碳包覆纳米金属材料的合成及应用进展

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碳包覆纳米金属材料的合成及应用进展

2006.No.9

前分析,随矿渣取代熟料量的增加,浆体中自由水量呈增大趋势,因而浆体的泌水量也就随之增大,如图

1所示;当矿渣比表面积增大时,自由水量将减小,从

而导致泌水量也减小,与图2结果相符。

众所周知,矿渣水泥存在的一个缺点就是泌水量大,尤其当矿渣掺量较高时,过大的泌水性将严重影响材料的性能,如表面起砂等。根据本文的分析,这种现象的产生可能就是由于矿渣的颗粒形貌所导致的。当矿渣颗粒比表面积不够大时,矿渣颗粒呈棒状,棒状的颗粒容易相互搭接,使浆体中粒子的团聚程度增大,由于部分自由水被封闭,为达到要求的流动度,要求的成型水量就增加了。自由水量的增加,导致了较大的泌水量。在矿渣掺量一定的条件下,如果增大矿渣的比表面积,随矿渣颗粒圆度系数的提高,由于浆体中粒子之间团聚程度减小,被封闭的自由水量减少,成型需水量就减少,浆体中自由水量减少,浆体的泌水性将得到有效改善。

试验中发现,浆体终止泌水的时间随水泥中矿渣取代熟料量的增加而延长,而在相同取代量的条件下,浆体终止泌水的时间随矿渣细度的增大而缩短。

水泥浆体的泌水一直要持续到水泥浆体达到足够的硬度得以阻止固体颗粒在重力作用下的沉降才

终止。随水泥水化作用的进行,水化产物不断填充于粒子间的空隙中。水化产物的生成,使浆体中化学结合水量和吸附水量都增加,而自由水量相应减少,能泌出的水量则减少。此外,随着浆体中大量不易沉降的微小的水化产物粒子将易沉降的未水化水泥颗粒连接成巨大而又疏松的凝聚结构网络,抵御水泥颗粒沉降的能力也在增大。基于这两方面的原因,水泥水化速度越快,浆体终止泌水的时间则越早。随水泥中矿渣取代熟料量的增加,水泥的水化速度减慢,自由水量减少的速度及凝聚结构网络形成速度都减慢,浆体终止泌水的时间就延长,而矿渣细度增大使水化速度加快,则使浆体终止泌水的时间缩短。

5结论

在本试验条件下,掺入相同比表面积的矿渣时,

随矿渣掺加量的增多,水泥浆体的流动度减小,泌水量增大;随矿渣比表面积的增大,水泥浆体的流动度增大,而泌水量减小。这种现象的产生与矿渣的颗粒形貌有关,粉磨时间相同的条件下,矿渣颗粒的圆度系数比熟料小得多,但随粉磨时间的延长,矿渣颗粒的圆度系数增大。矿渣的颗粒形貌影响新拌水泥浆体的微观结构,从而导致了浆体工艺性能的变化。

(编辑

蔡成军)

1问题的提出

产品为用户服务,这是商品经济的铁律。但“服

务”并不是简单的“你要什么我卖什么”,而是要为用户的根本利益着想。用户对产品的需要是随着客观世界的发展和自身的认识而变化的。但是认识往往滞后于实践。对于用户个体或个别群体的人来说,由于认识水平的差异,未必都了解其自身的实际需要,产品生产者常会受到用户无意间的误导。作为两个独立生产和经营的行业,水泥和混凝土也存在这样的问题。

由于生产工艺的限制,硅酸盐水泥和混凝土在问世后的早期,相对于工程建设发展的需要,强度问题突出。众所周知,Bolomy灰水比定则近100年来一直

指导着传统混凝土配合比的设计。Bolomy公式明确表明,混凝土28d抗压强度与水泥强度成正比,与水灰比倒数成正比。于是给水泥生产者的信息就是“需要提高水泥强度”。20世纪20年代,欧美国家水泥中

C3S约为35%,如今达50%~70%;水泥细度从220m2/kg到现今的340~600m2/kg[1];图1是美国从1920

年到1990年70年间水泥7d抗压强度提高的情况[2]。

我国水泥在30年前最高强度(GB175—63)相当于20世纪末的425号(GB175—92),相当于目前的32.5级;相同水泥的标称强度下降了,实际强度是相当的;标称强度相同的水泥,如果用30年前的水灰比检测,则现在我国水泥28d抗压强度提高了约20MPa。水泥

现代混凝土需要什么样的水泥

廉慧珍1,韩素芳2

(1.清华大学土木水利学院,北京

100084;2.中国建筑科学研究院,北京100013)

中图分类号:TQ172.1

文献标识码:B

文章编号:1002-9877(2006)09-0013-06

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水泥 CEMENT

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水泥CEMENT的水灰比越大,早期强度与后期强度的比值(例如3d/28d或7d/28d)越小,而我国现行水泥标准在检测水

泥强度的水灰比增大后,对水泥3d标称强度的规定却仍与修订前水灰比较低时的一样,因而实际上的早期强度提高得更多。不断提高水泥强度的技术路线主要是增加C3S和C3A和提高比表面积。那些技术力量达不到要求的水泥厂增加C3S和C3A有困难,则主要依靠提高比表面积和想方设法在水泥中添加按标准检测不出来的什么“增强剂”。由于行业的隔离,生产者和使用者都不知道这些措施对混凝土会产生什么后果。相互不了解,自己对自己也不了解,以至于互相误导。工程中发生问题时很少能从根本上找出原因。

图1

1920~1990年美国水泥7d抗压强度的增长[2]

互相以强度为第一需求误导的结果是,水泥中高强和早强组分越来越多,比表面积由于没有上限而越来越大,水化热越来越大,抗裂性、

抗腐蚀性越来越差,混凝土强度的后期增长率下降甚至倒缩,作为混凝土的主要组分,严重影响了混凝土结构抵抗环境作用的耐久性能。

图2

不同水泥配制的混凝土在室外暴露50年后强度变化

[1]

美国的Withy分别于1910、1923和1937年成型了5000多个水泥净浆、砂浆和混凝土试件,在室外暴露,1975年由Washa和Wendt发表了暴露试验的结果如图2所示[1]

。图2表明,用7M水泥配制的混凝

土50年后抗压强度达到52MPa,而用I型水泥(当时的快硬水泥)配制的混凝土10年后强度开始倒缩;

1937年按快硬水泥生产的I型水泥与现今水泥的平

均水平很相似。Lemish和Elwell1996年在对依阿华州劣化的公路路面钻芯取样的一项研究中,也发现

10~14年强度倒缩而得出结论:性能良好的混凝土与

其强度增长慢相关[1]。

此外,水泥厂目前所采取提高水泥强度的技术路线还导致混凝土使用上的困难。这是造成目前水泥产品不能满足用户要求更直接的原因。而水泥厂却从另一方面误解了混凝土的需求。某些水泥科技人员不了解当前供需关系的症结所在,误以为混凝土掺矿物掺和料后强度会下降,应当生产更高强度的水泥来提供混凝土增大矿物掺和料用量的条件,因此仍然执意于继续提高硅酸盐水泥的强度。

面临可持续发展的挑战,水泥和混凝土双方能否转变思想方法和传统观念,互相沟通、互相了解、互相支持、共同前进,已经关系到我国工程建设长久大计。出现当前水泥和混凝土双方的矛盾,主要原因在于近

100年来,尤其是最近十几年,混凝土结构工程技术

有很大的变化和发展,而水泥则主要是因工艺上的进

步促使高强和早强组分的不断增加、强度的不断提高。思维方法和观念依然陈旧,尚未从计划经济年代真正转变到市场经济社会中来,不了解因而不能为最终用户──建设工程的根本利益服务。

为了使本来应当是一家的水泥和混凝土互相了解、和谐相处,共同进步,在此提供一些双方的信息和观点,一己之见,欢迎讨论。

现代混凝土的特点及其存在的问题

2.1

现代混凝土的特点

1850年法国人取得钢筋混凝土专利以后,使混

凝土在结构构件中得以物尽其用,是混凝土应用技术的第一次飞跃;1928年法国的E.Freyssinet发明预应力锚具是混凝土应用技术又一次的飞跃性发展;就混凝土材料本身来说,1918年美国的D.Abrams提出著名的水灰比定则,使混凝土的配合比选择和制备工艺有了依据,成为混凝土技术发展的第一个里程碑;直到化学外加剂特别是超塑化剂(高效减水剂)的大规模

使用后,大大改变了混凝土的配制、性能和工艺。高效减水剂使混凝土能在比检测水泥强度所用低得多的水灰比下达到比水泥强度高得多的强度,而施工性能却很好,改变了传统上混凝土的强度不能高于水泥强度而依赖于水泥强度的规律。

水泥强度对混凝土的强

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度不再起主导作用,水泥的性质也不再代表混凝土的性质。由此带来现代混凝土的特点如下:

1)工厂化的集中生产。

区别于传统上分散在工地现场拌制和吊斗浇筑的塑性混凝土,现代混凝土首先在工艺上是在工厂集中预拌,输送至现场泵送浇筑,因此需要很好的施工性能,目前的预拌混凝土的坍落度普遍较大。

2)使用外加剂。

不依靠水泥的品种而用外加剂进行改性已越来越普遍,例如对需水性、凝结时间、强度发展、变形性质、含气量等。特别是高效减水剂改变了水泥本身的流变性能。

3)较低的水胶比。

由于矿物掺和料对混凝土强度的贡献显著依赖于水胶比,则当混凝土水胶比≥0.5时,掺和料的作用不能得以发挥。因此除了不考虑耐久性的结构,常用的C30、C40混凝土水胶比一般都低于0.5。较低水胶比和较大坍落度造成混凝土较大的水泥(胶凝材料)用量。

4)掺用矿物掺和料。

为了降低现代高强度水泥及其较大用量造成的混凝土内部较高温升,也由于可持续发展战略的需要,矿物掺和料已逐渐成为现代混凝土必需的组分,而且有加大掺量的趋势──尤其是用于混凝土结构耐久性的设计,矿物掺和料是必需的组分,而且掺量要大于20%[3]。加拿大已将大掺量矿物掺和料(粉煤灰和矿渣)列入2004年12月颁布的混凝土规范[4],其中粉煤灰和矿渣单掺时最低掺量分别为30%和35%,没有上限。

2.2存在的问题

任何事物都有其利必有其弊,现代混凝土是水泥

和混凝土技术发展进步的体现,但是在前进过程中难免会出现另一方面的问题,主要表现在以下方面:1)组分多增加了过程控制的复杂性。

在混凝土生产时除了水、水泥、砂、石4种传统材料之外,为了工程的需要,掺入的有机或无机添加物质已成为必需的其他组分,有时外加剂还不止一种,矿物掺和料也不止一种。例如日本的明石大桥所用外加剂包括超塑化剂、引气剂和引气减水剂,胶凝材料使用磨细矿渣、粉煤灰和少量石灰石粉。这无疑增加了原材料管理和上料控制的工作量。近10年间,在我国,把粉煤灰误用作水泥的事故曾多次发生。

2)现行搅拌机搅拌时间太短存在的匀质性问题。

在搅拌机中添加多种物质,增加质量控制的难度和拌和物匀质性的问题。目前的搅拌时间一般只有30s,这是大多数搅拌站按购进设备的说明书设定的。实际

上这个搅拌时间原本是针对不用掺和料的传统混凝土设定的,对于掺用掺和料和外加剂、水胶比又较低的拌和物,在强制式搅拌机中搅拌时间至少应达到

1min以上,否则难以保证匀质性。曾经有施工单位反

映过:为什么预留的掺膨胀剂混凝土试件有的会胀裂?显然这是搅拌不均匀导致膨胀剂在局部过量所造成的。

3)同掺法影响外加剂的效率。

外加剂的掺入方法有以下几种:①同掺法:与拌和水同时掺入。目前我国绝大多数搅拌站都这样使用;②后掺法:在达到现场时掺入;③分次掺法:先掺一部分,隔一段时间后再掺其余部分。效果见图3所示。总掺量相同时,分次掺法比同掺法效果好得多;同掺法想要达到和分次掺法相当的效果时,掺量要加大。绝大多数搅拌站现行将外加剂溶于拌和水一次性掺入的方法是外加剂效率最低的掺法。国外使用外加剂大多采用分次掺入法──例如,初始掺入一半,随后通过安装在搅拌车上测拌和物黏度的传感器控制自动续掺,以保持到达施工现场时拌和物的坍落度。目前在我国难以改变现行外加剂的掺法。

图3

高效减水剂用不同掺入法时拌和物坍落度经时变化

4)大掺量矿物掺和料使胶凝材料中SO3不足。

矿物掺和料的活性需要CaO和SO3激发,故水泥标准规定允许矿渣水泥中SO3最大掺量可达4%。而在混凝土中使用大掺量矿物掺和料会稀释水泥中的SO3,掺量越大,SO3越不足。因此混凝土早期强度低、凝结缓慢、收缩大。如图4所示,矿渣和粉煤灰总掺量为

40%时,水泥中的SO3被稀释至1.3%后,砂浆水养护14d后存放于空气中76d收缩值达0.036%,补充石膏后,同龄期收缩值随SO3的增加而减少,而且从在

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水泥CEMENT

水中膨胀到随后在空气中收缩的差值(称作膨胀率的

落差,低落差对砂浆或混凝土的体积稳定性很重要)

也随之减小。图5是矿物掺和料总量50%时相同流

动度砂浆的抗压强度和抗折强度与SO3掺量的关系。

在20世纪80年代我国水泥中的SO3一般都在1.7%

左右,现在随着熟料中C3A的增加,已提高到2.3%左

右。在传统上,生产水泥时对石膏的优化主要是为了

调节凝结时间,基本上未考虑其他影响。在混凝土中

掺入掺和料稀释SO3的同时当然也稀释C3A,但是石

膏在有掺和料的浆体中的作用并不只涉及C3A,对大

掺量掺和料混凝土凝结时间的影响机理不同于和

C3A的关系。混凝土中掺和料只要掺量大于20%,则

SO3不足的影响就会有表现,掺量越大影响越大。

图4SO3含量对砂浆体积稳定性的影响

图5

SO3含量对砂浆强度的影响

3水泥品质现状对混凝土生产和质量的影响对混凝土影响的水泥现状主要是:因现行标准不设强度的上限和比表面积的上限,水泥比表面积太大,早期强度太高而长期增长率低甚至倒缩,实际强度浮动幅度太大;不控制碱含量、氯离子含量;不检测开裂敏感性;无法提供在混凝土中与外加剂的相容性;出厂水泥温度太高,难以控制混凝土结构中的温度应力。

3.1水泥细度的影响

水泥流变性能对混凝土施工性能有重要影响,而施工性能是硬化后混凝土质量的重要保证。粗细颗粒级配恰当的水泥,可得到良好的流变性能。水泥中3~30μm的颗粒起强度增长的主要作用,>60μm的颗粒则对强度不起作用,但起稳定体积的作用。因此3~30μm的颗粒应当约占90%[5];<10μm的颗粒起早期强度的作用,且需水量大,而其中<3μm的颗粒只起早强作用,因此流变性能好的水泥<10μm的颗粒应当<10%。我国多数水泥的生产则基本上只关心细度,很少注重水泥颗粒的级配。在我国目前多数生产条件下,水泥磨得越细,细颗粒越多,早期强度发展很快,而又很快被耗尽,后期增长余地就会减少。有人认为提高水泥强度最简单的技术就是增加比表面积。近年来许多质检实验室用筛析法检测水泥细度时,大多筛余量都小于3%,甚至没有筛余,水泥比表面积已高达400m2/kg。越细的水泥需水量越大,与外加剂相容性越差,水化热越大,开裂敏感性越大。

1)越细的水泥与外加剂相容性越差。天津雍阳外加剂厂邱汉用该厂生产的萘系高效减水剂UNF-5与不同细度的水泥进行相容性试验。用相同水灰比的净浆,改变外加剂掺量,分别于搅拌后5min和60min检测流动度,试验外加剂对不同细度水泥的饱和点、1h后的流动度损失以及使流动度不损失的掺量点。结果见图6。

图6水泥细度对其与高效减水剂相容性的影响

由图6可见,水泥比表面积为3014cm2/g时,高效减水剂饱和点为0.8%,流动度无损失的掺量为1.6%;水泥比表面积为3982cm2/g时,高效减水剂饱和点为1.2%,流动度无损失的掺量为1.82%;比表面积为4445cm2/g时,高效减水剂饱和点为1.6%,找不到流动度的无损失点;当水泥比表面积达5054cm2/g时,则高效减水剂饱和点为2.0%,同样找不到流动度

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的无损失点。该试验表明,水泥比表面积的增大,外加剂与水泥的相容性随之下降。

著名水泥化学家T.C.Powers早在40年前就指出过,并非水化越充分的水泥浆体强度越高,因为水泥水化物强度和体积稳定性都比熟料的低。因此需要有一部分未水化颗粒来保持强度和稳定体积[6],这就是“化学成分通过结构起作用”。水泥比表面积增加后,对砂浆长期抗拉强度的影响更明显,如图7所示[1]。图7表明,砂浆抗拉强度随水泥比表面积的增加而呈线性下降,碳化深度总的趋势是随水泥比表面积增大而减小。粗水泥碳化深度大但强度高,可能是表面的碳化对水泥有增强作用。

图7水泥细度对抗拉强度的影响[1]

2)有研究者(Heam1949年,Mather1993年)报道粗水泥的渗透性随龄期而下降,表明其具有自愈能力[1]。混凝土抗冻性随水泥比表面积减小而提高(见图8)可能也和碳化降低渗透性有关[1]。

图8抗冻性与水泥比表面积的关系[1]

3)过细的水泥具有更大的开裂敏感性,如图9和图10所示[1]。图9中用收缩开裂环检测水泥开裂的敏感性,从成型到开裂经过的时间越短,抗裂性越差。从图9可以看出,开裂敏感性随水泥比表面积的增大而增大。在图10中可见,水泥浆体因干燥而开裂的程度随水泥比表面积增大而严重;水泥比表面积只有220m2/kg时,混凝土中微裂缝极少;当水泥比表面积增加到490m2/kg时,则混凝土中密布微裂缝。这些肉眼不可见微裂缝在早期可能是不连通和不开放的,但却是在服役期间受到温度、湿度的反复作用出现可见裂缝的开裂源,成为侵蚀型介质侵入的通道,影响混凝土结构的耐久性。

图9水泥细度和开裂敏感性的关系[1]

图10水泥细度对水泥浆体和混凝土开裂的影响[1]3.2水泥的强度

任何水泥基材料的强度都是在一定的标准条件下测得的。如果水灰比、试件尺寸、养护条件、试验方法都相同,则净浆强度高于砂浆强度,砂浆强度高于混凝土强度。然而,事实是水泥强度和混凝土强度的定义不同,也就是检测强度的标准条件不同。在高效减水剂问世之前,由于施工的需要,混凝土的水灰比受到限制,必然大于检测水泥强度的水灰比,因此混凝土强度依赖于水泥强度,混凝土标称强度也必然不会超过水泥的标称强度。现在高效减水剂的使用打破了这一传统的常规:混凝土的水灰比可以减小到比检测水泥的水灰比低得很多,老规范中“水泥强度应是混凝土强度的1.5~2倍”的规定已成为历史,现今的32.5级水泥能配制C60混凝土已是现实。

就提高水泥强度的技术路线来看,将近200年来水泥强度的发展已步入尽头:高强和早强的矿物以及过大的比表面积给混凝土带来的后果已是弊大于利。过去只有水工的大坝混凝土被称为大体积而需要控制温度,而今由于水泥的水化热增大、混凝土水泥用量增多、早期强度提高,最小断面只有20~30cm的构件,其早期开裂也有约60%来自温度应力。混凝土构

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2006.No.9水泥CEMENT

件断面可因混凝土强度的提高而减小,但是构件断面不可小到超过保证稳定的极限,因此对强度的需要也有限,当前的水泥强度已足够。至于有特殊用途的所谓“超高强混凝土”(例如无粗集料而由活性粉末和细颗粒级配制成的RPC,抗压强度可达200MPa),其所用的水泥强度等级也是现行的42.5即可[8]。因此水泥生产实在不必再追求更高的强度。

现在的问题是,配制高强混凝土,乃至C100的混凝土已不是难事,倒是能保证28d抗压强度不超过30MPa、拌和物施工性能良好(不泌水、不离析)的C25以下混凝土做不出来。虽然总的趋势是混凝土强度都普遍提高了,但是对于像需要很大断面的铁路或公路桥墩、某些小开间楼板、基础垫层以及其他一些素混凝土构件,按承载力计算确实只需要很低的强度(虽然能通过加大活性的或非活性矿物掺和料来解决,但又受到传统观念和现行规范的限制)。保留一些低强度等级的水泥,商家虽然单位产品利润低,但是目前C30以下的混凝土需求量仍然很大,薄利多销是市场经营的重要策略之一。

有证据表明,高强度水泥的耐储存性能很差,现行的52.5级水泥与42.5级水泥的28d实际强度差别不大,越存放差别越小,甚至会倒过来。过去水泥的保质期是3个月,而今52.5级水泥可能只有1个月了吧?主要是因为目前普遍以增加比表面积作为提高强度的主要手段。

3.3其他影响

1)现行水泥标准不规定水泥出厂前检测含碱量(不仅当混凝土集料有活性时影响混凝土碱-集料反应,而且即使集料没有碱活性,含碱量过大时还影响水泥的抗裂性)和氯离子含量,使有的水泥厂添加“不知道成分”的“增强剂”有了空子可钻,给混凝土结构耐久性增加了隐患。

2)试验和实践表明,不同厂家生产的相同强度等级、相同品种水泥在开裂敏感性上可能有很大差别,水泥出厂前不做抗裂性检验,增加了混凝土抗裂性能的不可知性和控制裂缝的难度。

3)由于现代混凝土普遍使用高效减水剂,水泥与高效减水剂相容性问题和水泥的品质有很大关系,目前水泥厂不检测水泥与外加剂相容性,影响混凝土对水泥的选用。

4)散装水泥的好处不言而喻,但是水泥厂只“用其利”却未能对“弃其弊”做出贡献。近年来散装水泥出厂的温度普遍过高,运至搅拌站入仓后又散热困难,造成水泥上料时仍有很高的温度,混凝土浇筑温度居高不下,增加了混凝土因温度应力而早期开裂的倾向。还要采取措施降低因此而造成的混凝土的浇筑温度,在水资源和能源匮乏的今天,从总体来看不能说不有悖于发展散装水泥以节约水泥包装资源和环保的初衷。

4结论

1)影响混凝土质量的水泥现状主要是:水泥比表面积太大,早期强度太高而长期强度增长率低甚至倒缩,实际强度浮动幅度太大,不利于质量的均匀控制;不控制碱和氯离子含量;不检测开裂敏感性;不提供与外加剂的相容性,工程无法选定合适的水泥;出厂水泥温度太高,难以控制混凝土结构中的温度应力。

2)现代混凝土普遍使用减水剂以降低水灰比,故其强度不再依赖于水泥强度,现行提高水泥强度的技术路线不利于混凝土结构质量的稳定和长期性能,不必再追求水泥向更高的强度发展;水泥品种单一化不仅不利于水泥的发展,而且也不利于市场经济的发展。

3)现代混凝土结构需要水泥具有良好的匀质性和稳定性、低的开裂敏感性、与外加剂良好的相容性、有利于混凝土结构长期性能的发展以及无损害混凝土结构耐久性的超量成分。

4)思维方法和观念应当适应客观世界的发展而转变,产品应为用户长远利益的需要服务;现代混凝土已大不同于传统混凝土,作为产品的水泥应当按混凝土的需要生产,并按混凝土的规律检验。

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(编辑胡如进)

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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

碳纳米管的性质性能及其应用前景

碳纳米管的性质性能其应用前景 The Properties and Applications of Carbon Nano-Tubes 张雅坤北京师范大学化学学院201411151935 摘要:从1991年被正式认识并命名至今,碳纳米管凭借其特殊的结构及异常的力学、电学和化学性能获得了材料、物理、电子及化学界的广泛关注。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。本文主要对碳纳米管目前的性质性能及其应用前景进行了系统详细的介绍【8】。 关键词:碳纳米管、无机化学、性质性能、应用前景 一、综述 1.发展历史与研究进程 在1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛(Lijima)在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时,意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子,这就是现在被称作的“Carbon nanotube”,即碳纳米管,又名巴基管。 1993年,S. Lijima等和D. S. Bethune等同时报道了采用电弧法,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碳纳米管,即单壁碳纳米管产物。

1997年,A. C. Dillon等报道了单壁碳纳米管的中空管可储存和稳定氢分子,引起广泛的关注。相关的实验研究和理论计算也相继展开。据推测,单壁碳纳米管的储氢量可达10%(质量比)。此外,碳纳米管还可以用来储存甲烷等其他气体。但该猜测在后来被证实是错误的,碳纳米管无法用于储氢的主要问题有两个:一是假如作为容器进行储氢,则无法对其进行可控的封闭和开启;二是假如用于氢气吸附,则其吸附率不超过1%(质量分数)。 能否控制单壁碳纳米管的生长是近二十余年来一直困扰着碳纳米管研究领域科学家们的难题,能否找到控制方法也成为碳纳米管应用的瓶颈。2014年,这道世界性难题被北京大学李彦教授研究团队攻克,该团队在全球首次提出单壁碳纳米管生长规律的控制方法,研究成果已于2014年6月26日发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上,这是碳纳米管研究方面的又一大突破。 2.碳纳米管的制备方法 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。 2.1电弧放电法 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:将石墨电极臵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

纳米金属材料—小论文

纳米孪晶金属材料 摘要:金属材料的高强度和良好的塑韧性是很多金属材料研究者追求的目标,本文总结了卢柯课题组金属材料中纳米孪晶对强度和塑韧性的影响,并阐明了孪晶界面的作用以及机械孪生对镁合金的影响。 关键词:强度塑韧性孪晶界面机械孪生 1.引言 近一个多世纪以来,金属材料强度水平的不断提高推动着相关工业技术的进步,也不断改善了我们的生活。轻质高强度铝合金的出现推动了飞机的诞生和发展,钢缆强度的不断提升使斜拉桥的跨度成倍增加,汽车的减重和降耗很大程度上依赖于高比强金属的发展和应用,强化金属材料是材料研究者不懈努力追求的目标,强度是材料科学与技术发展的一个重要标志,然而,在大多数情况下,伴随着强度升高,金属的塑性和韧性会下降,强度一塑性(或韧性)呈倒置关系。材料的强度愈高这种倒置就愈显突出。随着现代工业技术的发展,越来越多的构件要求材料既有高的强度又具有良好的塑性和韧性,高强度金属的低塑性和低韧性在一定程度上削弱了其工业应用的潜力,成为金属材料科学发展的瓶颈问题之一。 过去,人们对材料强度一塑(韧)性关系及强韧化规律的研究大多围绕相对简单的结构体系展开,材料的组织、相、成分等在空间上分布均匀,特征结构单元尺度单一且在微米以上。随着人们对自然界中很多天然生物材料认识的不断深入,发现具有优异综合力学性能和强韧性配合的天然生物材料往往具有比较复杂的结构要素特征,如不均匀几何形态及空间分布、多尺度、多相、非均匀成分分布、多层次藕合结构等。这些多层次多尺度的组织(或相)构筑为我们发展高强、高韧、耐损伤金属材料提供了有借鉴价值的线索。近年来对纳米结构材料研究的长足进步和各类纳米技术的迅猛发展,使人们在纳米一微米一宏观等不同尺度上对金属材料的结构设计与制备调控逐步成为可能,为金属材料强韧化研究提供了一个全新的契机。 2.孪晶促进强度和塑性的同时提高 如果两个相邻晶体(或同一晶体的两个部分)之间沿一个公共晶面形成镜面对称的位向关系,那么这两个晶体就互称为孪晶,公共晶面即为孪晶界面。一般说来,孪晶界面可以通过阻碍位错运动使材料得到一定程度的强化。但是,微米或亚微米尺度的孪晶,其强化效果并不显著,只有当孪晶片层细化至纳米量级时才开始表现出显著的强化效果和其他的特性。

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

纳米金属材料的发展与应用综述

纳米金属材料的发展与应用 摘要:纳米技术的诞生将对人类社会产生深远的影响,可能许多问题的发展都与纳米材料的发展息息相关。在纳米金属材料的研究中,它的制备、特性、性能和应用是比较重要的方面。本文概要的论述了纳米材料的发现发展过程,并结合当今纳米金属材料研究领域最前沿的技术和成果,简述了纳米材料在各方面的应用及其未来的发展前景。 关键词:纳米金属材料、纳米技术、应用 一、前言 纳米级结构材料简称为纳米材料(nanomater material),是指其结构单元的尺寸介于1纳米~100纳米范围之间。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度,它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且,其尺度已接近光的波长,加上其具有大表面的特殊效应,因此其所表现的特性,例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等,往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。 纳米粒子异于大块物质的理由是在其表面积相对增大,也就是超微粒子的表面布满了阶梯状结构,此结构代表具有高表能的不安定原子。这类原子极易与外来原子吸附键结,同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子。 纳米技术在世界各国尚处于萌芽阶段,美、日、德等少数国家,虽然已经初具基础,但是尚在研究之中,新理论和技术的出现仍然方兴未艾。我国已努力赶上先进国家水平,研究队伍也在日渐壮大。 二、纳米材料的发现和发展 1861年,随着胶体化学的建立,科学家们开始了对直径为1~100nm的粒子体系的研究工作。1990年7月在美国召开了第一届国际纳米科技技术会议(International Conference on Nanoscience &Technology),正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。自20世纪70年代纳米颗粒材料问世以来,从研究内涵和特点大致可划分为三个阶段: 第一阶段(1990年以前):主要是在实验室探索用各种方法制备各种材料的纳米颗粒粉体或合成块体,研究评估表征的方法,探索纳米材料不同于普通材料的特殊性能;研究对象一般局限在单一材料和单相材料,国际上通常把这种材料称为纳米晶或纳米相材料。 第二阶段(1990~1994年):人们关注的热点是如何利用纳米材料已发掘的物理和化学特性,设计纳米复合材料,复合材料的合成和物性探索一度成为纳米材料研究的主导方向。 第三阶段(1994年至今):纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构材料体系正在成为纳米材料研究的新热点。国际上把这类材料称为纳米组装材料体系或者纳米尺度的图案材料。它的基本内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。 三、纳米材料的应用 1、纳米磁性材料 在实际中应用的纳米材料大多数都是人工制造的。纳米磁性材料具有十分特别的磁学性质,纳米粒子尺寸小,具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性,用它制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好,而且记录密度比γ-Fe2O3高几十

碳纳米管性质及应用

碳纳米管性质及应用 摘要:碳纳米管的发现是现代科学界的重大发现之一。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。本文简单综述碳纳米管的基本性质及应用。 关键词:碳纳米管;结构;制备;性质;应用 1 碳纳米管的发现 1991年,日本NEC科学家Lijima在制取C60的阴极结疤中首次采用高分辨隧道电子显微镜(HRTEM)发现一种外径为515nm、内径213nm、仅由两层同轴类石墨圆柱面叠合而成的碳结构。进一步的分析表明,这种管完全由碳原子构成,并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[1]。 2 碳纳米管的结构 碳纳米管(CNT)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。它是由单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷绕而成的无缝、中空的“微管”,每层由一个碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形组成的圆柱面。根据形成条件的不同,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。MWNTs一般由几层到几十层石墨片同轴卷绕构成,层间间距为0.34nm左右,其典型的直径和长度分别为 2-30nm0.1-50μm.SWNTs由单层石墨片同轴卷绕构成,其侧面由碳原子六边形排列组成,两端由碳原子的五边形封顶。管径一般从10-20nm,长度一般可达数十微米,甚至长达20cm[2]。 3碳纳米管的制备 碳纳米管的合成技术主要有:电弧法、激光烧蚀(蒸发)法、催化裂解或催化化学气相沉积法(CCVD),以及在各种合成技术基础上产生的定向控制生长法等。 3.1电弧法利用石墨电极放电获得碳纳米管是各种合成技术中研究得最早的一种。研究者在优化电弧放电法制取碳纳米管方面做了大量的工作.T. W. Ebbeseo在He保护介质中石墨电弧放电,首次使碳纳米管的合成达到了克量级。为减少相互缠绕的碳纳米管在阴极上的烧结,D.T.Collbert将石墨阴极与水冷铜阴极座连接,大大减少了碳纳米管缺陷。C. Journet等在阳极中填人石墨粉末和铱的混合物,实现了SWNTs的大量制备。研究发现,铁组金属、一些稀土金属和铂族元素或以单个金属或以二金属混合物均能催化SWNTs合成。 近年来,人们除通过调节电流、电压,改变气压及流速,改变电极组成,改进电极进给方式等优化电弧放电工艺外,还通过改变打弧介质,简化电弧装置。 综上所述,电弧法在制备碳纳米管的过程中通过改变电弧放电条件、催化剂、电极尺寸、进料方式、极间距离以及原料种类等手段而日渐成熟。电弧法得到的碳纳米管形直,壁簿(多壁甚至单壁).但产率偏低,电弧放电过程难以控制,制备

碳纳米管薄膜制备及应用研究进展

1 碳纳米管薄膜的制备 1.1 高密度高取向碳纳米管膜的制备 由浮动催化化学气相沉积制备方法(FCCVD)所制备的薄膜具有良好的取向性,但密度较低。然而,制备出的碳纳米管的丝带聚集在一起用乙醇溶液进行喷雾致密,当乙醇蒸发后形成一层疏松的碳纳米管膜,然后将疏松的碳纳米管薄膜从主轴上剥离出来放在两个光滑的压力为100N的压力板之间挤压,即可以获得高取向、高密度的CNT薄膜[1-2]。如图1所示,为高密度、高取向碳纳米管薄膜的制备过程。其中,图1(a)为高密度高取向碳纳米管薄膜的制备过程,图1(b)、图1(c)、图1(d)分别为碳纳米管丝带、疏松碳纳米管薄、高密度高取向碳纳米管薄膜膜宏观图像。 图1 高密度高取向碳纳米管薄膜的制备过程 1.2 浮动化学气相沉积法制备高强度薄膜 王健农教授课题组创新性地利用浮动化学气相沉积法连续制备出碳纳米管宏观筒状物,并在开放大气环境下将 CNT 薄膜,图2(b)为拉伸曲线,图2(c)为端口形貌。 图2 所制备CNT薄膜、拉伸曲线和端口形貌综上所述可以看出,直接合成机械性能优异、高密度、高取向度的碳纳米管薄膜的研究工作还处于实验研究阶段。要想获得可应用的具有优越性能的碳纳米管纤维和早日将其应用于实际生活,还需要做很多研究工作。 2 碳纳米管薄膜的应用 2.1 碳纳米管长度优化制备透明导电薄膜基板 初始长度为10~15μm多壁碳纳米管经过30min、60min和120min的回流,其长度分别降低到1200nm、205nm、168nm。然后,将多壁纳米管分别在285℃退火24小时,所得碳纳米管薄膜的电气和光学性能将大大提高。薄膜的光学和电气性能强烈依赖于碳纳米管的长度。制备薄膜的多壁碳纳米管回流30min所得到的薄膜光学透过率分别高于回流60min和120min薄膜的2.6%和6.6%。多壁碳纳米管回流30min所得的样品薄膜的薄层电阻也降低了45%和80%。此时,薄膜还具有最小粗糙度[5-10]。图3为透明导电薄膜基板。 2.2 碳纳米管薄膜在应力传感器中的应用 单壁碳纳米管兼具极优异的导电性、稳定性、柔韧性以及拉伸强度,因此在应力传感器方面有着巨大的应用潜力。传统的碳纳米管应力传感器基于碳纳米管的电阻值变化监测外部应力的大小。国家纳米科学中心孙连峰研究员小组的刘政在攻读博士期间发现,基于单壁碳纳米管薄膜两端的开路电压可以构建成功高性能的应力传感器。他们利用极性液滴在悬空碳纳米管薄膜和液滴之间产生毛细管 摘 要:膜状碳纳米管保留了碳纳米管微观性状,也保留了优异的导电能力。它具有良好的机械性能、独特的形貌与结构特征,在储能电池技术、人工肌肉、智能材料以及电子显示屏中的应用越来越普遍。本文介绍碳纳米管薄膜的特点,对几种碳纳米管薄膜制备方法做了简要介绍说明。通过对当前碳纳米管薄膜几大应用方向如超级电容、柔性电池以及场发射装置等的分析,展示了碳纳米管薄膜的巨大应用潜力。 关键词:碳纳米管薄膜 制备 超级电容 柔性电池

碳纳米管材料的研究现状及发展展望

碳纳米管材料的研究现状及发展展望 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。本文综述了碳纳米管的制备方法、结构性能、应用以及碳纳米管发展趋势。 关键词:碳纳米管;制备;性质;应用与发展 1、碳纳米管的发展历史 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。(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,被称为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。 2004 ,曼彻斯特大学的科学家发现Graphene(石墨烯)。进一步激发了人们研究碳纳米材料的热潮。 2、碳纳米管的分类 2.1碳纳米管 碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体,一般可分为单壁碳纳 米管、多壁碳纳米管。 2.2纳米碳纤维 纳米碳纤维是由碳组成的长链。其直径约50-200nm,亦即纳米碳纤维的直径介于纳米碳 管(小于100 nm)和气相生长碳纤维之间。 2.3碳球 根据尺寸大小将碳球分为:(1)富勒烯族系Cn和洋葱碳(具有封闭的石墨层结构,直径在2—20nm之间),如C60,C70等;(2) 纳米碳粉。 2.4石墨烯 石墨烯(graphene)是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料,是构建其它维度碳质材料的基本单元。 3、碳纳米管的制备 3.1电弧法

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

碳纳米管的研究进展及应用

碳纳米管的研究进展及应用 一引言 1.1 纳米材料 纳米材料是近年来受到人们极大关注的新型领域,纳米材料的概念形成于20世纪80年代,在上世纪90年代初期取得较大的发展。 广义地说,纳米材料是指其中任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料[1]。当小粒子尺寸加入纳米量级时,其本身具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。 纳米材料具有四大特点: 尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大。从而使其具有奇异的力学、电学、光学、热学、化学活性、催化和超导特性,使纳米材料在国防、电子、化工、催化剂、医药等各种领域具有重要的应用价值。 1.2 碳纳米管 碳是自然界分布非常普遍的一种元素。碳元素的最大的特点之一就是存在多种同素异形体,形成许许多多的结构和性质完全不同的屋子。长期以来,人们一直以为碳的晶体只有两种:石墨和金刚石。直到1985年,英国科学家Kroto 和美国科学家Smalley在研究激光蒸发石墨电极时发现了碳的第三种晶体形式 C60[2],从此开启了人类认识碳的新阶段。 1991年,日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛(Iijima)发现了多壁碳纳米管(MultiWalled Carbon Nanotubes ,MWNTs),直径为4-30nm,长度为1um。,最初称之为“Graphite tubular”。 1993年单壁碳纳米管也被发现(Single-Walled Carbon Nanotubes ,SWNTs),直径从0.4nm到3-4nm,长度可达几微米。碳纳米管(CNT)[3]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。 它是由单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷绕而成的无缝、中空的“微管”,每层由一个碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形组成的圆柱面。根据形成条件的不同,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。

纳米碳材料及其应用

纳米碳材料及其应用材料科学与工程学院

单质碳的存在形式1. 金刚石(Diamond) 2. 石墨(Graphite) 3. 富勒烯(Fullarene) 4. 无定形碳(Amorphous) 5. 碳纳米管(Carbon nanotube) 6. 六方金刚石(Lonsdaleite) 8. 纤维碳(Filamentous carbon) 9. 碳气凝胶(Carbon aerogels) 10. 碳纳米泡沫(Carbon nanofoam)…… 最为坚固的一种碳结构,其中的碳原子以晶体结构的形式排列,每一个碳原子与另外四个碳原子紧密键合,最终形成了一种硬度大,活性差的固体。 金刚石的熔点超过350℃,相当于某些恒星的表面温度。 石墨中碳原子以平面层状结构键合在 一起,层与层之间键和比较脆弱,因 此层与层之间容易被滑动而分开。 7. 赵石墨(Chaoite)石墨与陨石碰撞时产生,具有 六边形图案的原子排列。

富勒烯的结构?哈罗德·克罗托(Harold W Kroto)受建筑学家理查德·巴克明斯特(Richard Buckminster Fuller, 1895年7月12日~1983年7月1日)设计的美国万 国博览馆球形圆顶薄壳建筑的启发,认为C60可 能具有类似球体的结构,因此将其命名为 buckminster fullerene(巴克明斯特·富勒烯,简 称富勒烯) ?富勒烯是一系列纯碳组成的原子簇的总称。它们是由非平面的五元环、六元环等构成的封闭 式空心球形或椭球形结构的共轭烯。现已分离 得到其中的几种,如C60和C70等。在若干可能 的富勒烯结构中C60,C240,C540的直径比为 1:2:3。 ?C60的分子结构的确为球形32面体,它是由60个碳原子以20个六元环和12个五元环连接而成的 足球状空心对称分子,所以,富勒烯也被称为 足球烯

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 carb on nano tubes(CNTs) are nano meter-sized carb on materials with the characteristics of unique one-dimensional geometric structure large surface area high electrical conductivity,elevated mechanical strength and strong chemical inertn ess. Selecti ng appropriate methods to prepare carb on nano tube 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 comparis on of the adva ntages and disadva ntages of carb on nano tube composites the enhan ceme nt mecha ni sms of the CNTs catalysts are in troduced. Afterwardthe 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 carb on nano tube; composite; en ergy storage batteries; applicati on 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管径减小其表现出非化学平衡或整数配位数的化合价,储锂的容量增大;第三,碳纳米管具有良好的导

碳纳米材料的性能及应用作业.

碳纳米材料的性能及应用 Z09016114 蔡排枝 摘要:纳米材料被誉为21世纪的重要材料,而作为新型纳米材料的碳纳米材料因其本身所拥有的潜在优越性,在化学、物理学及材料学领域具有广阔的应用前景。本文依据目前碳纳米材料的研究发展现状,阐述了碳纳米材料碳60、碳纳米管及石墨烯的结构性能,并对其应用特性进行了初步探讨和分析。 一.引言 碳纳米材料是指材料微观结构在0-3维内其长度不超过100nm;由碳原子组成,材料中至少有一维处于纳米尺度范围0-100nm;具有纳米结构。它有四种基本类型:a.纳米粒子原子团如C 60 (零维 b. 碳纳米纤维和碳纳米管(1维 c. 碳纳米层或膜材料石墨烯(2维 d.块体纳米材料如金刚石(3维。 由于碳纳米材料的独特结构,使其具有不同于常规材料和单个分子的性质如量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等,从而导致了碳纳米材料的力学性能、电磁性能、光学性能、热学性能等的改变,并使之在电子学、光学、化工陶瓷、生物、医药、日化诸多方面有重要价值,得到广泛的应用。由于石墨,金刚石并不是常用的碳纳米材料。 碳纳米材料中,目前应用最成熟的就是碳纳米管。碳纳米管是一种具有独特结构的一维量子材料,由石碳原子层卷曲而成,管直径一般为几纳米到几十纳米,管厚度仅为几纳米,长度可达数微米。由于拥有潜在的优越能,碳纳米管无论在物理、化学还是在材料科学领域都将有大发展前景。比如在材料科学领域,碳纳米管的长度是直的几千倍,被称为“超级纤维”,其性质随直径和螺旋角的同有明显变化。近年来,美国、日本、德国和中国等国家相成立了纳米材料研究机构,使碳纳米管的研究进展随之加快并在制备及应用方面取得了突破性进展。 二.碳纳米材料的性能

纳米金属材料的制备方法

纳米硬质合金制备技术 纳米硬质合金具有很高的强度、硬度等力学性,能同时还具有普通超细合金难以获得的高导热特性(普通超细合金的导热性能随着晶粒度的减小而降低,瑞典的Sandvik公司就以硬质合金的导热性发生突变时合金晶粒度的临界值作为纳米硬质合金判据,认为晶粒度小于0.3μm的合金即可称为纳米硬质合金)。控制烧结过程中的晶粒长大是制备纳米硬质合金块体材料的关键,随着纳米(晶)硬质合金粉末制备技术的成熟,纳米(晶)硬质合金粉末的烧结研究成为材料研究领域的热点。 纳米晶粉末存在着很大的表面能和晶格畸变能,在烧结热处理中这些能量被充分释放,具体表现为晶粒迅速长大和快速致密化。在保证致密化的前提下,有效控制烧结过程中的晶粒长大成为纳米硬质合金制备技术的难点。为了抑制烧结晶粒长大,可在粉末中添加晶粒长大抑制,但添加抑制剂并不能有效地将晶粒控制在100nm以内,于是又发展了众多新的烧结方法,以期通过压力、电磁等活化作用来实现低温短时烧结,进一步控制晶粒长大。以下将对纳米硬质合金新型烧结技术进行简要介绍。 1 压力烧结 在烧结时施加压力可以加快烧结时的颗粒重排,快速实现致密化,消除孔隙,较有效控制烧结过程的晶粒长大。压力烧结主要有低压烧结、热等静压、热压、超高压烧结和爆炸烧结等。 1.1低压烧结 目前人们研究较多并且在工业中被广泛应用的是低压烧结。低压烧结将成形剂脱除、真空烧结和热等静压合并在同一设备中进行,最终烧结阶段采用氢气保护,压力一般为4~6MPa,可实现快速冷却。在低压烧结过程中,大部分收缩发生在真空烧结阶段,在加压阶段消除显微孔隙,使烧结体完全致密。其工艺主要优点为钻池几乎可以完全被消除,孔隙度显著降低,制品内部的缺陷得到有效控制合金的组织结构细小均匀。由于烧结和加压在同一设备中进行,不易造成产品的氧化和脱碳,还可通过引人碳势气体(如CH4等)来调整合金中的碳含量。 1.2热等静压

几种碳纳米材料的制备及其应用研究

几种碳纳米材料的制备及其应用研究 碳基纳米材料是指分散相至少有一维小于100 nm的碳材料。分散相可以由碳原子组成,也可以由其它原子(非碳原子)组成。 到目前为止,发现的碳基纳米材料有富勒烯、碳纳米管、石墨烯、荧光碳点及其复合材料。碳基纳米材料在硬度、耐热性、光学特性、耐辐射特性、电绝缘性、导电性、耐化学药品特性、表面与界面特性等方面都比其它材料优异,可以说碳基纳米材料几乎包括了地球上所有物质所具有的特性,如最硬—最软,全吸光—全透光,绝缘体—半导体—良导体,绝热—良导热等,因此具有广泛的用途。 发展制备这些材料的新方法、新技术,研究这些材料不同的纳米结构对性质的影响,不仅有重要的理论价值,而且对能源和生命分析领域的快速发展也具有重要的实际意义。在本论文工作中,以碳基纳米材料为主体,以微波水热、溶剂热等液相合成策略为手段,从探索纳米材料的结构、表面性质与其性能的关系出发,构建功能化碳基纳米材料,以满足在能源和生命分析应用中的要求。 本论文研究工作主要包括以下几方面的内容:1.微波辅助原位合成石墨烯/聚3,4-乙烯二氧噻吩复合物及其在超级电容器中的应用本工作中我们报道了一个新颖的微波辅助原位合成石墨烯/聚3,4-乙烯二氧噻吩复合物的新方法。首先,石墨烯氧化物(GO)和3,4-乙烯二氧噻吩单体(EDOT)通过两者间的吸附作用形成GO/EDOT复合物。 然后,在微波加热条件下,GO表面吸附的EDOT单体被GO氧化聚合为聚3,4-乙烯二氧噻吩,同时GO转化为石墨烯,进而形成石墨烯/聚3,4-乙烯二氧噻吩(G/PEDOT)复合物。产物中不含过量的EDOT或GO,从而保证了复合物的纯度。 本研究还对该复合物的结构进行了表征,利用循环伏安和恒电流充放电技术

纳米金属材料的进展与挑战

纳米金属材料进展和挑战 1 引言 40多年以前,科学家们就认识到实际材料中的无序结构是不容忽视的。许多新发现的物理效应,诸如某些相转变、量子尺寸效应和有关的传输现象等,只出现在含有缺陷的有序固体中。事实上,如果多晶体中晶体区的特征尺度(晶粒或晶畴直径或薄膜厚度)达到某种特征长度时(如电子波长、平均自由程、共格长度、相关长度等),材料的性能将不仅依赖于晶格原子的交互作用,也受其维数、尺度的减小和高密度缺陷控制。有鉴于此,HGleitCr认为,如果能够合成出晶粒尺寸在纳米量级的多晶体,即主要由非共格界面构成的材料。 例如,由50%(in vol.)的非共植晶界和50%(in vol.)的晶体构成],其结构将与普通多晶体(晶粒大于lmm)或玻璃(有序度小于2nm)明显不同,称之为纳米晶体材料(nanocrystalline materials)。后来,人们又将晶体区域或其它特征长度在纳米量级范围(小于100nn)的材料广义定义为纳米材料或纳米结构材料(nanostructured materials)。由于其独特的微结构和奇异性能,纳米材料引起了科学界的极大关注,成为世界范围内的研究热点,其领域涉及物理、化学、生物、微电子等诸多学科。目前,广义的纳米材料的主要l)清洁或涂层表面的金属、半导体或聚合物薄膜;2)人造超晶格和量子讲结构;功半结晶聚合物和聚合物混和物;3)纳米晶体和纳米玻璃材料;4)金属键、共价键或分子组元构成的纳米复合材料。 经过最近十多年的研究与探索,现已在纳米材料制备方法、结构表征、物理和化学性能、实用化等方面取得显著进展,研究成果日新月异,研究范围不断拓宽。本文主要从材料科学与工程的角度,介绍与评述纳米金属材料的某些研究进展。

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