碳纳米管及其应用

碳纳米管的独特性质
1)力学性 能 碳纳米管的抗拉强度达到50～200GPa,是钢
的100倍,密度却只有钢的1/6，至少比常规石墨纤 维高一个数量级。它是最强的纤维，在强度与重 量之比方面，这种纤维是最理想的。
2) 电学性能 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6mm时，导电性能下降；当 管径小于6mm时，CNTs可以被看成具有良好导电性能的一 维量子导线。
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4) 储氢性能 碳纳米管的中空结构，以及较石墨(0.335nm)略大的层 间距(0.343nm)，是否具有更加优良的储氢性能，也成为科 学家们关注的焦点。 1997年，A. C. Dillon对单壁碳纳米管(SWNT)的储氢 性能做了研究，SWNT在0℃时,储氢量达到了5%。 DeLuchi指出:一辆燃料机车行驶500km,消耗约31kg的 氢气，以现有的油箱来推算，需要氢气储存的重量和体积 能量密度达到65%和62kg/m3。 这两个结果大大增加了人们对碳纳米管储氢应用前景 的希望。
3) 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，环氧树脂和纳米碳管之间可形成数百MPa 的界面强度。 除做结构复合材料的增强剂外，纳米碳管还可做为功能增 强剂填充到聚合物中，提高其导电性、散热能力等如：在共轭 发光聚合物中添加纳米碳管后，不但其导电率大大提高，强度 也得到了改善。同时，由于纳米碳管在纳米尺度散热，避免了 局部形成的热积累，可防止共轭聚合物中链的断裂，从而抑制 聚合物的光褪色作用。
3.纳米管结构的表征： 纳米管结构的表征： 纳米管结构的表征
扫描隧道显微镜 X射线衍射 孔结构及比表面积 电子衍射 拉曼光谱
4.碳纳米管的生产方法简介
石墨电弧法 浮动催化法 （即碳氢化合物催化分解法，又称CVD法） 即碳氢化合物催化分解法，又称 法 激光蒸汽法 燃烧火焰法
石墨电弧法
基本原理： 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。
3) 热学性能 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150oC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。
燃烧火焰法
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。 优点有：合成过程无需真空、保护气氛；无需催化剂；可以在 大的表面上合成，特别适合于在一个平面上形成一层均匀的碳 纳米管或碳纳米纤维薄膜； 成本较低，对环境的污染也非常小。 可以实现大批量合成。
Armchair (n,m)=(5,5) Zigzag (n,m)=(9,0)
按照石墨烯片的层数，可分为： 3) 按照石墨烯片的层数，可分为： 1) 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)。 2) 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。
导电塑料(聚脂 导电塑料 聚脂): 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。 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。
1991年，日本科学家饭岛（Iijima）发现，在《Nature》发表 文章公布了他的发现成果，这是碳的又一同素异型体。
2.碳纳米管结构
1)按形态分
普通封口型 变径型
洋葱型
海胆型
竹节型
念珠型
纺锤型
螺旋型
其他异型
2)按手性分
通常依照n ，m 的相对关系，将单 壁碳纳米管分为 achiral 和chiral 两 个基本类型。 Achiral 型又分为zigzag （锯齿型） 和armchair（扶手椅型） 两类。当 n 和m 其中之一为0 时，为zigzag 型；当n=m 时为armchair 型；其它 所有情况都称为chiral 型( 手性管）。
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。 在锂离子电池中加入碳纳米管,也可有效提高电池的储氢能力 ,从而大大提高锂离子电池的性能。根据实验,多壁碳纳米管锂电池 放电能力达到385 mA·h/g,单壁管则高达640mA·h/g,而石墨的理 论放电极限为372 mA·h/g。
5) 催化剂载体 纳米材料比表面积大,表面原子比率大(约占总原子数的 50%),使体系的电子结构和晶体结构明显改变,表现出特殊的电 子效应和表面效应。如气体通过碳纳米管的扩散速度为通过常 规催化剂颗粒 的上千倍,担载催化剂后极大提高催化剂的活性 和选择性。 碳纳米管作为纳米材料家族的新成员,其特殊的结构和表面 特性、优异的储氢能力和金属及半导体导电性,使其在加氢、 脱氢和择型催化等反应中具有很大的应用潜力。碳纳米管一旦 在催化上获得应用,可望极大提高反应的活性和选择性,产生巨 大的经济效益。
碳纳米管的应用前景
1) 超级电容器 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，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。碳纳米管 超级电容器是已知的最大容量的电容 器。
碳纳米管及其应用
主要内容:
1. 碳纳米管的发现 2. 碳纳米管结构 3. 碳纳米管结构的表征 4. 碳纳米管的生产方法 5. 独特性质 6. 应用前景
1. 碳纳米管的发现
C60及富勒烯化合物
1985年英国Sussex大学的Kroto教授 和美国Slice大学的Smalley教授发现
碳纳米管（CNTs）
4) 电磁干扰屏蔽材料及隐形材料 碳纳米管是一种有前途的理想微波吸收剂,可用于隐形材 料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料。 碳纳米管对红外和电磁波有隐身作用的主要原因有两点: 一方面由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长,因此 纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多,这就大大 减少波的反射率,使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得 很微弱,从而达到隐身的作用; 另一方面,纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3～4个数 量级,对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多,这就使 得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低,因此很难发 现被探测目标,起到了隐身作用。由于发射到该材料表面的电磁 波被吸收,不产生反射,因此而达到隐形效果。