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碳纳米材料 1 碳纳米简介 碳纳米材料的含义 纳米碳材料是指分散相尺度至少有一维小于100nm的碳材料 分散相既可以由碳原子组成 也可以由异种原子 非碳原子 组成 甚至可以是纳米孔 纳米碳材料主要包括三种类型 碳纳米管 碳纳米纤维 纳米碳球 2 碳家族 3 类型介绍 4 富勒烯 富勒烯 Fullerene 是一种碳的同素异形体 任何由碳一种元素组成 以球状 椭圆状 或管状结构存在的物质 都可以被叫做富勒烯 富勒烯与石墨结构类似 但石墨的结构中只有六元环 而富勒烯中可能存在五元环 5 空间结构分类 球形富勒烯 管状富勒烯 洋葱状富勒烯 6 富勒烯的性质 超导电性 60 70本身都是半导体 在1K左右的低温下 60 70都没有向超导体转变光聚合特性由于双键的存在 富勒烯在一定的光照条件下双键被打开 与相邻的 60分子形成更加稳定的共价键而发生了聚合反应 7 发光性质处于真空中的 60是没有发光性能的当 60晶体吸附了一些气体 或者向 60晶体中掺杂某种成分 甚至在 60笼上嫁接一些基团或者有机分子时 使原来不能发光的 60分子具备了发光性质 8 生物活性水溶性富勒烯衍生物在生物化学 生物医药和药物学方面取得了巨大的成功 有些富勒烯衍生物可有望应用于临床分别从理论和实验上预测和证明了一些水溶性富勒烯衍生物能够抑制人体免疫缺陷病毒酶 人类的许多疾病是由于细菌而引起的 已有许多研究表明富勒烯衍生物具有抗菌作用 9 碳纳米管 1 性能 10 碳纳米管的应用潜力高性能纤维 复合材料高导电 高导热纤维 复合材料抗冲击防护材料电磁屏蔽锂电 超电容储能和电极材料吸附和过滤材料用于 航空航天 军工 能源 环境 机械 电子 生活 11 石墨烯 12 石墨烯是由碳原子以 2杂化连接的单原子层构成的 其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环 其理论理论厚度仅为0 35nm 是目前所发现的最薄的二维材料 13 20世纪70年代 Clar等利用化学方法合成一系列具有大共轭体系的化合物 即石墨烯片 Schmidt等科学家对其方法进行改进 合成了许多含不同边缘修饰基团的石墨烯衍生物 但这种方法不能得到较大平面结构的石墨烯 2004年 Geim等以石墨烯为原料 通过微机械力剥离法得到一系列叫作二维原子晶体的新材料 石墨烯 graphene 14 石墨烯中各个碳原子之间的连接十分柔韧 当对其施加外部机械力时 碳原子面就会弯曲变形 从而使碳原子不必重新排列来适应这个外力 就保持了该材料结构的稳定性 同时 这种稳定的晶体结构也使石墨烯具有优秀的导电性 石墨烯中的电子在轨道中移动时 不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射 石墨烯因具有高的比表面积 突出的导热性能和力学性能及其非凡的电子传递性能等一系列优异的性质 15 石墨烯独特的性能与其电子能带结构紧密相关 石墨烯电子能带结构以独立碳原子为基 将周围碳原子产生的势作为微扰 可以用矩阵的方法计算出石墨烯的能级分布 在狄拉克点附近展开 可得能量与波矢呈线性关系 类似于光子的色散关系 且在狄拉克点出现 这意味着在费米面附近 石墨烯中电子的有效质量为零 这也解释了该材料独特的电学等性质 16 石墨烯是构成下列碳同素异形体的基本单元