碳纳米管的性质性能及其应用前景
碳纳米管的结构和性质探究
碳纳米管的结构和性质探究碳纳米管是由碳原子构成的管状结构，具有轻质、强度高、导电性好等独特的性质。
它的结构和性质对于物理和化学的研究都有很重要的意义。
本文将介绍碳纳米管的基本结构和性质，并深入探讨其应用领域的研究进展。
一、碳纳米管的基本结构碳纳米管分为单壁碳纳米管（Single-walled Carbon Nanotube，SWNT）和多壁碳纳米管（Multi-walled Carbon Nanotube，MWNT）两种。
其中，SWNT是由一个单层碳原子的六角网格形成的长管，而MWNT是由多层碳原子六角网格环绕成的管状结构，形似同心圆。
碳纳米管的直径为纳米级别，管壁的厚度约为10个碳原子的距离，因此具有很强的柔韧性。
碳纳米管的结构可以用“向量”的形式描述。
在一个二维的晶格中，沿着某个方向“滚动”晶格，就可以得到一个管状结构。
碳纳米管的“向量”可以用两个参数（n,m）来表示，这两个参数决定了碳纳米管的形状和具体的各向异性。
二、碳纳米管的性质1. 电学性质碳纳米管具有非常好的电导性能和电子传输性能。
SWNT的电阻率最小可达10^-6Ω•cm，MWNT的介电常数在300-400之间，接近真空。
在室温下，碳纳米管的电流密度可以达到10^9A/cm^2。
此外，碳纳米管的电学性质还可以由其长度和直径来调控。
2. 机械性能碳纳米管的强度很高，可以承受非常大的拉伸力。
理论上，碳纳米管的强度可以达到理论强度的100倍以上。
此外，碳纳米管的弹性模量和柔性也非常好，可以在较大的变形情况下恢复原状。
3. 热学性质碳纳米管在高温下的热稳定性很好，可以在高达2800℃的温度下稳定存在。
同时，碳纳米管的热传导性能也非常出色，热传导系数高达3000W/m•K。
三、碳纳米管的应用1. 碳纳米管在材料领域由于碳纳米管的强度和柔性等材料特性，因此可以制备出高强度、高韧性和轻质的材料。
如碳纳米管复合材料广泛应用于飞机、汽车等交通工具以及建筑和其他工程领域中。
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。
碳纳米管的亲疏
碳纳米管的亲疏碳纳米管是一种具有特殊结构和性质的纳米材料，因其独特的亲疏性在许多领域都有广泛应用。
本文将介绍碳纳米管的亲疏性及其在不同领域的应用。
一、什么是碳纳米管碳纳米管是由碳原子构成的纳米管状结构，具有直径纳米级别、长度可达微米级别的特点。
根据结构形式的不同，碳纳米管可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。
在碳纳米管的结构中，碳原子以六角形方式连接，形成了稳定的管状结构。
二、碳纳米管的亲性1. 疏水性碳纳米管表面由于碳纳米管内部和外部的原子结构，其表面呈现出疏水性。
由于其表面的疏水性，碳纳米管对于水分子有排斥作用。
2. 亲水性碳纳米管的亲水性主要表现在其内部的通道结构中，通道的内部可以与水分子形成氢键，使得碳纳米管对于水分子有亲和力。
三、碳纳米管的应用领域1. 生物医学领域由于碳纳米管的独特结构和良好的生物相容性，它被广泛应用于生物医学领域。
碳纳米管可以用作生物传感器、药物运输载体、组织工程等方面。
在药物传递方面，由于碳纳米管具有良好的载药能力和温敏性，可以实现药物的定向释放和靶向治疗。
2. 环境治理碳纳米管在环境治理中也有重要应用。
碳纳米管可以作为吸附剂吸附重金属离子、有机物等污染物质，从而净化水体和土壤环境。
此外，碳纳米管还可以作为催化剂催化有机废气等。
3. 功能材料由于碳纳米管具有优异的电、热、力学性能，它被广泛应用于电子、能源等领域。
碳纳米管可以用于制备电池、超级电容器、导电薄膜等功能材料。
4. 纳米电子器件碳纳米管的亲疏性使其成为制备纳米电子器件的理想材料。
碳纳米管可以用于制备场效应晶体管、光电二极管、柔性显示器等纳米电子器件。
5. 复合材料碳纳米管可以与其他材料进行复合，形成性能优良的复合材料。
碳纳米管被广泛用于制备高性能的复合材料，如碳纳米管增强的高强度塑料、碳纳米管增强的复合导电材料等。
结语碳纳米管的亲疏性使其在多个领域具有广泛应用。
生物医学、环境治理、能源电子等领域都能发挥碳纳米管的独特作用。
碳纳米管材料的性能及其应用范围
碳纳米管材料的性能及其应用范围摘要：碳纳米管作为一种新型半导体材料在制作纳米级电子元器件中有着广泛的应用。
根据结构的不同，碳纳米管有金属型和半导体型两种，人们以半导体型碳纳米管制备了碳纳米管场效应晶体管，取得了良好的效果。
碳纳米管导热性是铜的5倍；它的拉伸强度达到50～200GPa，是钢的100倍，密度却只有钢的1/6；其导电性根据结构的不同而异，可以是导体、绝缘体、半导体，甚至可以仅次于超导体。
关键词：碳纳米；性能及其应用范围一、碳纳米管材料的性能1.1力学性能碳纳米管由C-C共价键结合而成，同时又具有管径小、长径比大的特点，使碳纳米管具有优良的电学和力学性能，其杨氏模量和剪切模量与金刚石相当，理论强度是钢的100倍，并且具有很高的韧性，而密度仅为钢的1/7。
据报道[3]，在纳米碳管的拉伸过程中，当应力超过弹性变形以后，纳米碳管会通过较为特殊的塑性变形来改变形状以消除外来应力，即通过纳米碳管管壁的相邻两个六边形网格向成对的五边形和七边形转变（如图）。
纳米碳管不仅具有很高的强度，而且具有良好的塑性。
在透射电子显微镜观察中，还可以发现具有很大弯曲程度的纳米碳管，尽管在其截面上发生了极大的扭曲变形但仍然未发生断裂，主要原因就是纳米碳管通过其管壁外侧的拉伸和内侧的压缩塌陷甚至折叠来消除外来应力。
碳纳米管通过这种网格的結构变化来释放应力，不仅可以发生弹性变形而且可以发生一定的塑性变形，同时保持相当的强度而不断裂。
这种特性使之特别适宜作为复合材料，特别是聚合物基复合材料的增强相。
碳纳米管可以使镁基复合材料的微观组织晶粒得到细化，还可使力学性能也有所提高。
但当碳纳米管的加入量大于1%时，复合材料的抗拉强度随碳纳米管加入的增多而降低，有人认为这是由于过多的碳纳米管发生偏聚导致的。
1.2电学性能碳纳米管根据螺旋型构造和直径的不同，可以分为金属型和半导体型。
据报道，随机取向的宏观试样电导率近似103s/m，球状的非定向电导率大约50s/m。
纳米碳管在催化剂中的应用研究
纳米碳管在催化剂中的应用研究一、碳纳米管的简介碳纳米管（Carbon nanotubes，CNTs）是一种一维的结构，由碳原子形成纳米尺度的管状物质，在物理、化学、材料科学等领域都具有广泛的应用前景。
碳纳米管单壁的直径通常为1-3 nm，在外径大致相同的情况下，壁厚可以等于单壁厚度，也可以有多壁壁层。
二、纳米碳管在催化剂中的作用催化剂是在化学反应中加快反应速率的物质，它本身并不参与反应过程，而是通过调节反应中的能量变化，实现反应条件的提高，从而促使化学反应的进行。
碳纳米管的结构、性质和表面的化学反应活性使其在催化剂中拥有独特的应用优势。
1. 催化剂支撑材料碳纳米管是一种极其优异的催化剂载体，因其优异的阻塞性能、高比表面积、良好的导电性、高的热稳定性和循环稳定性，使得其可以作为非常理想的催化剂载体来使用。
它可以将催化活性剂稳定地固定在表面上，增加反应过程中的反应基团表面密度，增加反应速率和催化效果。
2. 活性催化剂组分碳纳米管本身也具有催化活性，能够在催化反应中提供表面上的活性位点和催化反应，例如常见的氧化还原反应、还原反应、酯化反应、电荷转移反应等。
在某些反应中，碳纳米管具有比常规催化剂更强的反应选择性，更低的反应温度，更高的催化效率和更快的反应速率。
3. 电催化剂碳纳米管在电化学反应中也具有广泛的应用前景，其能够吸附活性氧和氢气等，从而作为阴、阳极催化剂。
此外，碳纳米管还可以作为超级电容器的核心材料，并且也可以应用在直接甲醇燃料电池中等电化学领域。
三、纳米碳管催化剂研究进展1. 金属催化剂的纳米碳管载体碳纳米管作为金属催化剂的载体具有协同催化作用，为氢化反应、酯化反应、氧化反应等一系列反应提供多种选择。
研究表明，使用纳米碳管作为催化剂载体可以实现对反应活性组分的定向修饰，提高反应性能和催化剂稳定性。
2. 有机功能化纳米碳管催化剂在不同的功能性化物质表面，可以通过非常简单的化学处理方法将这些材料修饰在纳米碳管表面上。
碳纳米管是什么材料
碳纳米管是什么材料碳纳米管是一种由碳原子构成的纳米材料。
它们具有独特的结构和特性，在材料科学和纳米技术领域引起了广泛的关注和研究。
碳纳米管可以是单壁碳纳米管（SWNT）或多壁碳纳米管（MWNT）。
在单壁碳纳米管中，碳原子以只有一个碳原子厚度的碳层形成管状结构，而在多壁碳纳米管中，形成了多层碳管。
碳纳米管具有许多独特的物理和化学性质，使其成为多个领域的研究热点。
首先，碳纳米管具有优异的力学性能。
由于碳原子之间的强共价键，碳纳米管具有很高的强度和刚度。
尽管碳纳米管的直径非常小，但它们可以以惊人的强度抵抗拉伸和压缩。
这使得碳纳米管成为可能的材料选择，用于构建轻型和高强度材料。
其次，碳纳米管具有优异的导电性能。
碳纳米管的导电性与其结构有关。
SWNT是从一个单一的碳层卷曲而成，因此具有较高的导电性，甚至可以比铜更好。
MWNT由多层碳管组成，导电性较差，但仍然较高。
这种优良的导电性使得碳纳米管成为纳米电子器件的重要组成部分，如场效应晶体管和纳米线。
此外，碳纳米管还具有出色的热导性。
由于碳纳米管的结构，热能可以在其结构的纵向方向上快速传导，而横向方向上的传导受到限制。
这使得碳纳米管成为制造高效热界面材料的理想选择，用于提高电子器件和热管理系统的散热性能。
碳纳米管还具有很强的化学稳定性和抗腐蚀性。
由于碳纳米管是由碳原子构成的，它们对大多数化学物质都具有良好的抗腐蚀性。
这种化学稳定性使得碳纳米管能够在极端的环境条件下使用，例如高温和酸碱溶液中。
由于碳纳米管具有独特的结构和性质，它们在许多领域都有着广泛的应用。
在材料领域，碳纳米管被用于制造复合材料、纳米增强材料和高性能纤维。
碳纳米管还被应用于电子领域，包括纳米电池、电子器件和传感器。
此外，碳纳米管还用于生物医学领域，如药物传递和生物传感器。
然而，尽管碳纳米管在许多领域都有着广泛的应用前景和潜力，但其大规模生产和应用仍然面临许多挑战。
首先，碳纳米管制备方法的成本较高，限制了其商业化应用。
碳纳米管的特性及其在防腐涂层中的应用
碳纳米管的特性及其在防腐涂层中的应用
碳纳米管是由一个或者多个芳香环组成的碳结构，极小尺寸，长径比大，其表面张力特性优越，可以充分利用极小尺寸中的表面积，可以突破传统材料的极限。
碳纳米管的性质特点如下：
1）体积小。
碳纳米管半径仅有1分米，长度超过几十微米，体积极小，具有极大的表面积。
2）超强的强度、延性和抗拉力性能。
由于碳纳米管具有非常特殊的结构，具有极强的力学性能，能很好地承受外力，具有超长的延性和抗伸性，冲击力极高。
3）具有优越的导电性能。
碳纳米管可以把极少的量的电荷载体从一端传导到另一端，并由此构建出了超级电容器，具有极高的电容率和超高的电容量。
4）具有抗腐蚀性能。
碳纳米管相对普通的金属结构而言，具有更好的抗腐蚀性能，不易受外界环境的影响。
因此，碳纳米管在防腐涂层中得到了广泛应用，主要用于铝合金，钢铁，铝镁合金、建筑等行业的抗腐蚀，具有以下的优势：
1）有效的抗腐蚀性能。
碳纳米管的抗腐蚀性能好，能够有效抵抗多种多样的环境，可有效延长涂层寿命，提高耐久性，大大减少更换和维护成本。
2）轻质、耐高温。
碳纳米管拥有极佳的轻质特性，具有良好的抗高温性能，能在高温下使用，效率更高，耐损性也更强。
3）环保性好。
碳纳米管不排放其他有毒物质，具有良好的环保特性，可以更好地保护自然环境。
4）成本低。
碳纳米管具有良好的价格与性价比，比传统方法更具优势。
总结而言，碳纳米管在防腐涂层中有着独特的性能和优势，可迅速提高涂层的质量，延长使用寿命，成为今时今日抗腐蚀领域的一大利器。
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
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. . . .页脚. 碳纳米管的性质性能其应用前景 The Properties and Applications of Carbon Nano-Tubes
雅坤 师大学化学学院 5 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，这道世界性难题被大学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。 . . . .页脚. 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。 2.2 化学气相沉积法 化学气相沉积法又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。 2.3 激光烧灼法 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。当炉温升至一定温度时，将惰性气体冲入管，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。 2.4 聚合反应合成法 在碳纳米管制备方法中，聚合反应合成法一般指利用模板复制扩增的方法。 碳纳米管的一般制备过程与有机合成反映类似，其副反应复杂多样，很难保证同一炉碳纳米管均为扶手椅式纳米管或锯齿形纳米管。科学家发现，在强酸、超声波作用下，碳纳米管可以先断裂为几段，再在一定纳米尺度催化剂颗粒作用下增殖延伸，而延伸后所得的碳纳米管与模板的卷曲方式相同。于是科学家设想，如果通过这种类似于DNA扩增的方式对碳纳米管进行增殖，那么只需找到少量的扶手椅式纳米管或锯齿形纳米管，便可在短时间复制、扩增出数量几百万倍于模板数量的、同类型的碳纳米管。这可能会成为制备高纯度碳纳米管的新方式。 2.5 催化裂解法 催化裂解法是在600~1000℃的温度及催化剂的作用下，使含碳气体原料（如一氧化碳、甲烷、乙烯、丙烯和苯等）分解来制备碳纳米管的一种方法。此方法在较高温度下使含碳化合物裂解为碳原子，碳原子在过渡金属-催化剂作用下，附着在催化剂微粒表面上形成为碳纳米管。催化裂解法中所使用的催化剂活性组分多为第八族过渡金属或其合金，少量加入Cu、Zn、Mg等可调节活性金属能量状态，改变其化学吸附与分解含碳气体的能力。催化剂前体对形成金属单质的活性有影响，金属氧化物、硫化物、碳化物及有机金属化合物也被使用过。 除了以上方法以外，还有固相热解法、离子或激光溅射法等制备碳纳米管的方法。各种方法分别适用于相应需求的碳纳米管的制备，使得碳纳米管的在各个领域中进行实际应用成为可能。 . . . .页脚. 二、性质与性能 1. 碳纳米管的性质 碳纳米管 ( carbon nanotubes，CNTs) ，又称巴基管 ( buckytube) ，属于富勒碳系 ( fullerene) ，是在 C60不断深入研究中发现的【1】。 碳纳米管可看成是由石墨片层绕中心轴按一定的螺旋度卷曲而成的管状物，管子两端一般也是由含五边形的半球面网格封口。碳纳米管中每个碳原子和相邻的3个碳原子相连，形成六角形网格结构，因此碳纳米管中的碳原子以sp2杂化为主，但碳纳米管中六角形网格结构会产生一定的弯曲，形成空间拓扑结构，其中可形成一定的sp3杂化键，所以它是以sp2杂化为主，也含有一定的sp3杂化。直径较小的碳纳米管曲率较大， sp3杂化的比例也大，反之，sp3杂化的比例较小，碳纳米管的形变也会改变sp2和sp3杂化的比例。碳纳米管一般由单层或多层组成，相应地称为单壁碳纳米管(SWCNT)和多壁碳纳米管(MWCNT)。单壁碳纳米管的直径在零点几纳米到几纳米之间，长度可达几十微米，多壁碳纳米管直径在几纳米到几十纳米之间，长度却可达几毫米，层与层之间保持固定的间距，与石墨的层间距相当，约为0.34nm。多壁碳纳米管结构复杂，不易确定，单壁碳纳米管结构相对简单，理论上已有较深入的研究。碳纳米管的晶体结构为密排六方(hop)，α=0.24568nm，c= 0.6852nrn，c/α=2.786，与石墨相比，α值稍小而c值稍大，表明 碳纳米管同一层碳管原子间有更强的键合力和极高的同轴向性，是一个在管轴方向具有周期性的一维晶体，可被看成理想的一维材料。碳纳米管可看成是由石墨片层绕中心轴卷曲而成，不同的卷曲方式所得的结构不同。其性质也会不同【2】。碳纳米管的管腔部是纳米级中空结构，可作为纳米级分子反应器和存储容器。但碳纳米管的管径尺寸太小、表面缺陷多、团聚严重等问题一直影响着碳纳米管在实际中的应用【1】。 2. 碳纳米管的性能 碳纳米管因其独特的结构而具有优良的性能。它具有极高的机械强度和理想的弹性，其氏模量与金刚石相当，约为 1TPa【3,4】，是钢的5倍左右，为已知材料的最高模量；其弹性应变最高可达12％。在碳纳米管，由于电子的量子限域所致，电子只能在石墨片中沿着碳纳米管的轴向运动，因此碳纳米管表现出独特的电学性能。实验发现根据其直径和螺旋度的不同，它既可以表现出金属性又可以表现出半导体性。由于碳纳米管的尖端具有纳米尺度的曲率半径，在相对较低的电压下就能够发射出大量的电子，因此碳纳米管呈现出优良的场致发射特性，非常适合于用作各种场致发射器件的阴极。Matsumoto 等【5】在直径为20～30mm的硅尖端催化生长单壁碳纳米管，并将其用于场发射研究，实验结果表明单壁碳纳米管发射极的发 射阈值仅为传统硅发射极的1/50～1/10。这些优良的力学和电学性能又使碳纳米管成为复合材料领域最有前景的研究热点。另外，碳纳米管很高的热稳定性和化学稳定性，优异的热传导能力、超导性能和光学性能等也引起了人们极大的关注。
三、应用前景 碳纳米管因其独特的力学、电学及化学等特性，已成为全世界的研究热点，在场致发射、纳米电子器件、纳米机械、复合增强材料等众多领域取得了广泛应. . . .页脚. 用。随着碳纳米管合成技术的日益成熟，低成本大量合成碳纳米管已经成为可能， 探索和研究碳纳米管的应用已成为当务之急，具有重大的实用价值。 1. 碳纳米管作为复合材料的应用 1.1 金属和瓷基的碳纳米管复合材料 研究表明碳纳米管可以改善金属材料的力学性 能和提高瓷材料韧性。董树荣等制备了含10～14 vol.%碳纳米管的铜基复合材料具有较好的摩擦性能。Kuzumaki等用热压一热挤出工艺制备了碳纳米管增强铝基复合材料，其强度比纯铝具有更好的热稳定性，Ma等用高温热压技术制备了纳米 瓷SiC(、NTs复合材料，其弯曲强度和韧性比原 来增加了10%。虽然金属基纳米碳管复合材料的研究取得了一定的效果，但在改善材料的力学性能方面进展有限。Xu等发现在传统的热加工制备铝/碳纳米管复合材料过程中，铝/碳纳米管的界面形成了AlC和AlC2脆性碳化物。由于纳米碳管与金属在高温复合过程中形成的脆性界面削弱了界面的结合强度降低了复合材料的力学性能。而对于高熔点金属和硬质合金碳纳米管复合材料，用传统的热加工方法制备更是困难。因此，纳米碳管与基体高强度结台是制备金属基纳米碳管超强复合材料的关键【6】。 1.2 金属或金属氧化物填充碳纳米管复合材料 金属及其氧化物填充碳纳米管是一种新型的结构独特的一维纳米复合材料，可以作为纳米电子器件、传感器、新型催化剂和电极材料。其制备方法主要有直接电弧放电法、液相化学法和模板合成法。用含有金属催化剂的复合碳棒电弧放电，可以葭接得 到金属填充的碳纳米管。其缺点是高温电弧放电时容易形成金属碳化物，含有大量的无定形碳，产率非常低。同时可供选择的填充金属催化剂种类较少【6】。 1.3 聚合物-碳纳米管复合材料 碳纳米管可以改善聚合物材料的导电性能和力 学性能，制备新型的聚合物光电材料。Musa等制备的Poly(3 octylthiophene)，MWNTs复合膜，电导率提高了5个数量级，与导电性能有关的活化能从原来的～0．23 eV降低到～0．1 eV。某些共轭聚合物与碳纳米管复合可以得到具有良好导电性能和光学特性的聚合物复台材料，其中Poly(p-phenlyenevinylene co-2，5-dioctoxy-m-phenylenevinylene (PMPV)和碳纳米管的复合已经被较多地研究【6】。 1.4 石墨烯/碳纳米管复合材料 石墨烯和碳纳米管在电学和力学等方面有着相似的性质, 但由于结构不同, 它们也有很多不同之处。碳纳米管和石墨烯分别是优良的一维和二维碳材料, 它们分别体现出了一维的和二维的各向异性, 如导电性、力学性能和导热性等。为了结合两者的优点, 人们将石墨烯和碳纳米管共同用于复合材料, 石墨烯和碳纳米管复合材料形成三维网状结构, 通过它们之间的协同效应, 使其表现出比任意一种单一材料更加优异的性能, 例如更好的各向同性导热性、各向同性导电性、三维空间微孔网络等特性.。基于以上性质, 使得石墨烯/碳纳米管复合材料在超级电容器、太阳能电池、显示器、生物检测、燃料电池等方面有着良好的应用前景。此外, 掺杂一些改性剂的石墨烯/碳纳米管复合材料也受 到人们的广泛关注, 例如在石墨烯/碳纳米管复合电极上添加 CdTe 量子点制作光电开关、掺杂金属颗粒制作场致发射装置。由此可见, 石墨烯/碳纳米管复合材料越来越多的被人们所应用, 也使得石墨烯/碳纳米管复合材料的制备和应用得到更加广泛的关注【7】。 2. 场致发射材料