3.典型的纳米材料一-纳米碳材料课件

神奇的纳米碳材料,无处不在的碳,碳是自然界中最常见的元素之一，它以多种形式广泛存在于大气和地壳之中。碳单质很早就被人认识和利用，碳的一系列化合物有机物更是生命的根本。现在人类使用的能源绝大部分都是基于碳能源的利用。,碳炭,2020/6/7,3,一、碳的存在,1、煤炭形成：煤炭是远古植物残骸没入水中经过生物化学作用，然后被地层覆盖并经过物理化学与化学作用而形成的有机生物岩。分布：全世界标准煤可开采量5万亿吨，七位储量最大的国家依次为美国、中国、澳大利亚、印度、德国、南非和波兰中国煤炭资源分布面广，除上海市外，全国各个省、市、自治区都有不同数量的煤炭资源。山西、陕西、河南、东北，四川也有煤炭资源。,2020/6/7,4,一、碳的存在,1、煤炭种类：中国的煤种分类，其中炼焦煤类占27.56，非炼焦煤类占72.35。前者包括气煤（占13.75），肥煤（占353），主焦煤（占5.81），瘦煤（占401），其它为未分牌号的煤（占055）；后者包括无烟煤（占1093），贫煤（占555），弱粘煤（占174），不粘煤（占13.8），长焰煤（占1252），褐煤（占1276），天然焦（占019），未分牌号的煤（占1380）和牌号不清的煤（占106）。,2020/6/7,5,一、碳的存在,1、煤炭应用：直接做燃料火力发电干馏焦化厂气化液化,2020/6/7,6,一、碳的存在,1、煤炭应用：直接做燃料火力发电,2020/6/7,7,一、碳的存在,1、煤炭应用：干馏是煤化工的重要过程之一，指煤在隔绝空气条件下加热、分解，生成焦炭（或半焦）、煤焦油、粗苯、煤气等产物的过程。按加热终温的不同,可分为三种：9001100为高温干馏，即焦化；700900为中温干馏；500600为低温干馏。,2020/6/7,8,一、碳的存在,1、煤炭应用：干馏,2020/6/7,9,一、碳的存在,1、煤炭应用：气化煤的气化过程是一个热化学过程，它是指在煤气发生炉内，以煤或焦炭为原料，以氧气(空气、富氧获纯氧)、水蒸气或氢气等作气化剂，在高温条件下通过化学反应将煤或焦炭中的可燃部分转化为气体燃料的过程。气化时所得的可燃气体称为气化煤气，其有效成分主要包括一氧化碳、氢气及甲烷等。,2020/6/7,10,一、碳的存在,1、煤炭应用：气化1、固定床气化技术：固定床气化也叫移动床气化炉，在气化过程中，气化床层自上而下整体移动，固体气化原料之间相对固定；它以块煤为原料，是目前世界上应用数量最多的加压煤气化工艺。2、流化床气化技术：流化床气化也叫沸腾床气化，它的气化过程是粉煤在反应器内呈流态化状态，在一定温度、压力条件下与气化剂反应生成煤气。3、气流床气化技术：气流床工艺是煤炭气化的一种重要形式，原料煤以干粉或水煤浆形态入炉，煤粉(煤浆)和气化剂经喷嘴一起并流进入气化炉，并在气化炉内进行充分的混合、燃烧和气化反应。气流床气化技术的代表炉型是德士古气化炉和壳牌气化炉。4、煤炭地下气化：煤炭地下气化是通过热化学反应把地下煤层就地转化为可燃气体的过程。对保护环境和节省投资具有重要意义，但在其煤气的质量和数量及其控制上还有待提高。,2020/6/7,11,一、碳的存在,1、煤炭应用：液化煤的液化是把煤转化成液体燃料的过程。把煤与适当的溶剂混合后，在高温、高压下（有时还使用催化剂），使煤与氢气作用生成液体燃料。这是把煤直接液化的一种方法。煤还可以进行间接液化。就是先把煤气化成一氧化碳和氢气，然后再经过催化合成，得到液体燃料。例如，煤气化后得到的一氧化碳和氢气，可以用来合成甲醇。甲醇可以直接用作液体燃料。将甲醇掺到汽油中可以代替一部分汽油，作为内燃机的燃料。甲醇还可以进一步加工成高级汽油。,2020/6/7,12,一、碳的存在,1、煤炭应用：液化,2004年9月13日，在内蒙伊金霍洛旗建设的神华煤直接液化项目一期工程正在施工,2020/6/7,13,一、碳的存在,2、焦炭生产电石产生的矿渣含碳物质高温裂解后产生的矿渣,硬炭（原料为含异质元素的纤维素）,软炭（原料为有机芳香化合物或亚稳态沥青）,按原料分,2020/6/7,14,一、碳的存在,2、焦炭,焦炭通常按用途分为冶金焦（包括高炉焦、铸造焦和铁合金焦等）、气化焦和电石用焦等。,按用途分,2020/6/7,15,一、碳的存在,2、焦炭,冶金气化电石人造石墨,用途,2020/6/7,16,一、碳的存在,2、焦炭,冶金,用途,2020/6/7,17,一、碳的存在,2、焦炭,人造石墨,用途,2020/6/7,18,一、碳的存在,3、炭黑据记载,中国是世界上最早生产炭黑的国家之一。在古时候,人们焚烧动植物油、松树枝,收集火烟凝成的黑灰,用来调制墨和黑色颜料。这种被称之为“炱”的黑灰就是最早的炭黑。1821年人们在北美地区首次用天然气为原料生产炭黑,从此炭黑不再是“炱”那么简单,它是“气态或液态的碳氢化合物在空气不足的条件下进行不完全燃烧或热裂分解所生成的无定形碳,为疏松、质轻而极细的黑色粉末”。1912年人们发现炭黑对橡胶具有补强作用,从此炭黑逐渐成为橡胶工业不可缺少的原材料。目前世界橡胶工业原材料耗用量排在第一位的是生胶,第二位的是炭黑;换言之,炭黑已成为消费量最大的橡胶配合剂。炭黑的耗用量一般占橡胶耗用量的40%50%,也就是说,在橡胶配方中,通常每使用2份橡胶就会搭配使用1份炭黑。,2020/6/7,19,一、碳的存在,3、炭黑最好的黑色颜料、几乎是最廉价的颜料、着色力及遮盖力最强的颜料、视觉感官上呈中性、最稳定的颜料、耐热、耐化学腐蚀、耐光。炭黑是仅次于钛白粉的重要颜料，全世界年消耗橡胶碳黑约六百万吨，着色和其他用途等特殊碳黑约为二十五万吨。,二、单质碳的常见形式,1.金刚石（Diamond）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、活性低的固体。金刚石的熔点超过3500，相当于某些恒星表面的温度2.石墨（Graphite）石墨中碳原子以平面层状结构键合在一起，层与层之间键合比较脆弱，因此层与层之间容易被滑动而分开。3.富勒烯（Fullarene）又称为巴基球。富勒烯中的碳原子是以球状穹顶的结构键合在一起。,单质碳的其他形式,碳纳米管（Carbonnanotube）纤维碳（Filamentouscarbon，小片堆成长链而形成的纤维）洋葱碳及其相关结构纳米金刚石金刚石薄膜,石墨及其结构,石墨的结构早在1917年就已经被Debye,Scherrer,Grimm,Otto,和Bernal等人标定证明了。石墨的基本组成单元为石墨烯（graphene）在石墨烯中，每个碳原子都占据一个六边形的顶角。由于sp2杂化，每个碳原子都有三个键。键的沿着六边形的边方向与邻近三个原子相连，组成一个二维的原子面多层石墨烯靠范德华力结合在一起，行成层状结构的石墨,石墨烯通过ABABA的堆积方式行成了六角柱型石墨结构，被称为a石墨石墨烯通过ABCABCA的堆积方式形成了斜方六面体结构，被称为b石墨,石墨烯内的最近邻原子间距：0.142nm石墨片层间距：0.335nm(约为2倍范德华半径），所以石墨片层间很容易滑动，被用作固体润滑剂,石墨的成因和产状,天然石墨：石墨是在高温下形成。分布最广是石墨的变质矿床，系由富含有机质或碳质的沉积岩经区域变质作用而成。天然石墨主要分布于：中国：山东省莱西市为我国石墨重要产地之一,石墨探明储量687.11万吨，现保有储量639.93万吨。世界：著名产地：纽约Ticonderoga，马达加斯加和Ceylon，我国以黑龙江鸡西市柳毛为最大的产地。人造石墨，也就是特种石墨。按其成型的方式可分为以下几种。等静压石墨。模压石墨挤压石墨，多为电极材料。,石墨的物理性质,耐高温型：石墨的熔点为385050，沸点为4250，石墨强度随温度提高而加强。热膨胀系数也很小。导电、导热性：石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍。导热性超过钢、铁、铅等金属材料。导热系数随温度升高而降低，甚至在极高的温度下，石墨成绝热体。石墨能够导电是因为石墨中每个碳原子与其他碳原子只形成3个共价键,每个碳原子仍然保留1个自由电子来传输电荷。润滑性：石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小，鳞片越大，摩擦系数越小，润滑性能越好。化学稳定性：石墨在常温下有良好的化学稳定性，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀。可塑性：石墨的韧性好，可碾成很薄的薄片。抗热震性：石墨在常温下使用时能经受住温度的剧烈变化而不致破坏，温度突变时，石墨的体积变化不大，不会产生裂纹。,石墨的用途,作耐火材料，如石墨坩埚。作导电材料：在电气工业上用作制造电极、电刷、碳棒、碳管、水银正流器的正极，石墨垫圈、电话零件，电视机显像管的涂层等。作耐磨润滑材料。石墨具有良好的化学稳定性。经过特殊加工的石墨，具有耐腐蚀、导热性好，渗透率低等特点，就大量用于制作热交换器，反应槽、凝缩器、燃烧塔、吸收塔、冷却器、加热器、过滤器、泵设备。广泛应用于石油化工、湿法冶金、酸碱生产、合成纤维、造纸等工业部门，可节省大量的金属材料。作铸造、翻砂、压模及高温冶金材料用于原子能工业和国防工业：石墨具有良好的中子减速剂用于原子反应堆中石墨可作铅笔芯、颜料、抛光剂。,最硬的材料-金刚石,世界上最大的一颗金刚石，是1905年威尔斯上尉在南非（阿扎尼亚）的兰是瓦普列米尔矿山发现的“库利南钻石”，重3024.75克拉。约合605克（5克拉等于一克）。其中最大的一颗重530.20克拉。琢磨成74面，定名为“非洲之星”，镶在英王王冠上。,十级硬度从小到大依次为：1.滑石；2.石膏；3.方解石；4.萤石；5.磷灰石；6.长石；7.石英；8.黄玉；9.刚玉；10.金刚石。指甲的硬度约为2.0-2.5，铜钥匙为3.0，小钢刀为5.0-5.5，玻璃为6.0,金刚石及其结构,金刚石，就是具有“金刚石结构”的碳原子单晶立体网状结构，由两套面心立方嵌套而成碳原子sp3杂化，与最近邻的三个原子成键形成正四面体,世界上最大的蓝钻，希望之心（泰坦尼克号）,金刚石的物理性质,硬度大（莫氏硬度10，为所有材料中最高）熔点高（金刚石的熔点是3550,石墨的熔点是3850）绝缘体（由于sp3杂化，电子全形成很强的C-C共价键，所以无自由电子参与导电）反射率高，全反射角范围大热导率高（常温下是Cu的5倍）化学性能稳定,金刚石的用途,工业用途地质钻头和石油钻头金刚石、拉丝模用金刚石、磨料用金刚石、修整器用金刚石、玻璃刀用金刚石、硬度计压头用金刚石、工艺品用金刚石。观赏用途钻石由于折射率高，在灯光下显得闪闪生辉，成为女士最爱的宝石。,强度最高的纤维碳纳米管,碳纳米管的抗拉强度达到50-200GPa，比同体积钢的强度高100倍，重量却只有后者的1/6到1/7。弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。具有理想结构的单壁碳纳米管，其抗拉强度约为800GPa。,碳纳米管的发现,1985年，英国萨塞克斯大学的波谱学家克罗托（H.W.Kroto）和美国莱斯大学斯莫利RichardE.Smalley（1996年诺贝尔化学奖获得者）发现了富勒烯。1991年1月，日本筑波NEC实验室的物理学家饭岛澄男（IijimaSumio）使用高分辨率分析电镜从电弧法生产的碳纤维中发现多壁碳纳米管。（Multi-walledCarbonNanotubes）1993年，美国IBM公司Almaden实验室Bethune等人和Iijima同时报道了观察到单壁碳纳米管（Single-walledCarbonNanotubes）,碳纳米管的结构,碳纳米管又叫巴基管，由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的无缝、中空纳米管,不同旋转角度的碳纳米管模型和多壁碳纳米管的透射电子显微镜照片,单壁碳纳米管的特性,碳纳米管的应用-力学,超强纤维:碳纳米管具有弹性高、密度低、绝热性好、强度高、隐身性优越、红外吸收性好、疏水性强等优点，它可以与普通纤维混纺来制成防弹保暖隐身的军用装备。,太空电梯的构想,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室合成的最强碳纳米管纤维。,碳纳米管的应用-力学,材料增强体:用于增强金属、陶瓷和有机材料等。并且结合碳纳米管的导热导电特性.能够制备自愈合材料。,自愈合材料有望极大提高航天航空器的自我保护和修复能力！,碳纳米管/有机复合材料碳纳米管增强陶瓷基复合材料,碳纳米管的应用隐身材料,碳纳米管对红外和电磁波有隐身作用: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;纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大34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;因此，红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，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。,碳纳米管的应用-能源,储氢材料:按5人座的轿车行使500公里计算，需要3.1Kg的氢气，以正常的油箱体积计算，氢气的存储密度应有6.5wt%，目前的储氢材料都不能满足这一要求。碳纳米管由于其管道结构及多壁碳管之间的类石墨层空隙，使其成为最有潜力的储氢材料，国外学者证明在室温和不到1bar的压力下，单壁碳管可以吸附氢气5-10wt%。根据理论推算和近期反复验证，普遍认为碳纳米管的可逆储/放氢量在5wt%左右，即使5wt%，也是迄今为止最好的储氢材料。,碳纳米管储氢示意图红点为氢原子,碳纳米管的应用-能源,锂离子电池:锂离子电池正朝高能量密度方向发展，最终为电动汽车配套，并真正成为工业应用的非化石发电的绿色可持续能源，因此要求材料具有高的可逆容量。碳纳米管的层间距略大于石墨的层间距，充放电容量大于石墨，而且碳纳米管的筒状结构在多次充-放电循环后不会塌陷，循环性好。碱金属如锂离子和碳纳米管有强的相互作用。用碳纳米管做负极材料做成的锂电池的首次放电容量高1600mAh/g，可逆容量为700mAh/g，远大于石墨的理论可逆容量372mAh/g。,以直径为20nm的碳纳米管为负极材料的锂离子电池,碳纳米管的应用-纳米器件,纳米导线:碳纳米管的直径仅数纳米至数十纳米，耐电流密度可达铜的100多倍，可以作为超级耐高电流密度的布线材料，半导体型的碳纳米管还可以用来构筑纳米场效应晶体管、单电子晶体管等纳米器件，变频器、逻辑电路以及环形振荡器等各种逻辑电路。IBM的研究人员已经在单一“碳纳米管”分子上构建了首个的完整电子集成电路，比当今的硅半导体技术具有更为强大的性能，具有里程碑式的重大意义。,碳纳米管电子线路,碳纳米管的应用电子器件,场致发射:纳米级发射尖端、大长径比、高强度、高韧性、良好的热稳定性和导电性等，使得碳纳米管成为理想的场致发射材料!有望在冷发射电子枪、平板显示器等众多领域中获得应用。日本已制出该类技术的彩色电视机样机，其图象分辨率是目前已知其它技术所不可能达到的。用碳纳米管制成的电子枪与传统的相比，不但具有在空气中稳定、易制作的特点，而且具有较低的工作电压和大的发射电流，适用于制造大的平面显示器。使用具有高度定向性的单壁碳纳米管作为电子发送材料，不但可以使屏幕成像更清晰，还可以缩短电子到屏幕之间的距离，使得制造更薄的壁挂电视成为可能。,碳纳米管的应用-电子器件,新型的电子探针:碳纳米管具有大长径比、纳米尺度尖端、高模量，是理想的电子探针材料。不易折断：即使与被观察物体的表面发生碰撞，纳米碳管也不易折断，碳纳米管可与被观察物体进行软接触。灵活性高：碳纳米管笼状碳网状结构，可以进入观察物体不光滑表面的凹陷处。能更好显现被观察物体的表面形貌和状态，有很好的重现性。用碳纳米管作为这类电子显微镜的探针，不仅可以延长探针的使用寿命，而且可极大的提高显微镜的分辨率。特别是扩展了原子力显微镜等探针型显微镜在蛋白质、生物大分子结构的观察和表征中的应用。,碳纳米管的应用-电子器件,超级电容器:多孔碳不但微孔分布宽（对存储能量有贡献的孔不到30%），而且结晶度低，导电性差，容量小。碳纳米管结晶度高、导电性好、比表面积大、微孔大小可通过合成工艺加以控制，比表面利用率可达100%，超级电容器极限容量骤然上升了3-4个数量级，循环寿命在万次以上（使用年限超过5年）。在移动通讯、信息技术、电动汽车、航空航天和国防科技等方面具有极其重要和广阔的应用前景。大功率超级电容器:快速充放电特性：在汽车启动和爬坡时快速提供大电流及大功率电流，在正常行驶时由蓄电池快速充电；在刹车时快速存储发电机产生的大电流，这可减少电动车辆对蓄电池大电流充电的限制，大大延长蓄电池的使用寿命，提高电动汽车的实用性；对于燃料电池电动汽车的启动更是不可少的。若其容量能进一步提高，可望取代电池使用。,碳纳米管的电双层电容器实例,碳纳米管的应用传感器,传感器:碳纳米管吸附某些气体之后，导电性发生明显改变，因此可将碳纳米管做成气敏元件对气体实施探测报警。在碳纳米管内填充光敏、湿敏、压敏等材料，还可以制成纳米级的各种功能传感器。纳米管传感器将会是一个很大的产业。,碳纳米管的应用-纳米机械,纳米机械:美国中国和巴西的科学家发明了能称量亿亿分之二百克的单个病毒的“纳米秤”，通过测量振动频率可以测出粘结在悬臂梁一端的颗粒的质量。莫斯科大学的研究人员将少量纳米管置于29Kpa的水压下(相当于水下18000千米深的压力)做实验。不料，未加到预定压力的1/3，纳米管就被压扁了。他们马上卸去压力，它却像弹簧一样立即恢复了原来形状。于是，科学家得到启发，发明了用碳纳米管制成像纸张一样薄的弹簧，用作汽车或火车的减震装置，可大大减轻车辆的重量。,人造肌肉又叫电活性聚合物，是一种新型智能高分子材料，它能够在外加电场的作用下，通过材料内部结构的改变而伸缩、弯曲、束紧或膨胀，和生物肌肉十分相似。自愈合：美国加州大学洛杉矶分校的研究人员已经制造出了一种人造肌肉，能自我愈合并发电。此人造肌肉可用于制造行走机器人，开发更好的假肢。当人造肌肉充电时，它会膨胀2倍以上。如果有一处碳纳米管坏了，其周围区域就会将它自我封闭，使其不导电，防止损坏波及到其它区域。节能充电：当此人造肌肉收缩即碳纳米管重排时，它就会产生一股小小的电流，科学家可以获取这股电流并加以利用，或给下一次肌肉扩张提供能量，或贮存在电池里。日本科学家利用海浪给电池充电就是使用的同一技术。其他科学家已经推测到此人造肌肉还可用于捕获风能。一些人甚至会用它来给自己的电池充电。负泊松比：最近发现碳纳米管薄膜具有负的泊松比的奇特性质，在伸展时可增加宽度，在均匀压缩时长度和宽度均可增加。这种泊松比的调节能力也可用来设计基于纳米管薄膜的复合材料、人工肌肉、密封垫、应力和应变传感器及化学传感器。,碳纳米管的应用人工肌肉,压力传感器,人工肌肉模型,碳纳米管的应用-催化,特点：高稳定性、高比表面积、便于化学处理等。由于碳纳米管具有纳米级的内径，类似石墨的碳六元环网和大量未成键的电子，可选择吸附和活化一些较惰性的分子，研究发现其在600的催化活性优于贵金属铑，并很稳定。这将在石化和化工产业界带来不可估量的革新和效益。碳纳米管与金属离子之间的相互作用，使金属离子能在常温下自动趋于还原态，这对金属纳米导线的制备无疑很有裨益。,富勒烯,富勒烯的结构：克罗托受建筑学家理查德巴克明斯特富勒（RichardBuckminsterFuller，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buckminsterfullerene（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