碳纳米管的特性及应用_孙晓刚
碳纳米管的性质与应用
研究碳纳米管的发光性质从其发光位置着手 研究。单壁纳米碳管的发光是从支撑纳米碳管的 金针顶附近发射的，并且发光强度随发射电流的 增大而增强；多壁纳米碳管的发光位置主要限制 在面对着电极的薄膜部分，发光位置是非均匀的， 发光强度也是随着发射电流的增大而增强。碳纳 米管的发光是由电子在与场发射有关的两个能级 上的跃迁而导致的。研究表明单壁纳米碳管的光 吸收随压力的增大而减弱，其原因在于压力的变 化会导致纳米碳管对称性的改变。
碳纳米管的性质与应用
应化0804 报告人：赵 开
主要内容
碳纳米管的简介
碳纳米管的性质
碳纳米管的应用 碳纳米管的展望
碳纳米管的简介
碳纳米管（CNT）是碳的同素异形体 之一，是由六元碳环构成的类石墨平面卷 曲而成的纳米级中空管，其中每个碳原子 通过SP2杂化与周围3个碳原子发生完全键合。 碳纳米管是由一层或多层石墨按照一定方 式卷曲而成的具有管状结构的纳米材料。 由单层石墨平面卷曲形成单壁碳纳米管 （SWNT），多层石墨平面卷曲形成多壁碳 纳米管（MWNT）。
碳纳米管的展望
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，受到了多个领域研究者的广泛关注。 随着其应用研究的进展，势必引起一场科 技革命的新突破，并带动一系列相关高科 技产业的兴起与发展。在不久的将来，基 于碳纳米管的多种现代化产品将会真正进 入我们的生活，对社会的发展势必将起到 极大的推动作用。
碳纳米管在电磁学领域的应用：
碳纳米管具有良好的导电性，是一种可用于制备修饰 电极和电化学传感器的优良材料。将碳纳米管对传统电极 进行修饰可以降低氧化过电势，增加峰电流，从而改善分 析性能，提高方法选择性和灵敏度。因此，碳纳米管作为 修饰电极材料已广泛应用于分析化学领域。利用碳纳米管 的场致电子发射性能可用于制作平面显示装置，使之更薄、 更省电，从而取代笨重和低效的电视和计算机显示器。碳 纳米管的优异场发射性能还可使其应用于微波放大器、真 空电源开关和制版技术上，可用于大规模集成电路、超导 线材、超电容器，也可用于电池电极和半导体器件。碳纳 米管的直径比以往用的针尖小得多，用碳纳米管作为扫描 探针能大大提高其分辨率。利用碳纳米管的金属导电性和 半导体性能，碳纳米管还被用于制作分子级开关、半导体 器件等。
碳纳米管及应用
纳米管的优势
• 优异的磁性：碳纳米管软磁材料的高频场 中具有巨磁阻抗效应。 • 良好的储氢性能：比活性炭更大的比表面 积，且具有大量的微孔 • 良好的吸波性能：螺旋状纳米碳管，将其 做成的吸波材料，具有比一般吸收材料高 得多的光吸收率。
纳米管的优势
• 光学性能：稳定的发射光谱，很高的发光强度，
优秀的波长转换功能
纳米碳管储氢材料
• 碳纳米管是直 径非常细的中 空管状纳米材 料，它能够大 量地吸附氢气， 成为许多个 “纳米钢瓶”
H2
碳纳米管单分子发光元件
IBM宣布成功开发出了由单分子碳纳米管构 成的发光元件。研究小组将该发光元件嵌入3引 脚晶体管内部
谢谢!
• 热学性能：世界上最好的导热材料，超声波传
递热能，一维方向传递热能
• 化学性能：催化，改善多相催化的选择性，用
作合成模板
碳纳米管的一个应用
——碳纳米管收音机
基本原理
四个基本部件：天线，调谐器，放大器， 解调器 。
收音机功能的实现
• 天线：无线电广播中的电磁波会撞击纳米管， 使碳纳米管随着电磁信号的振动而发生机械振 动。既然纳米管能与入射的无线电波共振，它 就能起到天线的作用
碳纳米管
内容概要
一、碳纳米管简介
二、碳纳米管的一个应用原理
三、碳纳米管其他广泛应用
纳米管的发现
1991年，日本学者Iijima和美国的Bethune等 人在掺加过渡金属催化剂的石墨电极间起弧放电， 并在制备产物中分别发现了单壁纳米管。
碳纳米管的分类
按形态分
普通封口型
变径型
洋葱型
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
海胆型
竹节型
念珠型 纺锤型 螺旋型 其他异型
碳纳米管和富勒烯的光电特性和应用
碳纳米管和富勒烯的光电特性和应用一、碳纳米管的结构性能及应用（一）碳纳米管的结构碳纳米管是指由类似石墨的六边形网格组成的管状物，可以看作是石墨片层绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成。
管子一般由单层或多层组成，相应的纳米碳管就称为单壁纳米碳管（SWNT和多壁纳米碳管（MWNT）碳纳米管具有典型的层状中空结构特征，构成碳纳米管的层片之间存在一定的夹角碳纳米管的管身是准圆管结构，并且大多数由五边形截面所组成。
管身由六边形碳环微结构单元组成，端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构，或者称为多边锥形多壁结构。
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lEjf-级、管子两端基本上都封口）的一维量子材料。
它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，约为0.34nm,直径一般为2〜20nm长度可达数微米，因此有较大的长径比。
资料表明：碳纳米管的晶体结构为密排六,c=0.6852nm,c/a=2.786 , 与石墨相比,a值稍小而c值稍大,预示着同一层碳管内原子间有更强的键合力，碳纳米管有极高的同轴向强度。
多壁碳纳米管存在三种类型的结构,分别称为单臂纳米管、锯齿形纳米管和手性形纳米管。
由于其独特的结构，碳纳米管的研究具有重大的理论意义和潜在的应用价值，女口：其独特的结构是理想的一维模型材料；巨大的长径比使其有望用作坚韧的碳纤维，其强度为钢的100咅，重量则只有钢的1/6;同时它还有望用作为分子导线，纳米半导体材料，催化剂载体，分子吸收剂和近场发射材料等。
（二）碳纳米管的主要性质及应用（1）碳纳米管的性质如下：1. 碳纳米管上碳原子的P 电子形成大范围的离域n 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。
碳纳米管的发现、制备、特性与应用
二、碳纳米管的结构
碳纳米管又称为巴基管，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）的一维量子 材料。在纳米材料中，CNTs被称为纳米之王或者超级纳 米材料。 CNTs是由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲 而成的无缝、中空纳米管。
纳米碳管的高分辨电子显微镜照片，从左到右为SWNT， MWNT（包含2层、3层、4层石墨片层 )
在催化裂解法制备碳纳米管的工艺中,常用作催化剂的 金属元素有Fe、Co、Ni等,研究表明,碳纳米管的直径很大 程度上依赖于催化剂颗粒的直径,因此通过催化剂种类与 粒度的选择及工艺条件的控制,则可获得纯度较高,尺寸分 布较均匀的碳纳米管,并且该工艺适于工业大批量生产。
优缺点： CVD法制备SWCNTS尽管可以获得高产率、纯净可控的 SWCNTS，但其应用及商业化生产的最大障碍就是成本高， 前处理工艺复杂，制备条件苛刻，温度通常高达700～ 800℃，催化剂及载体的处理耗时费力。
2.激光蒸发法
激光蒸发法是一种简单有效的制备CNTs的新方 法。与电弧法相比，前者用电弧放电的方式产生高 温，后者则用激光蒸发产生高温。它能产生高质量 的单壁碳纳米管。
左图为激光蒸发法制备单层CNTs的基本原理示意图。 其基本原理： 1.利用激光器聚焦成6-7mm的光束照射至含有金属的 石墨靶上。 2.激光在计算机的控制下，平和定量将碳原子或原子 集团激发出靶的表面，蒸发的烟灰被氩气从炉体中带走， 在载体气体中这些原子或原子集团互相碰撞形成CNTs。 T随后沉积在炉外的水冷铜收集器表面。碳纳米 管就存在于惰性气体夹带的石墨蒸发产物中。碳纳米管的 形成过程就是游离态的碳原子发生重新排布的过程。
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。
碳纳米管的性能及应用领域
碳纳米管的性能及应用领域碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有很多异常的力学、电学和化学性能。
近些年随着碳纳米管及纳米材料讨论的深入其广阔的应用前景也不断地呈现出来。
一、碳纳米管的性能1.1力学性能不同类型的碳纳米管碳纳米管具有良好的力学性能，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。
碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相像，但其结构却比高分子材料稳定得多。
碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。
若将以其他工程材料为基体与碳纳米管制成复合材料，可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗疲乏性及各向同性，给复合材料的性能带来极大的改善。
1.2导电性能碳纳米管制成的透亮导电薄膜碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域键，由于共轭效应显著，碳纳米管具有一些特别的电学性质。
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。
对于一个给定的纳米管，在某个方向上表现出金属性，是良好的导体，否则表现为半导体。
对于这个的方向，碳纳米管表现出良好的导电性，电导率通常可达铜的1万倍。
1.3传热性能采纳了碳纳米管涂层的热水器内胆碳纳米管具有良好的传热性能，碳纳米管具有特别大的长径比，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。
二、碳纳米管的应用2.1电子领域碳纳米电子管（CNTS）是一种具有显著电子、机械和化学特性的独特材料。
其导电本领不同于一般的导体。
性能方面的区分取决于应用，或许是优点，或许是缺点，或许是机会。
在一理想纳米碳管内，电传导以低温漂轨道传播的，假如电子管能无缝交接，低温漂是计算机芯片的优点。
诸如电连接等的混乱极大地修改了这行为。
对十较慢的模拟信号的处理速度，四周环围着平向球分子的碳纳米管充当传播者已被试验证明。
碳纳米管的多功能性质及其应用前景展望
碳纳米管的多功能性质及其应用前景展望碳纳米管是一种结构独特的碳材料，拥有众多优异的物理和化学特性。
它具有极高的强度和刚度，同时也具有优异的导电和导热性能。
这些特性使得碳纳米管成为一种极具应用前景的材料，被广泛应用于能源、材料、生物医学等领域。
1. 碳纳米管的制备碳纳米管的制备方法有很多种，如化学气相沉积（CVD）、电弧放电法、负离子注入等。
其中，CVD法是当前最主流的碳纳米管制备技术之一。
CVD法是利用金属催化剂如铁、镍等作为碳纳米管生长的催化剂，将一种含碳气体（如甲烷、乙烯等）引入反应管，通过高温下的化学反应，使碳纳米管沉积在催化剂表面上。
2. 碳纳米管的多功能性质碳纳米管具有多种优异的性质，如下所示：（1）高强度和高韧性碳纳米管的强度是钢铁的几百倍，可以承受极高的压力和拉力，同时也具有很好的韧性和弯曲性。
（2）很好的导电性和导热性碳纳米管是优秀的导电体和导热体，在微电子学和热管理领域有广泛的应用。
（3）超大的比表面积碳纳米管的比表面积极大，可以用于催化剂的载体、气体吸附材料和超级电容器等领域。
（4）抗腐蚀性能强由于碳纳米管形成的C-C键很强，因此碳纳米管具有很好的化学稳定性和抗腐蚀性能。
（5）生物相容性好碳纳米管在生物医学领域有着广泛的应用前景，因为碳纳米管与生物组织有很好的相容性。
3. 碳纳米管的应用前景展望目前，碳纳米管已经在多个领域得到了广泛的应用，下面列举几个典型的应用领域。
（1）能源领域碳纳米管作为电极材料被广泛应用于锂离子电池、超级电容器等能源领域。
碳纳米管的高比表面积和优异的导电性能使得其在能量密度和充电速度等性能上具有优势。
（2）材料领域碳纳米管作为一种新型材料，正在被广泛应用于复合材料、高强度纤维和超级材料等领域。
（3）生物医学领域碳纳米管在生物医学领域的应用前景非常广泛，可以用于药物输送、疫苗制备等领域，同时也可以用于生物成像和生物传感器等领域。
（4）环境领域碳纳米管可以用于污染物的检测和治理，同时也可以作为环境治理材料，如吸附材料等。
碳纳米管研究报告
碳纳米管研究报告碳纳米管是一种新兴的材料，它既具有高强度又有超强的耐腐蚀性，在未来将会发挥重要作用。
本文将结合碳纳米管的化学特性、力学性能、电学性能和生物医学应用，对它进行深入研究，旨在发掘它的潜力，未来能够更好地应用它。
一、碳纳米管的化学特性碳纳米管具有较高的碳氧化物结构，具有超强的耐腐蚀性。
其表面具有一定的电荷，这可以改变它的生物活性，增加其作为纳米材料的有效性。
此外，还有一些碳氧化物，如碳酸钙等，具有很好的附着力，对于不同的应用有着不同的功能。
二、碳纳米管的力学性能碳纳米管有着优异的力学性能，其弹性模量的大小可以根据其结构而定，它们有着非常高的抗弯强度，抗拉强度比钢材还要高，耐磨性也比钢材高。
同时，它们还具有很强的抗冲击能力，甚至在超高温下也能保持一定的强度。
三、碳纳米管的电学性能碳纳米管也具有优异的电学性能，其电阻率极低，可以大大提高电子材料的效率；其容量也极高，约为石墨烯4倍，能够有效地储存电能。
此外，它们还具有良好的导电性，可以抑制电路的失效，这在电子制造领域有重要作用。
四、碳纳米管的生物医学应用碳纳米管也可用于生物医学领域。
由于它们具有超强的耐腐蚀性及其高强度，可以用来制造医疗设备、改善人体组织修复治疗效果等。
另外，它们还可以用于基因治疗，具有增强免疫力的功效；用于抗癌药物的药物载体，以最大程度地抑制癌细胞的生长；在细胞快速传输信号的实验中，用于提高和优化实验效果等。
以上就是碳纳米管的一些特性和应用。
综上所述，碳纳米管有着较高的力学性能、超强的耐腐蚀性和良好的电学性能，以及众多生物医学应用，拥有着前所未有的潜力及应用前景。
未来需要加强对它的研究，进一步开发其功能，以及制定更好的应用方式，以期达到最佳效果。
碳纳米管用途
碳纳米管用途
1. 电子电路：碳纳米管可以用作晶体管和混频器，有助于提升电子设备的性能和稳定性。
2. 医疗技术：碳纳米管具有抗肿瘤活性，可用于肿瘤光子治疗和核素治疗；它也能够通过光热治疗及纳米靶向药物投放来调节人体内疾病的发展。
3. 能源转换：它具有良好的集电极传导性，可用作质子交换膜燃料电池（PEMFC）的电极材料，使能源更绿色化。
4. 生物传感器：它的尺寸和表面特性使它成为极具潜力的生物传感探测器，可用于快速、准确、灵敏的生物物质检测。
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作者介绍:孙晓刚(1957-),男,吉林人,江西金世纪冶金(集团)股份有限公司高级工程师,长期从事碳纳米管制备工艺的研究,并对碳纳米管的工业化生产进行了广泛深入的研究和商业策划工作。
收稿日期:2001-02-21 修回日期:2001-05-08碳纳米管的特性及应用孙晓刚1,曾效舒2,程国安2(1.江西金世纪冶金(集团)股份有限公司,江西南昌 330046; 2.南昌大学,江西南昌 330029)摘 要:介绍了巴基球及碳纳米管的发现和历史,重点介绍了碳纳米管的基本性能和晶体结构,描述了碳纳米管电传导和热传导的机理。文中还介绍了碳纳米管的主要生产方法和各自的优点。根据全球碳纳米管应用研究的方向,对碳纳米管的应用领域进行了探讨,展望了碳纳米管的应用前景及商业开发价值。关键词:碳纳米管;性能;制备;应用中图分类号:TB383 文献标识码:A文章编号:1008-5548(2001)06-0029-05
1 碳纳米管简介仅仅在十几年前,人们一般认为碳的同素异形体只有两种:石墨和金刚石。1985年,英国Sussex大学的Kroto教授和美国Rice大学的Smalley教授进行合作研究,用激光轰击石墨靶以尝试用人工的方法合成一些宇宙中的长碳链分子。在所得产物中他们意外发现了碳原子的一种新颖的排列方式,60个碳原子排列于一个截角二十面体的60个顶点,构成一个与现代足球形状完全相同的中空球,这种直径仅为0.7nm的球状分子即被称为碳60分子。此即为碳晶体的第三种形式。1991年,碳晶体家族的又一新成员出现了,这就是碳纳米管。日本NEC公司基础研究实验室的Iijima教授在给《Nature》杂志的信中宣布合成了一种新的碳结构。它由一些柱形的碳管同轴套构而成,直径大约在1～30nm之间,长度可达到1μm。
进一步的分析表明,这种管完全由碳原子构成,并可看成是由单层石墨六角网面以其上某一方向为轴,卷曲360°而形成的无缝中空管。相邻管子之间的距离约为0.34nm,与石墨中碳原子层与层之间的距离0.335nm相近,所以这种结构一般被称为碳纳米管。这是继C60之后发现的碳的又一同素异形体,是碳团簇领域的又一重大科研成果。碳纳米管由层状结构的石墨片卷曲而成,因卷曲的角度和直径不同,其结构各异:有左螺旋的、右螺旋的和不螺旋的。由单层石墨片卷成的称为单壁碳纳米管,多层石墨片卷成的称为多壁碳纳米管。碳纳米管的径向尺寸较小,管的外径一般在几纳米到几十纳米;管的内径更小,有的只有1nm左右。而碳纳米管的长度一般在微米量级,长度和直径比非常大,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。碳纳米管、碳纳米纤维材料一直是近年来国际科学的前沿领域之一。仅就碳纳米管而言,自从1991年被人类发现以来,就一直被誉为未来的材料。
2 基本性能碳纳米管的性质与其结构密切相关。就其导电性而言,碳纳米管可以是金属性的,也可以是半导体性的,甚至在同一根碳纳米管上的不同部位,由于结构的变化,也可以呈现出不同的导电性。此外,电子在碳纳米管的径向运动受到限制,表现出典型的量子限域效应;而电子在轴向的运动不受任何限制。无缺陷金属性碳纳米管被认为是弹道式导体,其导电性能仅次于超导体。根据经典电阻理论和欧姆定
第7卷第6期2001年12月中 国 粉 体 技 术ChinaPowderScienceandTechnologyVol.7No.6December2001律,导体的电阻和其长度成正比。但碳纳米管却表现出和经典理论完全不同的导电特性,碳纳米管的电阻和其长度及直径无关,电子通过碳纳米管时不会产生热量加热碳纳米管。电子在碳纳米管中的传输就像光信号在光学纤维电缆中传输一样,能量损失微小。因此,可以认为碳纳米管是一维量子导线。作为典型的一维量子输运材料,金属性的碳纳米管在低温下表现出典型的库仑阻塞效应。当外电子注入碳纳米管这一微小的电容器(其电压变化为ΔU=Q/C,其中Q为注入的电量,C为碳纳米管的电容)时,如果电容足够小,只要注入1个电子就会产生足够高的反向电压使电路阻断。当被注入的电子穿过碳纳米管后,反向阻断电压随之消失,又可以继续注入电子了。荷兰和美国的科学家用单根单层碳纳米管和3个电极,研制了可在室温下工作的场效应三极管。当施加合适的栅极电压时,碳纳米管便由导体变为绝缘体,从而实现了“0”、“1”状态的转换。最近,美国的科学家利用催化热解法成功地制备了碳纳米管-硅纳米线。测试表明,这种金属-半导体异质结具有二极管的整流作用。这标志着碳纳米管在微电子技术领域的应用开发工作迈出了重要的一步。在对单层碳纳米管电子结构研究的基础上,理论物理学家对多层碳纳米管的电子结构也进行了初步研究。结果表明,由两个金属性(或半金属性)的单层碳纳米管同轴套构所形成的双层碳纳米管,仍然保持其金属性(或半金属性)的特征。有趣的是,当一个金属性单层碳纳米管与一个半导体性单层碳纳米管同轴套构而形成一个双层碳纳米管时,两个单层管仍保持原来的金属性和半导体性。这一特性可用来制造具有同轴结构的金属-半导体器件。碳纳米管还具有优异的场发射性能。直径细小的碳纳米管可以用来制作极细的电子枪,在室温及低于80V的偏置电压下,即可获得0.1～1μA的发射电流。另外,开口碳纳米管比封闭碳纳米管具有更好的场发射特性。与目前的商用电子枪相比,碳纳米管电子枪具有尺寸小、发射电压低、发射密度大、稳定性高、无需加热和无需高真空等优点,有望在新一代冷阴极平面显示器中得到应用。除了奇特的导电性质之外,碳纳米管还有非凡的力学性质。理论计算表明,碳纳米管具有极高的强度和极大的韧性。由于碳纳米管中碳原子间距短、单层碳纳米管的管径小,使得结构中的缺陷不易存在,因此单层碳纳米管的杨氏模量据估计可高达5TPa(而钢的杨氏模量只有碳纳米管的1/5),可承担自身质量3000亿倍的拉力,其强度约为钢的100倍,而密度却只有钢的1/6。因此,碳纳米管被认为是强化相的终级形式,人们估计碳纳米管在复合中的应用前景将十分广阔。碳纳米管还有极高的韧性而不脆,在轴向施加压力或弯曲碳纳米管时,当外加压力超过Euler强度极限或弯曲强度时,碳纳米管不会断裂,而是首先发生大角度弯曲,然后打卷绞结在一起形成类似“麻花状”物体。当外力释放后碳纳米管又恢复原状。研究发现,电弧法生产的碳纳米管(直管)的杨氏模量比催化热解法生产的碳纳米管(弯管)的杨氏模量高一到两个数量级。此外,碳纳米管高的比表面积使其成为最有希望的新型储氢材料。碳纳米管还有优异的导热性能,是已知的最好的导热材料。纳米碳管依靠超声波传递热能,纳米碳管在一维方向传递热能,其传递速度可达到10000m/s。即使将纳米管捆在一起,热量也不会从一根纳米管传到另一根纳米管,纳米碳管优异的导电性能将能使它成为今后计算机芯片的导热板,也将可用于发动、火箭等各种高温部件的。多壁碳纳米管的基本性能:直径:10～50nm长度:1～10μm形状:针状、弯曲状、缠结状结构:典型为8层同轴套管,内孔直径1～2nm吸水率:4.50mL/g体积密度:0.1g/cm3
真实密度:2g/cm3
比表面积:250m2/g
弹性模量:1.28TPa弹性模量:～1TPa(单壁管)导热率:2000W/m·K(单壁管)抗拉强度:30GPa(单壁管)最大电流密度:1013A/m2(单壁管)
电阻率:10-4Ψ·cm(单壁管)
颜色:黑色
3 生产方法
人们已发明了多种方法来制备碳纳米管,以下简要介绍石墨电弧法、激光蒸发石墨法、有机气体催化热解法和低温固态热解法。(1)石墨电弧法 主要工艺是:在真空容器中充满一定压力的惰性气体或氢气,以掺有催化剂(金属镍、钴、铁等)的石墨为电极,在电弧放电的过程中,
30 ·Nano-meterMaterialsandNano-technology· ChinaPowderScienceandTechnology2001No.6阳极石墨被蒸发消耗,同时在阴极石墨上沉积碳纳米管,从而生产出碳纳米管。(2)激光蒸发石墨法 主要工艺是:利用激光蒸发经过用催化剂处理过的石墨目标,生产碳纳米管。上述两种方法目前主要用于生产单壁碳纳米管。(3)有机气体催化热解法(催化剂化学气相沉淀法) 催化剂化学气相沉淀法(catalyticchemicalva-pordeposition,CCVD)是一种成熟的生产工艺,是一种被广泛用来生产各种碳纤维和其他合成材料的方法。催化裂解法是使含有碳源的气体(如乙炔、乙烯等)流经金属催化剂(如铁、钴、镍等)表面时分解,产生碳纳米管。该工艺可以在较低温度下生产碳纳米管,且生产成本较低,便于商业化开发,是目前已知的最具商业开发价值和能够大规模生产碳纳米管的生产工艺。催化剂化学气相沉淀法可用于固定床、移动床及沸腾床3种方式进行生产,固定床生产设备相对较简单,生产工艺便于控制,产品质量稳定。移动床和沸腾床生产设备复杂昂贵,生产工艺过程较难控制,但有利于连续化生产,提高生产率。(4)低温固态热解法 低温固态热解法(low-temperaturesolidpyrolisis,LTSP)是通过制备中间体来生产碳纳米管的。首先制备出亚稳定状态的纳米级氮化碳硅(Si-C-N)陶瓷中间体,然后将此纳米陶瓷中间体放在氮化硼坩埚中,在石墨电阻炉中加热分解,同时通入氮气作为保护性气体,大约加热1h左右,纳米中间体粉末开始热解,碳原子向表面迁移。表层热解产物中可获得高比例的碳纳米管和大量的高硅氮化硅粉末。低温固态热解法工艺的最大优点在于有可能实现重复生产,从而有利于碳纳米管的大规模生产。4 碳纳米管的应用经过各国科学家近10年的研究,对碳纳米管的物理、化学、导电性能、热学性能、电子学等方面有了较深刻的了解,在基础研究和应用领域都取得了重要进展。碳纳米管有很大的应用潜力,应用领域十分广泛,具有巨大的商业价值。其高强度(大约是钢的100倍而质量只有钢的1/6)的特性使它可作为超细高强度纤维,也可作为其它纤维、金属、陶瓷等的增强材料。碳纳米管被认为是复合材料强化项的终极形式,在复合材料的制造领域中有十分广阔的应用前景。其独特的导电性(约1/3数量的单层碳纳米管可看成这种一维金属;另一类为半导体,2/3数量的碳管则可看成一维半导体)使碳纳米管可用于大规模集成电路、超导线材,也可用于电池电极和半导体器件。若能将药物储存在碳纳米管中,并通过一定的机制来激发药剂的释放,则可控药剂释放有可能变为现实。同时,碳纳米管是很好的储氢材料,可用作氢燃料汽车的燃料“储存箱”。主要用途简述如下。(1)超级电容器碳纳米管用作电双层电容器电极材料。电双层电容器即可用作电容器也可作为一种能量存储装置。超级电容器可大电流充放电,几乎没有充放电过电压,循环寿命可达上万次,工作温度范围很宽。电双层电容在声频-视频设备、调谐器、电话机和传真机等通讯设备及各种家用电器中可得到广泛应用。作为电双层电容电极材料,要求材料结晶度高、导电性好、比表面积大,微孔大小集中在一定的范围内。而目前一般用多孔炭作电极材料,不但微孔分布宽(对存储能量有贡献的孔不到30%),而且结晶度低、导电性差、导致容量小。没有合适的材料是限制电双层电容在更广阔范围内使用的一个重要原因。碳纳米管比表面积大、结晶度高、导电性好,微孔大小可通过合成工艺加以控制,因而是一种理想的电双层电容器电极材料。由于碳纳米管具有开放的多孔结构,并能在与电解质的交界面形成双电层,从而聚集大量电荷,功率密度可达8000W/kg。其在不同频率下测得的电容容量分别为102F/g(1Hz)和49F/g(100Hz)。碳纳米管超级电容器是已知的最大容量的电容器,存在着巨大的商业价值。(2)碳纳米管复合材料①导电塑料(聚脂)。将碳纳米管均匀地扩散到塑料中,可获得强度更高并具有导电性能的塑料,可用于静电喷涂和静电消除材料,目前高档汽车的塑料零件由于采用了这种材料,可用普通塑料取代原用的工程塑料,简化制造工艺,降低了成本,并获得形状更复杂、强度更高、表面更美观的塑料零部件,是静电喷涂塑料(聚脂)的发展方向。同时由于碳纳米管复合材料具有良好的导电性能,不会象绝缘塑料产生静电堆积,因此是用于静电消除、晶片加工、磁盘制造及洁净空间等领域的理想材料。碳纳米管还有静电屏蔽功能,由于电子设备外壳可消除外部静电对设备的干扰,保证电子设备正常工作。②电磁干扰屏蔽材料及隐形材料。由于特殊的