碳纳米管.doc

碳纳米管一、简介（结构和性能）碳纳米管是一种具有石墨结晶的管状纳米碳材料，分为单壁碳纳米管（SWCNT）和多壁碳纳米管（MWCNT）两种，直径在纳米量级，具有很高的长径比。单壁碳纳米管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。多壁碳纳米管可看作由多个不同直径的单壁碳纳米管同轴套构而成。单壁碳纳米管根据六边环螺旋方向螺旋角的不同，可以是金属型碳纳米管也可以是半导体型碳纳米管。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。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220nm。多壁碳纳米管的电性能和单壁碳纳米管相近。金属型单壁碳纳米管和金属型多壁碳纳米管碳纳米管均是弹道式导体。大电流通过不产生热量每平方厘米最大电流密度可达10安培。碳纳米管也是优良的热传导材料。多壁碳纳米管的热传导系数超过3000W/m.K，是很好的超导材料。单壁碳纳米管的超导温度和直径相关，直径越小超导温度越高。直径1.4nm时超导温度为0.55K，直径0.5nm时超导温度为 5K，直径0.4nm时超导温度为20K 。碳纳米管还有非常好的力学性能。小直径的单壁碳纳米管不但坚硬而且强度很高，是目前发现的唯一同时具有极高的弹性模量和抗拉强度的材料。单壁碳纳米管的弹性模量和抗拉强度分别达到0.64TPa和 37Gpa。多壁碳纳米管的弹性模量和抗拉强度分别达到0.45TPa和 1.7Gpa。碳纳米管的抗拉强度可达钢的100倍同时密度只是钢的1/6。 二、碳纳米管的制备方法目前常用的碳纳米管制备方法主要有：电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相淀积法（碳氢气体热解法），固相热解法、辉光放电法和气体燃烧法等以及聚合反应合成法。电弧放电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，纯度较低，反应消耗能量太大，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。近年来发展出了化学气相淀积法：让气态烃通过附着有催化剂微粒的模板，在8001200度的条件下，气态烃可以分解生成碳纳米管。在一定程度上克服了电弧放电法的缺陷，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。三、碳纳米管的应用其发展前景1、碳纳米管可作为复合材料 碳纳米管聚合物复合材料是第一个已得到工业应用的碳纳米管复合材料。由于添加了电导性能优异的碳纳米管，使得绝缘的聚合物获得优良的导电性能。实验表明，2%碳纳米管的添加量可达到添加15%碳粉及添加8%不锈钢丝的导电效果。由于低的加入量及纳米级的尺寸聚合物在取得良好的导电性能时，不会降低聚合物机械及的其它性能，并适合于薄壁塑料件的注塑成型。这种导电聚合物塑料已在汽车燃料输送系统、燃料过滤器、半导体芯片和计算机读写头等要求防静电器件的内包装、汽车导电塑料另部件的制造等领域。在简化工艺流程、产品表面光洁度彩色油漆静电喷涂等方面都达到了理想的效果。是静电喷涂技术的发展方向。 将碳纳米管均匀地扩散到基体材料中，使得碳纳米管和基体材料充分粘合，达到有效的应力传递，防止多壁碳纳米管层间滑移及单壁碳纳米管束中管间的相对位移，充分利用碳纳米管高弹性模量和抗拉强度。此外，碳纳米管聚合物复合材料用于电磁辐射屏蔽材料及微波吸收材料的研究也取得重要进展，有望在人体电磁辐射防护，移动电话、计算机、微波炉等电子电器设备的电磁屏蔽方面广泛的应用潜力碳纳米管优异的微波吸收性能可用于隐身材料的制造，在飞机、导弹、火炮、坦克等军事装备隐形等军事领域里有巨大应用价值。2、碳纳米管可作为电化学器件 碳纳米管具有非常高的表面积比，根据直径和分散程度不同，碳纳米管的比表面积在2503000m2/g，加之优异的导电性能和良好的机械性能，碳纳米管是电化学领域所需的理想材料，是用做制造电化学双层电容器、超级电容器电极的理想材料。碳纳米管电容器电容量巨大，和普通介电电容器相比，电容器电容量从微法拉级上升到法拉级。碳纳米管电容量可到每克15200法拉。碳纳米管电容器具有非常好的放电性能，能在几毫秒的时间内将所存储的能量全部放出。由于可在迅间释放巨大电流，为汽车迅间加速提供能量，并在频繁启动情况下，消除大电流对蓄电池的冲击，提高蓄电池寿命。同时也可用于风力发电系统稳定电压。小型太阳能发电系统能量存储。 3.碳纳米管还可用于制造机电制动器机电制动器在机器人领域具有潜在的应用价值。碳纳米管机电制动器对比目前使用的压电制动器及电致伸缩制动器具有许多优点。碳纳米管机电制动器的工作电压只须几伏，而压电制动器和电致伸缩制动器的工作电压分别为100V和1000V以上。碳纳米管机电制动器的工作温度高达350度。如果对碳纳米管的热稳定性得到进一步改进工作温度可上生到1000 度。4 氢气存储氢能量蕴含值高，不污染环境，资源丰富，被认为是未来理想的能源，碳纳米管储氢是具有很大发展潜力的应用领域之一。室温常压下约三分之二的氢能从碳纳米管释放出来，而且可被反复使用。碳纳米管储氢材料在燃料电池系统中用于储氢气存储，对电动汽车的发展具有非常重要的意义。可取代现用高压氢气罐，提高电动汽车安全性。燃料电池在移动电源（手机、电脑等）家庭电源、分散电站、水下机器人、航天器、空间站、潜艇（不依赖空气推进）等领域有广阔用途。 5 场发射装置学术和工业界对碳纳米管电子器件的研究主要集中在场发射管电子枪，其主要可应用在场发射平板显示器FED荧光灯气体放电管X射线和微波发生器，碳纳米管平板显示器是最有诱人应用潜力和商业价值的领域之一。如果将场发射平板显示器的阳极萤光屏用金属板取代同时提高加速电压阴极将发出X射线利用这一功能可制造医用便携式X射线机 。6 碳纳米管场效应晶体管 以硅材料为基础的集成电路的加工水平以达到130nm，同时有报道说90nm技术将开始使用，由于纳米材料小于100nm出现小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，电子电路进一步缩小将越来越困难。金属型碳纳米管作为弹导式导体可通过109/cm2的电流密度，作为集成电路的导线有潜在应用价值。由于单根半导体型碳纳米管制造的碳纳米管场效应晶体管有可能取代硅材料晶体管，其研究得到极大重视。碳纳米管分子晶体管原型机已研制成功，新开发出的单层碳纳米管场效应晶体管采用的是与传统的金属氧化物半导体场效应晶体管相似的结构，用这种办法制造出的碳纳米晶体管与此前设计的碳纳米晶体管相比，衡量晶体管电流载流量的跨导参数值创造了新的最高纪录。 载流量与晶体管的速度存在着相关性，跨导参数值越高意味着晶体管的运行速度越快，制成的集成电路功能也更强研究人员新开发出的“单层碳纳米管场效应晶体管”其单位宽度的跨导参数值达到目前性能最好的金属氧化物半导体场效应晶体管的2倍以上 。7 碳纳米管传感器和探头 由于碳纳米管电子传输和结点处由温差导致的电位差对影响注入电子量的物质很敏感，非金属型碳纳米管在化学传感器领域里的潜在应用价值也引起了人们的兴趣。其主要优点是碳纳米管传感器尺寸非常小灵敏度极高，目前需要解决的主要问题是如何区分混合物中的各种成分并做出迅速响应 。碳纳米管探头可用于扫描电镜和原子力显微镜。最大的优点是强度高，韧性好使用寿命长。由于弯曲应力小对试样损伤小，对比常规探头碳纳米管探头电镜可获得更清晰的图像。 8 催化剂载体碳纳米管由于尺寸小、比表面积大、表面的键态和颗粒内部不同表面原子配位不全等，导致表面的活性位置增加，是理想的催化剂载体材料。碳纳米管作为催化剂载体材料的研究主要集中在活性组分负载于碳纳米管的方法、碳纳米管的电学性能对催化的影响、碳纳米管独特的管腔结构对催化的影响、碳纳米管的储氢性能对催化的影响等方面。结束语：由于碳纳米管具有独特的金属或半导体导电特性、非常好的力学性能、极高的机械强度、吸附能力、场致电子发射性能和宽带电磁