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碳纳米管简介 1 碳纳米管的发现碳纳米管是在1991年1月由日本筑波NEC实验室的物理学家饭岛澄男使用高分辨率分析电镜从电弧法生产的碳纤维中发现的 2 碳纳米管的结构与金刚石 石墨 富勒烯一样 是碳的一种同素异形体 它是一种管状的碳分子 管上每个碳原子采取sp2杂化 相互之间以碳 碳 键结合起来 形成由六边形组成的蜂窝状结构作为碳纳米管的骨架 3 碳纳米管的分类 1 按形态分 普通封口型 变径型 洋葱型 海胆型 竹节型 2 按手性分 扶手椅型 锯齿型 3 按照石墨烯片的层数分 单壁碳纳米管 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 50 m 又称富勒管 Fullerenestubes 多壁碳纳米管 含有多层石墨烯片 形状象个同轴电缆 4 碳纳米管的生产方法 石墨电弧法燃烧火焰法激光蒸发法 1 石墨电弧法基本原理 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 2 燃烧火焰法利用液体 如乙醇 气体 如乙炔 和固体 如木炭 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 基板上的棕褐色物质就是碳纳米管 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 3 激光蒸发法 这种方法是制备单壁纳米碳管的一种有效方法 用高能CO2激光或Nd YAG激光蒸发掺有Fe Co Ni或其他合金的碳靶制备单壁纳米碳管 用这种CO2激光蒸发法 在室温下就可以得到单壁碳纳米管 缺点 单壁碳纳米管的纯度较低 易粘结 5 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 碳纳米管 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 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 适当排列碳纳米管可得到非常高的各向异性热传导材料 4 储氢性能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 6 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 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 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 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 5 催化剂载体纳米材料比表面