的导电性能，由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。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 可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。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。
3）传热性能碳纳米管具有良好的传热性能，CNTs具有非常大的长径比，因而其沿着长度方向的热交换性能很高，相对的其垂直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会可能得到很大的改善。
4）低能态性能
碳纳米管在极端物理条件下转变为金刚石。采用热丝化学气相沉积技术，在硅衬底上涂覆碳纳米管取代金刚石粉作为粒晶，在真空度为13.3kPa的条件下，得到了优质的金刚石薄膜，成膜时间缩短了一倍。金刚石晶粒密度达108cm-2。在激光辐照下，碳纳米管能够转变为巴基葱，进而得到金刚石。
5）场发射特性
碳纳米管之所以可以作为场发射材料，取决于其结构特点和力学、电学性能。首先，电导体，载流能力特别大；其次，直径可以小到1nm左右；第三，化学性质稳定，机械强度高、韧性好。
6）吸附性能
硝酸氧化处理后的碳纳米管对铅，铜和镉离子显示出了良好的吸附效果，单一金属离子的吸附研究结果表明，碳纳米管对铅、铜和镉离子的最大吸附容量分别为97.08，28.49和10.86mg/g；碳纳米管对Pb2+的亲合性最强，Cu2+次之，Cd2+最弱；碳纳米管对3种金属离子的吸附量随着溶液pH值的升高和离子强度的减小而增加。
碳纳米管还具有光学和储氢等其他良好的性能,正是这些优良的性质使得碳纳米管被认为是理想的聚合物复合材料的增强材料。
2.碳纳米管的制备方法
1.电弧放电法
2.碳氢化合物催化分解法(又称化学气相沉积CVD法)
3.催化裂解无基体法
4.等离子体喷射沉积法
此方法是将离子喷射的钨电极(阴极)和铜电极(阳极)进行水冷却，当Ar/He载气挟带苯
蒸气通过等离子体炬后，会在阳极的表面上沉积出含有纳米级碳材料的碳灰。
5. 凝聚相电解生成法
其采用石墨电极(电解槽为阳极)，在约600℃的温度及氩气保护的条件下，以一定的电压和电流电解熔融的卤化碱盐，电解生成了形式多样的碳纳米材料。
6. 化学气相沉积法
化学气相沉积法是制备碳材料所广泛使用的方法，它又可分为有催化化学气相沉积和无催化化学气相沉积。把含有碳源的气体(或蒸气)流经催化剂表面时进行催化分解。乙烯、乙炔、苯乙烯、苯、甲苯、甲烷等通常用作碳源，这些一般都是化学性质比较活泼的含有不饱和化学键的化合物；过渡金属、稀有金属或金属氧化物常常用作催化剂；氩气、氮气或氢气等通常用作载气。无催化气相沉积则不用任何催化剂，直接在保护气氛下热分解气相含碳有机物。
3.碳纳米管的应用
1）高强度碳纤维材料
2）复合材料
碳纳米管增强陶瓷复合材料。碳纳米管/金属基与高分子基复合材
3）纳米电子器件
由于碳纳米管壁能被某些化学反应所“溶解”，因此它们可以作为易于处理的模具。只要用金属灌满碳纳米管，然后把碳层腐蚀掉，即可得到纳米尺度的导线。目前，除此之外无其他可靠的方法来得到纳米尺度的金属导线。
4）催化纤维和膜工业
5）碳纳米管作为电子显微镜等的探针
6）碳纳米管在环保中的应用
参考文献
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