碳纳米管
碳纳米管定义
碳纳米管定义
碳纳米管是一种由碳原子构成的纳米材料，具有管状结构。
它的直径通常在纳米尺度（纳米级别为1100纳米）范围内，
长度可以从纳米到微米级别。
碳纳米管的结构可以分为单壁碳
纳米管和多壁碳纳米管两种。
单壁碳纳米管由一个原子薄的石墨单层卷曲而成，形成一个
管状结构。
单壁碳纳米管的墙壁由碳原子构成，以六边形的芳
香环排列。
其典型特点是具有高强度、高导电性、高热导率和
良好的力学性能。
多壁碳纳米管由多个同心圆层组成，每个层均由碳原子六边
形结构构成，层与层之间的间距一般为0.34纳米。
多壁碳纳米管具有类似于单壁碳纳米管的特性，但其力学性能和导电性能
相对较差。
碳纳米管具有独特的物理和化学性质，广泛应用于材料科学、电子学、能源储存和传感器等领域。
由于其独特的结构和性能，碳纳米管在电子器件中可以用作纳米导线、场发射器件、纳米
传感器等。
此外，碳纳米管还被研究用于制备高性能锂离子电池、超级电容器和光催化材料等。
相信随着科学技术的不断发展，碳纳米管将在更多领域发挥重要作用。
碳纳米管
3.热学性能
由于碳管具有非常大的长径比，因而大量热是沿着长 度方向传递的，通过合适的取向，这种管子可以合成高各 向异性材料。 即在管轴平行方向的热交换性能很高，但在其垂直方 向的热交换性能较低。适当排列碳纳米管可得到非常高的 各向异性热传导材料。
四、碳纳米管的制备
CNTs的制备方法有多种，主要有电弧法，激光 蒸发法，化学气象沉积法等方法。这些方法分别在 不同的实验条件下可以得到MWNT和SWNT。
基本原理： 电弧室充惰性气体保护， 两石墨棒电极靠近，拉起 电弧，再拉开，以保持电 弧稳定。放电过程中阳极 温度相对阴极较高，所以 阳极石墨棒不断被消耗， 同时在石墨阴极上沉积出 含有碳纳米管的产物。 理想的工艺条件：氦气为载气，气压 60—50Pa，电 流60A～100A，电压19V～25 V，电极间距1 mm～4mm， 产率50％。Iijima等生产出了半径约1 nm的单层碳管。
五、纳米管结构的表征：
扫描隧道显微镜 X射线衍射
电子显微镜
拉曼光谱
1.电子显微术
利用不同的电子显微术，可以非常详细地研究碳 纳米管结构，确定其生长机制，反过来又可以帮助人 们改进碳管的生长过程，或者去修饰他们的结构。 利用扫描电子显微镜（SEM）可以获得单壁碳纳 米管管束的图像。透射电子显微镜（TEM）对于碳纳 米管结构的研究更为有用。TEM是一种强有力的技术， 可以确定碳纳米管管壁的层数，还可以准确测量管径 和确定碳管结构中的缺陷。
饭岛澄男 S.Iijima
将这些针状产物在高分辨电子显微镜下观察， 发现该针状物是直径为4～30纳米，长约1微米，由 2个到50个同心管构成，相邻同心管之间平均距离 为0.34纳米。
单壁碳纳米管
多壁碳纳米管
进一步实验研究表明，这些纳米量级的微小管状结构是由碳 原子六边形网格按照一定方式排列而形成，或者可以将其想象成 是由一个六边形碳原子形成的平面卷成的中空管体，而在这些管 体的两端可能是由富勒烯形成帽子。这就是多壁纳米碳管。 在石墨电极中添加一定的催化剂，可以得到仅仅具有一层管壁的 纳米碳管，即单壁碳纳米管产物。
碳纳米管
(B)热解法：这种方法也很简单，将一块基板放 进加热炉里加热至600℃，然后慢慢充入甲烷 一类的含碳气体。气体分解时产生自由的碳原 子，碳原子重新结合可能形成碳纳米管。
优点：最容易实现产业化，也可能制备很长的 碳纳米管。
缺点：制得的碳纳米管是多壁的，常常有许多 缺陷。与电弧放点法制备的碳纳米管相比，这 种碳纳米管抗张强度只有前者的十分之一。
初步估算，碳纳米管的强度大概是钢的100倍。 Lieber运用STM技术测试了碳纳米管的弯曲强度， 证明碳纳米管具有理想的弹性和很高的硬度。因此 用碳纳米管作为金属表面上的复合镀层，可以获得 超强的耐磨性和自润滑性，其耐磨性要比轴承钢高 100倍，摩擦系数为0.06～0.1，且还发现该复合镀层 还具有高的热稳定性和耐腐蚀性等性能。
（C）浓硝酸氧化法
将碳纳米管加入到浓硝酸中搅拌，超声波分散 后加热回流处理。自然冷却后用蒸馏水稀释、 洗涤至中性，经真空干燥、研磨后既得到纯化 处理的碳纳米管[14]。
优点：经过适当浓度硝酸氧化处理一定时间的 CNTs，其基本结构未发生本质变化，而表面 活性基团显著增加，在乙醇中分散浓度、均匀 性、稳定性得到提高，在复合材料中的分散均 匀性及与树脂的结合性能也得到相应提高。硝 酸氧化处理是CNTs表面活化的有效方法。
中美科学家在研究中对合成碳纳米管常用的化 学气相淀积方法进行了改进。改进结果显示，在化 学气相淀积过程中加入氢和另外一种含硫化合物后， 不仅能制造出更长的碳纳米管束，而且这些碳纳米 管束可由单层碳纳米管通过自我组装而有规律地排 列组成。
研究人员认为，他们的新方法作为一种更为简便 的替代工艺，也许还可以用来生产高纯度的单层碳 纳米管材料。
碳纳米管简介
加强基础研究和创新能力
深入研究结构与性能关系
进一步揭示碳纳米管的微观结构和性 能之间的关联，为新应用提供理论支 持。
探索新的合成方法
加强跨学科合作
与化学、物理、生物等学科进行交叉 合作，拓展碳纳米管的应用领域。
开展新合成方法的研究，实现碳纳米 管的绿色合成和可控合成。
建立产业联盟和创新平台
促进产学研合作
导电材料
碳纳米管具有优异的导电性能，可作为复合材料的导电填料，提高材料的导电性能。
半导体领域
晶体管
碳纳米管具有优异的半导体性能，可 用于制造高性能晶体管，提高集成电 路的性能和集成度。
传感器
碳纳米管具有较高的化学敏感性和光 电响应性，可用于制造高性能传感器 ，用于环境监测、生物医学等领域。
纳米电子领域
碳纳米管的应用领域
电池领域
电池电极材料
碳纳米管具有优异的导电性能和比表 面积，可作为高性能电池电极材料， 提高电池的能量密度和充放电效率。
电池隔膜材料
碳纳米管具有较高的机械强度和化学 稳定性，可用于制造高性能电池隔膜 ，提高电池的安全性和稳定性。
复合材料领域
增强材料
碳纳米管具有优异的力学性能和化学稳定性，可作为复合材料的增强剂，提高材料的强度和韧性。
化学反应性
碳纳米管具有较高的化学反应性，可以在高温下与多种氧化剂反应，也可以在催化剂的作 用下进行加氢反应。此外，碳纳米管还可以通过表面修饰改性来提高其化学反应性和相容 性。
表面基团
碳纳米管的表面可以含有多种基团，如羧基、羟基、羰基和环氧基等。这些基团的存在会 影响碳纳米管的化学反应性和相容性。
稳定性
碳纳米管简介
汇报人： 2023-12-15
低维材料之碳纳米管
五、碳纳米管复合材料
可以与金属，无机陶瓷材料，有机 高聚物复合，应用广泛
理想的工艺条件：氦气为载气，气压 60—50Pa，电流60A～ 100A，电压19V～25 V，电极间距1 mm～4mm，产率50％。 Iijima等生产出了半径约1 nm的单层碳管。
• 使用这一方法制备碳纳米管技术上比较简单，但是生成的碳纳米管与C60 等产物混杂在一起，很难得到纯度较高的碳纳米管，并且得到的往往都是 多层碳纳米管，而实际研究中人们往往需要的是单层的碳纳米管。此外该 方法反应消耗能量太大。有些研究人员发现，如果采用熔融的氯化锂作为 阳极，可以有效地降低反应中消耗的能量，产物纯化也比较容易。
结构复合材料：碳纳米管复合材料基于 纳米碳管的优良力学性能可将其作为结 构复合材料的增强剂。 研究表明，与无机复合明显提高韧性， 有机聚合物复合提高强 度。环氧树脂和 纳米管之间可形成数百MPa 的界面强度。 功能复合材料：基于碳纳米管优良的导 电，导热，吸波，介电，储氢功能
六、碳纳米管应用
• 碳纳米管可以制成透明导电的薄膜，用以代替ITO（氧化铟锡）作为触摸屏的材料。先前的技术中， 科学家利用粉状的碳纳米管配成溶液，直接涂布在PET或玻璃衬底上，但是这样的技术至今没有进 入量产阶段；目前可成功量产的是利用超顺排碳纳米管技术；该技术是从一超顺排碳纳米管阵列中 直接抽出薄膜，铺在衬底上做成透明导电膜，就像从棉条中抽出纱线一样。
碳纳米管
碳纳米管的分类
• 碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成，因此按照石墨烯片的层数可分为：单壁碳纳 米管和多壁碳纳米管，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，单壁管直径大小 的分布范围小，缺陷少，具有更高的均匀一致性。单壁管典型直径在0.6-2nm，多壁管最 内层可达0.4nm，最粗可达数百纳米，但典型管径为2-100nm。
资料-碳纳米管
由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的同轴中空无缝管状结构，其管壁大都是由六边形碳原子网格组成。
根据管壁层数不同，一般分为单层碳纳米管和多层碳纳米管；单壁碳纳米管（Single-walled nanotubes, SWNTs）：由一层石墨烯片组成。
单壁管典型的直径和长度分别为0.75～3nm和1～50μm。
又称富勒管(Fullerenes tubes多壁碳纳米管（Multi-walled nanotubes, MWNTs）：含有多层石墨烯片。
形状象个同轴电缆。
其层数从2～50不等，层间距为0.34±0.01nm，与石墨层间距(0.34nm)相当。
多壁管的典型直径和长度分别为2～30nm和0.1～50μm。
根据碳纳米管中碳六边形网格沿轴向的不同取向，可将其分为扶手椅型，锯齿型和螺旋型三种.SWNTs的顶端相当于半个富勒烯球组成的封闭管帽，是由适当数目和位置的五边形和六边形构成制备方法特点:通过各种外加能量，将碳源离解原子或离于形式，然后在凝聚就可以得到这种碳的一维结构。
1.电弧法电弧室充惰性气体保护，两石墨棒电极靠近，拉起电弧，再拉开，以保持电弧稳定。
放电过程中阳极温度相对阴极较高，所以阳极石墨棒不断被消耗，同时在石墨阴极上沉积出含有碳纳米管的产物。
电弧法多采用直流电弧，电弧放电条件一般为：电极电压20～30V；电流50～150A；气体压力10～80kPa。
产率50％。
Iijima等生产出了半径约1 nm的单层碳管。
传统的电弧放电法只能制备多层纳米碳管，只有在加入金属催化剂时才可能得到单层碳纳米管，由此可见催化剂对于单层碳纳米管的生长是必不可少的。
2.化学气相沉积法CVD 方法利用热分解含碳化合物，在金属催化剂作用下，合成碳纤维。
常用的碳氢化合物包括甲烷、一氧化碳、苯等，而金属催化剂包括过渡金属( Fe 、Co 、Ni 及Mo 等) 以及它们的氧化物。
CVD 法具有设备简单、条件易控、能大规模制备、可以直接生长在合适的基底上等优点。
单壁管碳纳米管
单壁管碳纳米管
碳纳米管(Carbon Nanotubes，CNTs)又名巴基管，是由单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝碳纳米管。
按碳原子层数可分为单壁和多壁碳纳米管，其制备方法主要有电弧放电法、催化裂解法、激光蒸发法、化学气相沉积法，其中裂化催解法是目前应用最广泛的方法。
碳纳米管具有优异的力学、电学和热学性能，已应用于电子、材料、航空、催化、医疗等领域。
单壁碳纳米管直径在0.6-2nm之间，最小的直径可达到0.4nm左右，其独特的结构，使其具备了超强的力学性能、极高的载流子迁移率、可调节的带隙、优异的热学性能、光电特性、稳定的化学特性等。
碳纳米管集各种优异性质于一身，使其在工程材料、电子器件、储能领域、光探测器、生物医药等方面具备了广阔前景。
碳纳米管简介讲解
一、五、碳纳米管的制备 六、碳纳米管的应用 七、碳纳米管的挑战与展望 八、对复合材料课程建议
一、碳纳米管定义
二、碳纳米管的发展史
1857年，法拉第制备出金纳米颗粒
1985年 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。（1996年获得诺贝尔化学奖）
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Ф0.33 nm的碳纳 米管,稳定性稍差;
2003年5月，日本信州大学和三井物产下属的公司研制成功Ф 0.4 nm的碳纳米管。
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。
由量子限域效应带来的金属性和半导体性
根据卷起的方向矢量 (n,m)不同， 单壁纳米管（大致）可以呈现金属性 （metallic, 无能隙(band gap)）或半导体 性（semiconducting, 有能隙）。
根据折起的外部形态上可以分为A 椅式(armchair)、B交错式(zigzag)、C手 性(chiral)。所以椅式管一定是金属性管， 而交错式和手性则既有可能是金属性管， 也有可能是半导体性管。
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；
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六、碳纳米管的应用前景 2、锂离子电池
碳纳米管的层间距为0.34nm,略大于石墨的层间距0.335nm,这有利于 Li+的嵌入与迁出,它特殊的圆筒状构型不仅可使Li+从外壁和内壁两方面嵌 入,又可防止因溶剂化Li+嵌入引起的石墨层剥离而造成负极材料的损坏。碳 纳米管掺杂石墨时可提高石墨负极的导电性,消除极化。
利用液体（乙醇、甲醇等）、气体（乙炔、乙烯、甲烷等） 和固体（煤炭、木炭）等产生火焰分解其碳-氢化合物获得游历 碳原子，为合成碳纳米管提供碳源；然后将基板材料做适当处理， 最后将基板的一面向下，面向火焰放入火焰中，燃烧一段时间后 取出。基板上的棕褐（黑）色既是碳纳米管或碳纳米纤维。
产生碳纳米管或碳纳米纤维的过程主要决定于基板的性质。 基板的选择和处理、燃料的选择等是本方法的关键技术。
理想的工艺条件：氦气为载气，气压 60—50Pa，电流60A～ 100A，电压19V～25 V，电极间距1 mm～4mm，产率50％。 Iijima等生产出了半径约1 nm的单层碳管。
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四、碳纳米管的生产方法
2、化学气相沉积法
化学气相沉积法又名催化裂解法，其原理是通过烃类(如甲烷、 乙烯、烯和苯等)或含碳氧化物(如CO)在催化剂的催化下裂 解而成。
一维管具有非常大的长径比，因而大量热是沿着长度方向 传递的，通过合适的取向，这种管子可以合成高各向异性材料。 虽然在管轴平行方向的热交换性能很高，但在其垂直方向的热 交换性能较低。纳米管的横向尺寸比多数在室温至150℃电介 质的品格振动波长大一个量级，这使得弥散的纳米管在散布声 子界面的形成中是有效的，同时降低了导热性能。适当排列碳 纳米管可得到非常高的各向异性热传导材料。
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四、碳纳米管的生产方法 3、激光蒸汽法
什么是碳纳米管？
什么是碳纳米管？什么是碳纳米管？合肥日新高温技术有限公司为您解答。
合肥日新高温技术有限公司成立于1998年是专业设计、研发、生产、销售高温热处理设备的民营高新技术企业。
碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口）的一维量子材料。
碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。
层与层之间保持固定的距离，约0.34nm，直径一般为2~20 nm。
并且根据碳六边形沿轴向的不同取向可以将其分成锯齿形、扶手椅型和螺旋型三种。
其中螺旋型的碳纳米管具有手性，而锯齿形和扶手椅型碳纳米管没有手性。
碳纳米管可以制成透明导电的薄膜，用以代替ITO（氧化铟锡）作为触摸屏的材料。
先前的技术中，科学家利用粉状的碳纳米管配成溶液，直接涂布在PET或玻璃衬底上，但是这样的技术至今没有进入量产阶段；目前可成功量产的是利用超顺排碳纳米管技术；该技术是从一超顺排碳纳米管阵列中直接抽出薄膜，铺在衬底上做成透明导电膜，就像从棉条中抽出纱线一样。
该技术的核心－超顺排碳纳米管阵列是由北京清华-富士康纳米中心于2002年率先发现的新材料。
常用的碳纳米管制备方法主要有：电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法（碳氢气体热解法）、固相热解法、辉光放电法、气体燃烧法以及聚合反应合成法等。
科研实验碳纳米管生产设备：CVD真空气氛管式炉CVD真空气氛管式炉广泛应用于高、中、低温CVD工艺，例如，碳纳米管的研制、晶体硅基板镀膜、纳米氧化锌结构的可控生长等等，也可以适用于金属材料的扩散焊接以及真空或保护气氛下的热处理；CVD真空气氛管式炉采用高纯石英管或刚玉管作为内炉膛，可拆卸式的三面密封方式，具有良好的洁净度和真空度；CVD真空气氛管式炉的耐火、保温材料全部采用先进的轻质纤维制品，整机质量轻、能耗低；CVD真空气氛管式炉的加热元件采用U型硅钼棒或原装进口电阻丝，温控系统采用进口多段智能程序温度控制仪控制，温度控制具有良好的稳定性、重复性。