碳纳米管制备技术

碳纳米管的现状和前景

碳纳米管的现状和前景 信息技术更新日新月异，正如摩尔定律所言，集成电路的集成度每隔18 个月翻一番，即同样的成本下，集成电路的功能翻一倍。这些进步基于晶体管的发展，晶体管的缩小提高了集成电路的性能。 在硅基微电子学发展的过程中,器件的特征尺寸随着集成度的越来越高而日益减小,现在硅器件已经进入深微亚米阶段，也马上触及到硅器件发展的瓶颈，器件将不再遵从传统的运行规律,具有显著的量子效应和统计涨落特性. 为了解决这些问题,人们进行了不懈地努力,寻找新的材料和方法，来提高微电子器件的性能。研究基于碳纳米管的纳电子器件就是其中很有前途的一种方法。 碳纳米管简介 一直以来都认为碳只有两种形态——金刚石和石墨。直至1985年发现了以碳60为代表的富勒烯、从而改变了人类对碳形态的认识。1991年，日本筑波NEC研究室内科学家首次在电子显微镜里观察到有奇特的、由纯碳组成的纳米量级的线状物。此类纤细的分子就是碳纳米管 碳纳米管有许多优异的性能，如超高的反弹性、抗张强度和热稳定性等。被认为将在微型机器人、抗撞击汽车车身和抗震建筑等方面有着极好的应用前景。但是碳纳米管的第一个获得应用的领域是电子学领域、近年来，它已成为微电子技术领域的研究重要方面。 研究工作表明，在数十纳米上下的导线和功能器件可以用碳纳米管来制造，并连接成电子电路。其工作速度将过高于已有的产品而功率损耗却极低! 不少研究组已经成功地用碳纳米管制成了电子器件。例如IBM 的科学家们就用单根半导体碳纳米管和它两端的金属电极做成了场效应管（FETs）。通过是否往第三电极施加电压，可以成为开关，此器件在室温下的工作特性和硅器件非常相似，而导电性却高出许多，消耗功率也小。按理论推算，纳米级的开关的时钟频率可以达到1太赫以上，比现有的处理器要快1000倍。 碳纳米管的分类 石墨烯的碳原子片层一般可以从一层到上百层，根据碳纳米管管壁中碳原子层的数目被分为单壁和多壁碳纳米管。 单壁碳纳米管（SWNT）由单层石墨卷成柱状无缝管而形成是结构完美的单分子材料。SWNT 的直径一般为1－6 nm，最小直径大约为0.5 nm，与C36 分子的直径相当,但SWNT 的直径大于6nm 以后特别不稳定，会发生SWNT 管的塌陷，长度则可达几百纳米到几个微米。因为SWNT 的最小直径与富勒烯分子类似，故也有人称其为巴基管或富勒管。 多壁碳纳米管MWNT可看作由多个不同直径的单壁碳纳米管同轴套构而成。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。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

碳纳米管纳米材料的应用要点

碳纳米管及其复合材料在储能电池中的应用 摘要碳纳米管具有良好的机械性能和导电性、高化学稳定性、大表面积以及独特的一维结构，选择合适的方法制备出碳纳米管复合材料，可以使其各种物理化学性能得到增强, 因而在很多领域有着极大的应用前景，尤其是在储能电池中的应用。本文分析了碳纳米管及其复合材料的特点，总结了碳纳米管的储锂机理，对其发展趋势作了展望。 关键词碳纳米管复合材料储能电池应用 Abstract carbon nanotubes（CNTs） are nanometer-sized carbon materials with the characteristics of unique one-dimensional geometric structure，large surface area，high electrical conductivity，elevated mechanical strength and strong chemical inertness. Selecting appropriate methods to prepare carbon nanotube composites can enhance physical and chemical properties , and these composites have a great future in many areas，especially in energy storage batteries . In this paper, based on the analysis and comparison of the advantages and disadvantages of carbon nanotube composites，the enhancement mechanisms of the CNTs catalysts are introduced. Afterward，the lithium ion storage properties are summarized according to the preparation methods of composite materials. Finally, the prospects and challenge for these composite materials are also discussed. Keywords carbon nanotube; composite; energy storage batteries; application 1 引言 碳纳米管(CNTs)在2004 年被人们发现，是一种具有特殊结构的一维量子材料, 它的径向尺寸可达到纳米级, 轴向尺寸为微米级, 管的两端一般都封口, 因此它有很大的强度, 同时巨大的长径比有望使其制作成韧性极好的碳纤维。碳纳米管由于其独特的一维纳米形貌被作为锂离子电池负极材料广泛研究，通过对碳纳米管进行剪切，官能化及掺杂等方法进行改性处理，能有效的减少碳纳米管的首次不可逆容量，增加可逆的储锂比容量。此外，碳纳米管的中空结构也成为抑制高容量金属及金属氧化物体积膨胀理想复合基体。本文中，我们研究了碳纳米管的储锂性能，考察了碳纳米管作为锡类复合材料基体，其内部限域空间对高容量金属及金属氧化物的储锂性能促进的具体原因。该研究结果为碳纳米管以及其他具有限域空间的结构在锂离子电池中的应用提供了参考。 2 碳纳米管的储锂机理和应用 相比广泛应用的石墨类材料，碳纳米管在锂离子电池负极材料中有其独特的应用优势。首先，碳纳米管的尺寸在纳米级，管内及间隙空间也都处于纳米尺寸级，因而具有纳米材料的小尺寸效应，能有效的增加锂离子在化学电源中的反应活性空间；其次，碳纳米管的比表面积较大，能增加锂离子的反应活性位，并且随着

碳纳米管的性质与应用

碳纳米管的性质与应用 【摘要】 本文主要介绍了碳纳米管的结构特点，制备方法，特殊性质，由于碳纳米管独特性质而产生的广泛应用，并对其前景进行展望。 【关键词】 碳纳米管场发射复合材料优良性能 【前言】 自日本NEC科学家Lijima发现碳纳米管以来，碳纳米管研究一直是国际新材料领域研究的热点。由于碳纳米管具有特殊的导电性能、力学性质及物理化学性质等，故其在许多领域具有其广阔的应用前景，自问世以来即引起广泛关注。目前，国内外有许多科学家对碳纳米管进行研究，科研成果颇丰，尤其是碳纳米管在复合材料、储氢及催化等领域的应用。 【正文】 一、碳纳米管的结构 碳纳米管中碳原子以sp2杂化为主，同时六角型网格结构存在一定程度的弯曲，形成空间拓扑结构，其中可形成一定的sp3杂化键，即形成的化学键同时具有sp2和sp3混合杂化状态，而这些p 轨道彼此交叠在碳纳米管石墨烯片层外形成高度离域化的大π 键，碳纳米管外表面的大π 键是碳纳米管与一些具有共轭性能的大分子以非共价键复合的化学基础[1]。 对多壁碳纳米管的光电子能谱研究结果表明，不论单壁碳纳米管还是多壁碳纳米管，其表面都结合有一定的官能基团，而且不同制备方法获得的碳纳米管由于制备方法各异，后处理过程不同而具有不同的表面结构。一般来讲，单壁碳纳米管具有较高的化学惰性，其表面要纯净一些，而多壁碳纳米管表面要活泼得多，结合有大量的表面基团，如羧基等。以变角X 光电子能谱对碳纳米管的表面检测结果表明，单壁碳纳米管表面具有化学惰性，化学结构比较简单，而且随着碳纳米管管壁层数的增加，缺陷和化学反应性增强，表面化学结构趋向复杂化。内层碳原子的化学结构比较单一，外层碳原子的化学组成比较复杂，而且外层碳原子上往往沉积有大量的无定形碳。由于具有物理结构和化学结构的不均匀性，碳

碳纤维表面处理技术研究进展

合成纤维工业,291922(4) ：7/ CHINA SYNTHETIN FINER INDUSTRY 综述与专论 碳纤维表面处理技术研究进展 周雪松，王亚东，匡培东，蒋爱云* *,张保丰收稿日期：295-12-29；修改稿收到日期：295应545。 作者简介：周雪松5997—),男，本科，研究方向为聚合物 基复合材料。E-maii ：54638423@qq. com 。 基金项目：河南省科技攻关项目(1621622163/3 / ；黄河科技 学院大学生创新创业训练计划项目(2918QXSCXCY933-。 * 通信联系人。E-maii ：5359294@qq. com 。 (黄河科技学院机械工程学院，河南郑州450063) 摘 要：介绍了在碳纤维增强树脂基复合材料中常用的碳纤维表面处理技术,以及不同处理方式对碳纤维 力学性能及其增强的聚合物复合材料力学性能的影响。比较了各种表面处理技术的优缺点,并分析了碳纤 维表面处理技术的发展趋势。目前，碳纤维的表面处理技术主要有电化学氧化法、偶联剂涂层处理、气相氧 化法、液相氧化法和等离子体处理，其中，气相氧化法是目前比较常用的方法，电化学氧化法是目前唯一能够 在碳纤维制备时可在线连续运行的技术，且经电化学氧化处理过的碳纤维增强树脂基复合材料的整体性能 均得到提高。采用碳纳米管和石墨烯等碳纳米材料对碳纤维进行表面处理已成为新的研究热点，碳纤维表 面处理的低成本化、绿色化和连续生产化将是今后的重点研究方向。 关键词：碳纤维增强复合材料表面处理电化学氧化气相氧化 中图分类号：TQ342 + .742 文献标识码：A 碳纤维(CF)具有质轻、髙强度、髙模量、耐腐 蚀、耐疲劳、耐髙温、导热、散热性好和热膨胀系数 小等特点5］,经常用作复合材料的增强体。一般 CF 增强树脂基复合材料(CFRP )的抗拉强度都在 6 590 MP-以上,是钢的9~9倍，抗拉弹性模量为 23~43GPa,亦高于钢。因此,CF 增强树脂基复 合材料广泛应用在体育器械、纺织、化工机械及医 学等领域。 在飞机和汽车上，越来越多地使用CF 替代 金属，目的是减轻质量、改善燃效性能5］。随着 火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要，对CF 增强树脂基复合材料的技术性能要求日益严苛, 但是,CF 表面化学性呈惰性,缺少具有活性的官 能团，所以使用未经任何处理的CF 制备复合材 料,纤维无法与基体紧密地结合,基体的负载也就 不能有效地传递到纤维上,CF 的优异性能得不到 充分的发挥,极大地限制了复合材料整体力学性 能的提高。因此，必须对CF 进行表面处理，用处 CF 强 基 合材料, 以 髙其性 能,满足某些科学领域对其性能的综合要求。对 CF , 纤维与基体 结合 , 充 分发挥纤维 强体作用, 合材料性能 具有重大的意义5］。 作者主要对电化学氧化法、偶联剂涂层处理、 气相氧化法、液相氧化法和等离子体处理改性方 法及其优缺点进行了综述，并简单列举了几种目CF 点 , 发展 文章编号：591应942(295)94应972应4 趋势进行了展望。 1 CF 的表面处理技术 CF 目 以 点：(1)对CF 表面造成刻蚀,形成微孔或刻蚀沟 槽；(2)在CF 表面引入极性基团或活性反应官能 团;(6)形成与基体树脂间粘附力强的中间层;(9)从类石墨结构改性为碳链状结构以增加表面 能⑷。由于CF 具有特殊的表面结构，众多研究 者提出了很多CF 的表面处理方法，概括起来可 以分为 学氧 法、偶联剂涂 、 相氧 法、液相氧 法 离 。 1.1电化学氧化法 电化学氧化是利用CF 的导电性能，以CF 为 阳极，石墨、铜板或锌板等为阴极,在直流电场的 作用下，以不同的酸碱盐的溶液作为电解液，对 CF 方法。 学氧 作用为 氧 刻蚀与官能团 合作用 过程5］o 董广雨等5］以质量分数5%碳酸氢0溶 液为电解液，电解时间89 s,电流强度44 mA,电 解温度为55 C,对连续碳纤维(CCF)进行电化学 氧化处理;处理后的CCF 表面轴向沟壑变得较宽

碳纳米管器件原理和应用

碳纳米管器件原理和 应用 姓名：郭天凯 专业：应用物理 学号：2012437019

摘要： 纳米材料被誉为是21 世纪的重要材料，它将构成未来智能社会的四大支柱之一。碳纳米管在纳米材料中最富有代表性，并且是性能最优异的材料。碳纳米管具有独特的结构形态和优异的电学、力学等性能，碳纳米管的独特结构和优异的物理力学性能使它成为纳米科技领域中构筑纳尺度器件和系统的重要基础，为纳米科技领域的创新提供着持续强劲的原动力。碳纳米管在各种应用领域中的巨大应用前景，包括高强度复合材料、微机械、信息存储、纳米电子器件、平板场致发射显示器以及碳纳米管微操作等，碳纳米管独特的结构和优良性能使其在纳米技术和纳米电子学领域扮演着愈来愈重要的角色，本文综述了碳纳米管器件的原理和应用。 关键词：碳纳米管器件、场效应管、单电子晶体管、电磁屏蔽复合材料、聚合物基吸波复合材料、超电容器电极材料、储氢材料、催化剂载体 正文： 一、碳纳米管器件的制备原理 碳纳米管的生长和制备是场致发射显示器研制中关键的一个环节。目前，人们可以利用激光轰击法、化学汽相沉积法、辉光放电法、直流电弧放电法、气体燃烧法、催化剂高温热解法等多种方法制备碳纳米管。在这些技术当中，直流电弧放电法的生产工艺简单，可以大批量生产。虽然目前已经有很多种制备碳纳米管的方法，但是碳纳米管的大量制备仍然是以电弧放电法和高温催化热解法为主。其中电弧

放电法可以获得具有较高程度石墨化结构的碳纳米管，十分适用于理论研究的需要。C.Journet等人采用电弧法的工艺过程如下：在氩气气氛下，利用阴阳两个电极之间的大量放电现象来实现碳纳米管材料的生长。阴极是一个长约100mm、直径大约6mm的石墨棒，上面刻蚀了一个4mm深、3.5mm直径大小的孔洞，利用金属催化剂和石墨粉末的混合物进行填充。利用大约为100A的高电流来产生电弧放电，通过不断移动阳极，同时保持阴极和阳极之间的间距为常数（大约为 3mm）来实现的。典型的生长时间为2min。从SEM的结果看，存在着大量的、相互缠绕的碳纤维材料均匀地分布在至少为几个平方毫米的衬底表面上，碳纳米管的直径为10~20nm，而两个缠绕点之间的平均距离在几个微米左右，但是看不出碳纳米管的顶端。估计碳纳米管的产量在百分之八十左右。 碳纳米管的电学性能，单壁碳纳米管既可表现为金属性，又可表现为半导体性；电子在碳纳米管中可实现弹道式传输，无电子散射发生，无能量损失；碳纳米管的通流能力可以达到109? 1010A/cm2，并在较高的温度下稳定地存在而没有电迁移现象；碳纳米管的电流传输具有螺旋特征，使其磁场分布主要集中在碳管的内部；碳纳米管的场发射特性具有相对低的开启电压和阈值电压、良好的场发射稳定性和长的发射周期；碳纳米管的微波介电特性使其表现出较强的宽带微波吸收性能。碳纳米管的力学性能，比重为钢的1/6，强度为钢的100 倍，杨氏模量可达1000 GPa，比金刚石高好几倍，弹性模量可达 1 TPa；具有高弹性，高的韧性；通过材料的响应，直接把电能转化为机械能。

碳纳米管的制备

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。 电弧放电法 碳纳米管制备 电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法。1991年日本物理学家饭岛澄男就是从电弧放电 法生产的碳纤维中首次发现碳纳米管的。电弧放电法的具体过程是：将石墨电极置于充满氦气或氩气的反应容器中，在两极之间激发出电弧，此时温度可以达到4000度左右。在 这种条件下，石墨会蒸发，生成的产物有富勒烯（C60）、无定型碳和单壁或多壁的碳纳 米管。通过控制催化剂和容器中的氢气含量，可以调节几种产物的相对产量。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。 发展出了化学气相沉积法，或称为碳氢气体热解法，在一定程度上克服了电弧放电法的缺陷。这种方法是让气态烃通过附着有催化剂微粒的模板，在800~1200度的条件下，气态 烃可以分解生成碳纳米管。这种方法突出的优点是残余反应物为气体，可以离开反应体系，得到纯度比较高的碳纳米管，同时温度亦不需要很高，相对而言节省了能量。但是制得 的碳纳米管管径不整齐，形状不规则，并且在制备过程中必须要用到催化剂。这种方法的主要研究方向是希望通过控制模板上催化剂的排列方式来控制生成的碳纳米管的结构，已经取得了一定进展。 激光烧蚀法 激光烧蚀法的具体过程是：在一长条石英管中间放置一根金属催化剂/石墨混合的石墨靶，该管则置于一加热炉内。当炉温升至一定温度时，将惰性气体冲入管内，并将一束激光聚焦于石墨靶上。在激光照射下生成气态碳，这些气态碳和催化剂粒子被气流从高温区带向低温区时，在催化剂的作用下生长成CNTs。 固相热解法

稀土改性碳纳米管自组装复合膜实验方案

稀土改性碳纳米管自组装复合膜实验方案 亓永 一、研究基础（前人的研究工作） 1. 玻璃基片上的3-巯丙基三甲氧基硅烷（MPTS）自组装膜（3-巯丙基三甲 氧基硅烷自组装膜的制备及其摩擦学性能，上海交通大学学报，白涛）2. 玻璃基片上的γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷（MPTES）自组装膜（γ- 甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷自组装膜的制备及其摩擦学性能，摩擦学学报，吴炬） 3. 三氯十八硅烷(octadecyltrichorosilane OTS)/3－胺基丙基2三甲氧基硅烷 (3-aminopropyltrimethoxysilane APTMS) 和APTMS/OTS 复合自组装分子膜（复合自组装分子膜的摩擦特性研究，电子显微学报，张会臣） 二、研究目的 本研究工作基于在硅基表面自组装膜表面沉积碳纳米管以制备复合膜为润滑膜，来降低微型机械运动副表面摩擦磨损的思想。确定制备碳纳米管自组装复合膜的最佳工艺；研究复合膜的表面分布形态，探明其成膜机理；研究碳纳米管复合膜在不同试验参数下的摩擦磨损形式、特征及抗磨损寿命；通过对碳纳米管复合膜微观摩擦学性能的研究，分析其表面特性与摩擦学性能之间的关系；探明碳纳米管复合膜摩擦磨损和边界润滑的作用机理。 三、自组装膜的成膜机理分析 稀土元素具有典型的电子结构（- - - 4f 0-14）所决定的化学活性，从近代物理化学和固体分子电子理论的基本观点出发，认为在存在着H、O、N、C等典型非金属元素（醇类溶剂中的元素）来组成的复杂体系中，由于电子的交换及原子间的极化作用，原子尺寸势必发生很大的变化，稀土将被极化，成为活性元素，可作为表面活化剂和浅层渗入元素。 稀土（Re）电负性低、活性大，不仅可以洁净碳纳米管的表面，还可以形成Re―C键或混合杂化使其状态更稳定。作为表面活性中心的稀土元素，由于其配位数很高，可以与稀土改性剂中的有机活性基团继续发生配位化学反应，把一些有机活性基团引入到碳纳米管表面。此外，离子化稀土很可能渗入碳纳米管的缺

碳纳米管的结构_制备_物性和应用

第14卷　第2期邵阳高等专科学校学报Vol.14.No.2 2001年6月Journal of Shaoyang College J un.2001文章编号:1009-2439(2001)02-0081-10 碳纳米管的结构、制备、物性和应用 唐东升1　唐成名2　刘朝晖3　解思深1 (①中国科学院物理研究所与凝聚态中心,北京　100080) (②　邵阳高等专科学校,湖南邵阳　422004) (③　南华大学现代教育技术中心,湖南衡阳　430000) 摘要:综述了碳纳米管的研究进展,简单地介绍了单层碳纳米管和多层碳纳米管的基本形貌、结构及其表征,列举了几种主要的制备方法以及特点,介绍了碳纳米管优异的物理化学性质,以及在各个领域中潜在的应用前景. 关键词:碳纳米管;结构;制备;应用;透射电子显微镜;扫描电子显微镜 中图分类号:O469 文献标识码:A 碳是自然界中性质最为独特的一种元素,它通过不同的成键方式所形成结构和性质迥异的同素异形体(石墨和金刚石),在很久以前就被人类所认识:当碳原子与四个近邻原子以共价键结合(sp3杂化)时,形成各向同性坚硬的金刚石,而当碳原子在同一平面内与三个近邻原子以共价键结合而第四个价电子成为共有化电子(sp2杂化)时,形成各向异性柔软的石墨.以sp2杂化模式成键的石墨具有六角网格的层状结构,层内是通过强共价键相互作用,而层与层之间是通过弱范德瓦耳斯键相互作用.在常压下石墨一直到很高的温度仍是碳的热力学稳定的体相(金刚石仅仅是动力学稳定的体相).然而随着人类对物质世界的认识深入到介观层次(～100nm)时,这种古老的元素呈现出全新的结构和物性,比如当石墨微晶的尺寸很小(比如纳米量级)时,情况就和体相很不一样了,因为此时每个石墨微晶中只有有限数目的碳原子,具有悬挂键的碳原子的密度会很大,这时石墨的层状结构就会弯曲封闭,以至边缘的具有悬挂键的碳原子相互结合成键使得系统的能量最低.这种由石墨原于层弯曲构成的闭合的壳层结构就是我们所要讨论的富勒烯和碳纳米管. 1984年爱克森(Exxon)石油公司一个小组在研究碳团簇时得到了如下结论[1]对于1≤n≤30奇数与偶数的C n都是存在的;(2)对于20≤n≤90只有C2n形式存在.他们认为碳原子链可以达到24个原子.遗憾的是他们并没有对较大的团簇做进一步的研究.一年之后英国Sussex大学的克罗托教授到美国Rice大学与柯尔(R.F.Curl)和斯莫利(R.E.Smalley)进行合作研究.他们认为宇宙空间存在的反常红外吸收可能与空间存在的碳团簇有关.于是他们利用一台激光蒸发团簇束的实验设备来制备长链碳分子.在对合成的所谓长链碳分子进行测量时,出人意料的结果出现了,在碳原子簇的质谱图上质量数为720的地方存在一个强峰,其强度为其它峰强度的30倍[3].在对实验结果的反复论证和分析后,他们提出了由60个碳原子组成的具有类似于足球形状的截角二十面体的完美对称性结构.在这个结构中60个碳原子位于此截面体的60个顶点上.而32个面分别由20个六面体及12个五面体组成,五面体各不相邻.在此笼状结构中碳原子没有悬键,因而能量低结构稳定.各个原子成键情况完全相同.随后的一系列实验证实了这些设想.这样,在碳的家族中,又增加了新的一员-C60[2～5],三位教授因此获得了1996年诺贝尔化学奖. 此后两项工作引起了世界范围内研究富勒烯(C60)的热潮:(1)1990年,德国马普研究所的克莱希墨(W. Kratschmer)教授和美国亚历桑那大学的霍夫曼(D.R.Huffman)教授从石墨棒电弧放电产生的烟灰中分离出毫克级的C60,并得到了C60单晶[6].这一重大进展为进一步研究C60的性质和应用打下了坚实的基础.(2)海顿(R. C.Haddon)教授等人发现碱金属掺杂后形成的M3C60具有较高的超导转变温度(T c～33K)[7].于是大家纷纷用与克莱希墨类似的方法从放电烟灰中制备C60[8～12],并进行掺杂研究,但很少有人对放电过程中阴极上形成的沉积物产生兴趣.碳的管状物虽然早有报道,但由于管径较大没有受到人们的重视[13,14].日本NEC公司的饭岛(S.Iijima)教授是一名杰出的电镜专家,在对碳材料的研究方面具有相当丰富的经验[15].他第一个对石墨棒放电所形成的阴极沉积物仔细地进行了电镜研究,他发现有一种针状物,这种针状物的直径为4～30nm,长度约为 收稿日期:2001-01-15

碳纳米管的制备方法

碳纳米管的制备方法 摘要：本文简单介绍了碳纳米管的结构性能，主要介绍碳纳米管的制备方 法， 包括石墨电弧法、催化裂解法，激光蒸发法等方法,也对各种制备方法的优缺 点进行 了阐述。 关键词：碳纳米管制备方法 Preparation of carbon nanotubes Abstract： The structure and performance of carbon nanotubes are briefly introduced, and some synthesis methods, including graphite arc discharge method, catalytic cracking method, laser evaporation method and so on, are reviewed. And the advantages and disadvantages of various preparation methods are also described. Key words：carbon nanotubes methods of preparation 纳米材料被誉为是21世纪最重要材料，是构成未来智能社会的四大支柱之一 ,而碳纳米管是纳米材料中最富有代表性，并且是性能最优异的材料。碳纳米管是碳 的一种同素异形体，它包涵了大多数物质的性质，甚至是两种相对立的性质，如从高 硬度到高韧性，从全吸光到全透光、从绝热到良导热、绝缘体/半导体/高导体和高临界温度的超导体等。正是由于碳纳米材料具有这些奇异的特性，被发现的短短十几年

来，已经广泛影响了物理、化学、材料等众多科学领域并显示出巨大的潜在应用前景。 碳纳米管又名巴基管，即管状的纳米级石墨晶体。它具有典型的层状中空结构， 构成碳纳米管的层片之间存在一定夹角，管身是准圆筒结构，并且大多数由五边形截 面组成，端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构。是一种具有特殊结构（径向 尺寸为纳米量级、轴向尺寸为微米两级，管子两端基本上都封口）的一维纳米材料。 碳纳米管存在多壁碳纳米管(MWNTS)和单壁碳纳米管（SWNTS）两种形式。单层碳纳米管结构模型如图1所示。理想的多层碳纳米管可看成多个直径不等的单层管同轴套构而成，层数可以从二层到几十层，层与层之间保持固定距离约为0.34nm，直径一般为2~20nm.但实际制备的碳纳米管并不完全是直的或直径均匀的，而是局部 1 区域出现凸凹弯曲现象，有时会出现各种形状如L、T、Y形管等。研究认为所有这 些形状的出现是由于碳六边形网络中引入五边形和七边形缺陷所致。五边形的引入引 起正弯曲，七边形的引入引起负弯曲。

碳纳米管在涂料中的应用研究概况

碳纳米管在涂料中的应用研究概况 周如东，吴璇，张荣伟，陆文明，陆梦南 （中海油常州涂料化工研究院213016） 摘要：碳纳米管因其独特的结构和优异的物理化学性能，具有广阔的应用前景和巨大的商业价值。综述了碳纳米管的结构、性能和制备方法以及碳纳米管在导电涂料、抗静电涂料、隐身吸波涂料等一系列功能性涂料中的应用研究现状，并指出了碳纳米管应用于涂料工业亟待解决的问题。 关键词：碳纳米管；导电涂料；抗静电；隐身涂料；吸波涂料 前言 纳米材料由于其尺寸处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等特性，展现出许多独特的物理化学性质。20世纪80年代初期纳米材料这一概念形成以后，世界各国都给予了极大关注。它所具有的独特性质，给物理、化学、材料、生物、医药等领域的研究带米新的机遇。近年来，新型纳米材料和纳米技术在涂料工业中获得了大量应用，为提高涂料性能和赋予其特殊功能开辟了一条新途径。作为一种极具发展潜力的新型纳米材料，碳纳米管（CarbonNanotubes，CNTs）具有金属或半导体的导电性、极高的机械强度、储氢能力、吸附能力和较强的微波吸收能力等特性，将其应用于涂料领域，可使传统涂层的性能得到提升并赋予其新的功能。 1.碳纳米管的结构、性能与制备方法 1.1碳纳米管的结构 碳纳米管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（原子排列结构见图1）。按照所含石墨片层数的不同，碳纳米管可以分成单壁碳纳米管（Single-wallednanotubes，SWNTs）和多壁碳纳米管 （Multi-wallednanotubes，MWNTs）。其中，SWNTs由一层石墨片组成；MWNTs 由多层石墨片组成，形状与同轴电缆相似（剖面结构见图2）。 图1 SWNTs原子排列结构示意图

碳纳米管及其应用新领域

碳纳米管及其应用新领域摘要：综述了碳纳米管材料独特性能及其应用潜力，详细说明了碳纳米管材料在各种应用领域中的巨大应用前景，包括高强度复合材料、微机械、信息存储、纳米电子器件等。关键词：碳纳米管的性能，碳纳米管的应用新领域，储氮材料，复合材料，信息存储，碳纳米电子学 前言：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，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口）的一维量子材料。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。 一、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。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似，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、抗疲劳性及各向同性，给复合材料的性能带来极大的改善。 导电性能 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。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。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。 二、碳纳米管电子学的应用 碳纳米电子管（eNTs是一种具有显著电子、机械和化学特性的独特材料。其导电能力不同于普通的导体。性能方面的区别取决于应用，也许是优点，也许是缺点，也许是机会。在一理想纳米碳管内，电传导以低温漂轨道传播的，如果电子管能无缝交接，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，四周环绕着平向球分子的碳纳米管充当传播者已被实验让实。在后门将有碳的纳米管穿过两根金导线证明了场效应分子晶体管，近来证实逻辑电路的难题 遇到了静电掺杂碳纳米管。碳纳米管的掺杂质可使用化学方法来完成。CMOS类型变极器有 n型和p型掺杂两种。这项工作用达到10A5的开关比率且具有高增益的晶体管电阻逻辑以实验证明了变极器和或非电路的性能。显然，通过适当地排列碳纳米管晶体管顺序可实现与、

碳纳米管的结构、性能和应用

碳纳米管的制备、性质和应用 摘要：综述了碳纳米管的研究进展，简单地介绍了单层碳纳米管和多层碳纳米管的基本形貌、结构及其表征，列举了几种主要的制备方法以及特点，介绍了碳纳米管优异的物理化学性质，以及在各个领域中潜在的应用前景和商业开发价值。 Abstract: the article reviews the study progress in nanotubes, and gives a brief introduction to single-layer carbon nanotubes and multi-walled carbon nanotubes of their morphology, structure and characterization. At the same time ,the commonly used ways of preparation and principles as well as the applications and research prospect of carbon nanotubes are also presented. Key words: carbon nanotubes ; preparation; application 前言 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1-2。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这种一种新的碳结构3。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(CNTs)具有较大的长径比和比表面积、较低的电阻和很高的化学稳定性，同时又可吸附适合其内径的分子，在材料科学、微电子学、电化学领域中都有重要应用。 1碳纳米管的结构 碳原子sp2杂化形成关闭或开放的蜂巢状原子排列，卷曲产生管状的碳结构。CNTs的直径为零点几纳米至几十纳米，每个单壁管侧面由碳原子的六边形组成，长度一般为几十纳米至微米级，两端由碳原子的五边形封顶，单壁碳纳米管(SWNTs)存在3种类型的结构，分别为单壁纳米管(Armchair nanotubes)、锯齿型纳米管(Zigzag nanotubes)和手性型纳米管(Chiral nanotubes)，见图14。多层碳纳米管一般有几个到几十个SWNT同轴构成，管间距为0.34nm左右，这相当于石墨的{0002}面间距，直径约为1nm，长径比大。 图13种类型的碳纳米管 CNTs的性能由它们的直径和手性角θ来确定，而这两个参数又取决于两个整数n和m 值，Ch=na1+ma2，a1和a2为CNTs一个单胞的单位矢量。手性矢量形成了纳米管圆形横截面的圆周，不同的m和n值导致了不同的纳米管结构1,5。 2碳纳米管的制备

碳纳米管制备及其应用

碳纳米管的制备及其应用进展 10710030133 周健波 摘要：本文通过对新型化工材料碳纳米管的结构以及制备方法的介绍，并说明了制备纳米管方法有石墨电弧法、激光蒸发法、催化热解法等技术。同时也叙述了碳纳米管在力学性能、光学性能、电磁学性能等性能的研究及其应用。 关键词：碳纳米管制备结构石墨电弧法应用 1.引言 1991年日本科学家IIJI MA发现了碳纳米管（Carbon nanotube , CNT）, 开辟了碳科学发展的新空间. 碳纳米管具有机械强度高、比表面大、电导率高、界面效应强等特点,以及特殊的机械、物理、化学性能,在工程材料、催化、吸附分离、储能器件电极材料等诸多领域得到了广泛应用。 2.碳纳米管的结构 碳纳米管中碳原子以sp2杂化为主, 与相邻的3个碳原子相连,形成六角形网格结构,但此六角形网格结构会产生一定的弯曲, 可形成一定的sp3杂化键。 单壁碳纳米管( SW CNT )的直径在零点几纳米到几纳米之间,长度可达几十微米;多壁碳纳米管(MW CNT)的直径在几纳米到几十纳米之间长度可达几毫米,层与层之间保持固定的间距,与石墨的层间距相当,约为0 . 134 nm。碳纳米管同一层的碳管内原子间有很强的键合力和极高的同轴向性,可看作是轴向具有周期性的一维晶体，其晶体结构为密排六方, 被认为是理想的一维材料。 碳纳米管可看成是由石墨片层绕中心轴卷曲而成, 卷曲时石墨片层中保持不变的六边形网格与碳纳米管轴向之间可能会出现夹角即螺旋角.当螺旋角为零时, 碳纳米管中的网格不产生螺旋而不具有手性, 称之为锯齿型碳纳米管或扶手型碳纳米管;当碳纳米管中的网格产生螺旋现象而具有手性时,称为螺旋型碳纳米管。随着直径与螺旋角的不同, 碳纳米管可表现出金属性或半导体性。 3.碳纳米管的制备方法 3.1石墨电弧法

碳纳米管增强环氧树脂基复合材料的制备及其力学性能

第１期张吴等：碳纳米管增强环氧树脂基复合材料的制备及其力学性能 圳纳米港有限公司；环氧树脂Ｅ一５１（ＥＰ），蓝星新材料无锡树脂厂；固化剂甲基四氢苯酐（ＭＴＨＰＡ）、促进剂２，４，６一三（二甲胺基甲基）苯酚（ＤＭＰ一３０），北京化学试剂公司。 １．２ＭＷＮＴｓ／环氧树脂复合材料的制备 首先对多壁碳纳米管进行表面处理，用硝酸沸点回流法对碳纳米管进行处理，在２５０ｍＬ的烧瓶中加入适量碳纳米管，然后加入１００ｍＬ浓硝酸，在沸腾状态下冷凝回流５ｈ，冷却后取出，过滤，并用去离子水冲洗至中性，６０℃烘干２４ｈ。 将环氧树脂、固化剂和促进剂按照质量比为１００：７０：ｌ的配比分别准确称量６０、４２和０．６ｇ混合后，放人数显恒温水浴仪中在６０℃条件下恒温加热５ｒａｉｎ，在加热过程中用玻璃棒不断搅拌溶液来增加溶液的流动性和均匀性。 按以上混合溶液质量的０．５％、１％、１．５％和２％的比例，分别准确称量碳纳米管０．５１３、１．０２６、１．５３９和２．０５２ｇ。将碳纳米管加入环氧树脂中，用玻璃棒搅拌后再用功率为６００Ｗ超声波分散仪进行超声处理４ｈ。超声分散结束后，将其放入真空烘箱中在６０℃、一０．１ＭＰａ下排除气泡０．５ｈ。排除气泡后，将其取出浇注到已涂好脱模剂并已预热的模具中，拉伸和弯曲试样模具的尺寸分别与ＧＢ２５６８－－８１和ＧＢ２５７０－－８１标准一致，放入烘箱进行加热固化，固化的条件为９０℃保温Ｉｈ，１３０ｏＣ恒温２ｈ，１６０℃恒温２ｈ，然后在烘箱中自然冷却。 １．３测试分析 采用ＨｉｔａｃｈｉＳ－４７００型场发射扫描电镜（ＳＥＭ）和ＨｉｔａｃｈｉＨ一８００型透射电镜（ＴＥＭ）对复合材料和ＭＷＮＴｓ进行观察。将材料的拉伸断面切下，表面喷金后进行形貌观察。 采用Ｉｎｓｔｒｏｎ一１１８５万能材料实验机测试复合材料力学性能。分别按照ＧＢ２５６８－－８１和ＧＢ２５７０－－８１测试复合材料的拉伸和弯曲力学性能，拉伸和加载速率均为１０ｍｍ／ｍｉｎ，每个数据为６个试样测试所得平均值。 ２结果和讨论 ２．１ＭＷＮＴｓ的微观结构 图１是未进行表面处理碳纳米管的ＳＥＭ照片，可以看出，由于碳纳米管独特的结构，具有很大的表面能，使其相互缠绕在一起呈网状结构，而且碳纳米管端部含有催化剂粒子。图２是用浓硝酸沸点回流法处理后碳纳米管的ＴＥＭ照片，从图２可以看出碳纳米管的直径在４０—６０ａｍ的范围内，且催化剂粒子已基本去除，碳纳米管被开口和切短。 图１ＭＷＮＴｓ的电子扫描电镜照片 Ｆｉｇ．１ＳＥＭｉｍａｇｅｏｆ ＭＷＮＴｓ 图２ＭＷＮＴｓ的电子透射电镜照片 Ｆｉｇ．２ＴＥＭｉｍａｇｅｏｆ ＭＷＮＴｓ ２．２ＭＷＮＴｓ含量对ＭＷＮＴｓ／环氧树脂复合材料力学性能的影响 ２．２．１拉伸性能 图３为碳纳米管／环氧树脂复合材料的拉伸载荷一位移曲线，可以看出，当碳纳米管的质量分数为０时，材料承受的载荷比较小，拉伸载荷一位移曲线下所包围的面积也比较小，其断裂为典型的脆性断 Ｚ 挺 藕 位移／ｍｍ 图３ＭＷＮＴｓ／环氧树脂复合材料的拉伸载荷一位移曲线Ｆｉｇ．３Ｌｏａｄ—ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃｕｒｖｅｓｆｏｒＭＷＮＴｓ／ｅｐｏｘｙｅｏｍｐｏｓ—ｉｔｅｓｕｎｄｅｒｔｅｎｓｉｌｅ ｌｏａｄｉｎｇ

碳纳米管场效应晶体管设计

第24卷 第10期 电子测量与仪器学报 Vol. 24 No. 10 2010年10月 JOURNAL OF ELECTRONIC MEASUREMENT AND INSTRUMENT · 969 · 本文于2010年8月收到。 * 基金项目: 安徽省自然科学基金(编号: 090414199)资助项目; 中央高校基本科研业务费专项资金(编号:2010HGZY0004, 2010HGXJ0224)资助项目。 DOI: 10.3724/SP.J.1187.2010.00969 碳纳米管场效应晶体管设计与应用* 许高斌1,2 陈 兴1,2 周 琪3 王 鹏1,2 (1. 安徽省微电子机械系统工程技术研究中心, 合肥 230009; 2. 合肥工业大学电子科学与应用物理学院, 合肥 230009; 3. 合肥工业大学材料科学与工程学院, 合肥 230009) 摘 要: 碳纳米管具有一些独特的电学性质, 在纳米电子学有很好的应用前景。随着纳米技术的发展, 新的工艺技术也随之产生。纳米器件的“由下至上”制作工艺, 是在纳米技术和纳米材料的基础之上发展起来的, 在新工艺基础之上, 可以利用纳米管、纳米线的性质制作成各种新的电子器件。由于碳纳米管可以和硅在电子电路中扮演同样的角色, 随着基于碳纳米管的纳米电路研究的深入发展, 电子学将在真正意义上从微电子时代进入纳电子时代。从分析碳纳米管分立场效应晶体管典型结构特点入手, 分析阐述了碳纳米管构建的典型纳米逻辑电路结构特征及碳纳米管在柔性纳米集成电路方面的应用。 关键词: 碳纳米管；场效应晶体管；纳米逻辑门电路；柔性纳米集成电路；纳米电子学 中图分类号: O484 文献标识码: A 国家标准学科分类代码: 430.4030 Design and application of carbon nanotube FETs Xu Gaobin 1,2 Chen Xing 1,2 Zhou Qi 3 Wang Peng 1,2 (1. Micro Electromechanical System Research Center of Engineering and Technology of Anhui Province, Hefei 230009, China; 2. School of Electronic Science & Applied Physics, Hefei 230009, China; 3. School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China) Abstract: Carbon nanotube has many extraordinary electrical properties and extensive application foreground on nano electronics. With the development of nanotechnology, new process technique is generated. And the bottom-up fabri-cation process is developed based on nano technique and nano materials, then various new electron devices is constructed by using the properties of nanotubes and nanowires. Since the CNTs can act same roles in electronic circuit as Si material, and with the profound development of research of nano-ICs based on CNTs, the electronics will turn into the nanoelec-tronic era truly from the microelectronic era. In this paper, the feature of typical structure of nano electronic devices based on CNTs, CNTs field effect transistor (FET), is discussed, the characteristic of typical structure of logic-gate circuits based on CNT-FETs is represented, and the application of CNTs on flexible nano ICs is also described. Keywords: carbon nanotube; FETs; nano logic-gate circuit; flexible nano-ICs; Nano electronics 1 引 言 自1991年S. Iijima 发现碳纳米管后[1] , 由于其独特的物理、化学性质及其机械性能, 具有径向量子效应、超大比表面面积、千兆赫兹的固有振荡频率等特点[2] , 碳纳米管(carbon nanotubes, CNTs)引起了人们的极大关注。从结构上来说, CNTs 可以分为单 壁碳纳米管(single-walled carbon nanotube, SWCNT)和多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotube, MWCNT)。SWCNT 是单层的, 其直径在1~5 nm; MWCNT 大约有50层, 内径在1.5~15 nm, 外径在2.5~30 nm 。MWCNT 由于结构上存在缺陷, 其纳结构在稳定性上不如SWCNT 结构。碳纳米管具有一些独特的电学性质[3], 可制备出金属性和半导体性