CNTs-碳纳米管简介

1、碳纳米管（碳纳米管（ CNTs ）介绍）介绍 简介简介 碳纳米管(carbon nanotubes, CNTs) 于1991年由NEC(日本电气)筑波研 究所的饭岛澄男(Sumio Iijima)首次 以论文的形式报道出来的 文献一 文献二 单壁碳纳米管的首次介绍 图示图示 图片来源：刘剑洪，吴双泉，碳纳 米管结构及其应用，深圳大学理工 学报，2013 1 2 1、 1991 年，S.Iijima在高分辨电镜下观察电弧蒸发后在石墨阴极上形成的硬质沉积 物时发现，阴极炭黑中含有一些直径为 430nm、长约 lm 的多层（2-50）空心管 状物即多壁碳纳米管(multi-walled carbon

2、 nanotubes，MWNTs)。该发现立即引起 学界广泛关注，在科学界掀起了继发现 C60之后关于碳的同素异形体的又一次研究 热潮。 2、碳纳米管以其独特的物理化学特性（如独特的金属半导体特性、高机械强度、良 好的吸附能力和微波吸收能力等）、新型准一维功能材料及其诱人的应用前景而日 益受到人们的重视。 3、主要对碳纳米管(carbon nanotubes，CNTs)的发现及、制备、物理特性以及技术 应用等进行简单讨论。 前言 制备制备 步骤： 1、使两个石墨电极保持一定的距离，两电极 的间隙很小以形成稳定的电流，抽高真空后， 在 13.3kPa 的氩气中，阳极被蒸发，产物中除 了产生通常的

3、碳灰外，在阴极上还形成了一些 针状物质。 2、这些碳针不是均匀地生长在电极的表面上， 而是倾向于在电极的某些部位成束生长，在高 分辨电镜下观察时发现，这些碳针由直径为 430nm、长约 lm 的2 到 50 层的同心无缝 管状结构组成。 图五 辉光放电制备碳纳米管原理图 来源：张伟华，纳米管制备方法，2013 6.7nm/五层5.5nm/两层6.5nm/七层 1、C图案最里的圆直径为2.2nm，由大约30个 碳六环所组成，两个相邻碳六环（C图最里）键 角为6 2、生长机制 资料来源：欧阳玉，碳纳米管结构研究，湖南大学，2008 （1）封闭生长机理 碳纳米管在生长过程中始终保持端封闭,其生长是通

4、过来自等离子体 中的碳原子簇插入反应活性较高的两封闭端，然后在石墨网中扩散,发 生结构重排而形成更加稳定的结构。 （2）开口生长机理 碳管在生长过程中始终保持开口,开口处有较高反应活性的悬空键 (不饱和键)，吸附等离子体中的碳原子从而生长,内外层管以同样速率生 长。 （3）电场诱导生长模型 在电弧放电条件下，两电极间充满浓度很高的等离子体,对两电极空 间起屏蔽效应，阳极蒸发而形成自由碳原子,在温度相对较低的阴极表 面上沉积，阴极表面较高的电压降产生的电场对碳管的开口生长起稳定 作用并诱导碳纳米管生长。 分析分析 分析分析 图6 电子枪从不同的方 向入射，分析碳纳米管 的衍射图像。 由电子衍射可

5、以推断其是否具 有螺旋结构（螺旋指数(u,v)、 直径d及螺旋角A等） 分析分析 1、碳纳米管 可由两个指数m、确定，m为管圆周长（m=u a1+v a2，为螺旋角。 （对于多层壁结构除了直径和螺旋角外，还需考虑层间距以及不同层间的六角环排 列关系等） 2、扶手型纳米管总是金属性的，锯齿形纳米管和手性形纳米管中则部分为半导体性， 部分为金属性的。 图7 碳纳米管结构示意图 分析分析 图9 展开的碳纳米管 1、碳纳米管可看成是由石墨片层绕管轴 （tube axis）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、卷曲时石墨片层中保持不变的六边形网 格与碳纳米管轴向之间可能会出现夹

6、角即螺 旋角。 3、螺旋角不同代表其旋转程度的不同，一 个纳米管的旋转由管轴和螺旋角两者决定。 4、碳纳米管的封口通常有曲面、多边形或 锥型面所完成。（一般为五边形与七边形的 组合） 分析分析 1、作者不认为是蛋卷型结构，理由如下： 如果是这种蛋卷结构，那么这种细管会有覆盖边缘存在（edge overlaps on their surfaces），但实验中并没有观察到）。 2、在不同的管形貌观察中，作者提出了一个纳米管生长的模型，即：每个纳米 管在根部开始各自独立的螺旋生长，但其具体的生长机理是未知的，但可肯定的 是它与传统的螺旋位错是不一样的，因为它有圆柱状的点阵。 3、目前也还无法得到具有

7、清晰横截面的多壁碳纳米管试样。 分析分析 ？ 支持同心圆结构的证据有： 1、多壁碳纳米管存在内部端帽 2、碳纳米管与气态或固态氧化剂相 互反应的实验。实验结果显示，在碳 纳米管与氧化剂相互作用的过程中， 当碳纳米管主体部分还完好无损的时 候，其端部结构却已经被破坏了。 支持蛋卷结构的证据有： 1、记录高压下多壁碳纳米管的衍射图样， 他们发现d层间距从 0.344nm 下降到 0.340nm，这与石墨c 轴的压缩率相对应。 2、如果多壁碳纳米管由同心碳管套装而成， 而层间距为 0.34nm，则相邻管间周长相 差应为2 0.34=2.1nm。但以锯齿型碳 纳米管为例，2.1nm 不是 0.246n

8、m(六角碳 环宽度)的整数倍。 （资料来源：欧阳玉，碳纳米管结构研究，湖南大学，2008） 要对碳纳米管的各种性能进行进一步的分析的话，就希望实验所用的 为单层碳纳米管，于是饭岛澄男又进行了对单壁碳纳米管的研究。 以下是他的制备过程： 1、在电弧放电法的基础上（上电极直径10mm，下电极阳极20mm）， 阳极做成波纹状，槽里加入催化剂Fe（起匀相作用）； 2、在蒸发室内抽真空后充入分压为10torr的甲烷、40torr的氩气； 3、电极两端电压为20kv，产生电流为200A，分解的催化剂原子逐渐 形成纳米级颗粒，浮游在反应空间，碳原子在催化剂颗粒上形成碳纳米管； 4、把产物制成丙酮悬浊液，干燥

9、后置于仪器内观察。 单层碳纳米管的制备单层碳纳米管的制备 分析分析 图9 通过电子显微镜看到的图像 （图中黑色为Fe3C等杂质） 由图可知纳米管通常聚集一起呈捆状（由于范德华力的作用），但孤立、单独的 纳米管同样存在。 分析分析 1、在电子显微镜下挑选了60根纳米管，对他们的直径进行了了统计，发现在 0.8nm和1.05nm周围的数量较多； 2、右图对一根直径为1.37nm的纳米管进行电子衍射。 图10 纳米管直径大小统计 应用应用 1、用作制备超强光导纤维，复合材料的增强剂。其强度是钢的100倍，而密度 却只有钢的六分之一，还具有很好的柔韧性； 2、扫描隧道显微镜和原子力显微镜的针尖； 3、 用于制造纳米电子学器件（在碳纳米管