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课程论文

《功能材料》

姓名：

陈建领

班级:

金材073

学号：

07102080301

河南科技大学

碳纳米管材料的研究

摘要：

纳米材料被誉为21世纪的重要材料，而作为新型纳米材料的碳纳米材料因其本身所拥有的潜在优越性，在化学、物理学及材料学领域具有广阔的应用前景，成为全球科学界各级科研人员争相关注的焦点。

本文综述了碳纳米管的制备方法、结构性能、应用以及碳纳米管发展趋势。

关键词：

碳纳米管、制备方法、应用特性

1.引言

1985年，英国化学家KrotoHW教授和美国Smallev教授合作研究，用激光轰击石墨靶，并用谱仪分析产物，结果发现了由60个碳原子构成的一个与足球形状相同的中空球大分子，这就是人们称为C60的分子。

C60分子是碳家族中的一个全新分子，它的发现大大丰富了人们对碳的认识，从此在全球范围内掀起了探索C60微结构和特殊物理性质的热潮。

自从1991年11月，日本NEC公司的电镜专家Lijima在用高分辨电子显微镜（HRTEM）检查C60分子时，意外地发现了一些完全由碳原子构成的直径为纳米级的管状物，后来人们把这种管状物称为碳纳米管（carbonnanotubes，简称CNTs碳纳米管），见图1

自发现碳纳米管以来，其超强的力学性能、优异的场发射性能、极高的储氢性能、潜在的化学性能等使碳纳米管的研究和制备一直是国际纳米技术和新材料领域的研究热点。

近几年来，美、日、德、英等科学发达国家纷纷投巨资对纳米技术进行研究与开发，并取得了很大的进展。

目前，多壁碳纳米管（MWNTs）已达到了吨级合成规模.单壁碳纳米管（SWNTs）产量仍比较低下。

具有特定形态与尺寸的碳纳米管的合成依然困难重重。

2.碳纳米管的组织结构特征

碳纳米管（CNT）又名巴基管，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。

它是由单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷绕而成的无缝、中空的“微管”（原列结构见图2），每层由一个碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形组成的圆柱面。

根据形成条件的不同，碳纳米管存在多壁碳纳米管（Multi—wallednanotubes，MWNTs）和单壁碳纳米管（Single—wallednanotubes，SWNTs） 两种形式。

MWNTs一般由几层到几十层石墨片同轴卷绕构成，层间间距为0.34nm左右，其典型的直径和长度分别为 2-30nm0.1-50μm.SWNTs由单层石墨片同轴卷绕构成，其侧面由碳原子六边形排列组成，两端由碳原子的五边形封顶。

管径一般从10-20nm，长度一般可达数十微米，甚至长达20cm[2]。

图2SWNTs原子排列结构示意图

3.碳纳米管的性能

①　奇异的导电性 碳纳米管的性质与其结构密切相关。

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。

②　优异的力学性质 除了奇特的导电性质之外，碳纳米管还有非凡的力学性质。

理论计算表明，碳纳米管应具有极高的强度和极大的韧性。

由于碳纳米管中碳原子间距短、单层碳纳米管的管径小，使得结构中的缺陷不易存在，因此单层碳纳米管的杨氏模量据估计可高达5太帕，其强度约为钢的100倍，而密度却只有钢的1/6。

因此，碳纳米管被认为是强化相的终极形式，人们估计碳纳米管在复合材料中的应用前景将十分广阔。

③　良好的热学性能 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。

纳米管的横向尺寸比多数在室温至150℃电介质的品格振动波长大一个量级，这使得弥散的纳米管在散布声子界面的形成中是有效的，同时降低了导热性能。

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　优良的储氢性能 碳纳米管的中空结构，以及较石墨（0.335nm）略大的层间距（0.343nm），是具有更加优良的储氢性能，也成为科学家们关注的焦点。

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。

4.碳纳米管的制备方法

目前，科学家们已发明3种方法制备含量相当高的碳纳米管的烟尘。

但至今这3种方法还有严重的局限性，制取的碳纳米管长短不一，有许多缺陷和多种扭曲。

a.火花法

这种方法是将两根石墨棒连接到电源，棒端间距为数毫米。

合上电闸，石墨棒之间产生100A的电弧，使石墨气化成为等离子体，其中一些以碳纳米管的形式重新凝聚，按质量计算，一般产率为30%。

优点是使用高温并在石墨棒上加金属催化剂，可以制备几乎没有缺陷的单层或多层碳纳米管。

缺点是管较短（不超过50μm），沉积时尺寸和取向都是随机的。

b.热气法

这种方法也很简单，将一块基板放进加热炉里加热至600℃，然后慢慢充入甲烷一类的含碳气体。

气体分解时产生自由的碳原子，碳原子重新结合可能形成碳纳米管。

优点是在三种方法中最容易实现产业化，也可能制备很长的碳纳米管。

缺点是制得的碳纳米管是多壁的，常常有许多缺陷。

与电弧放点法制备的碳纳米管相比，这种碳纳米管抗张强度只有前者的十分之一。

c.激光轰击法

Rice大学的RichardSmally和他的合作者用脉冲激光代替电加热使碳气化，得到碳纳米管。

在实验了多种催化剂后，该小组发现了可大量制备单层碳纳米管的条件，一般产率可达70%。

优点是主产物为单层碳纳米管，通过改变反应温度可控制管的直径。

缺点是需要非常昂贵的激光器，所以此法耗费最的大。

5.结语

目前，各国在实验上对碳纳米管的研究方兴未艾，并都取得了一定的成就，美国发明了纳米秤，日本制成了铂填充的碳纳米管，德国制备出直径为lnm的碳纳米管。

我国个别研究成果虽然走在了世界最前沿，如合成出世界最长的碳纳米管、高质量碳纳米管储氢的研究等，但在纳米科技领域的总体水平与美日欧相比，差距还很大。

各国主要面临以下两个共同问题，使得碳纳米管不能真正得到工业应用。

①如何实现高质量碳纳米管的连续批量工业化生产。

碳纳米管制备现状大致是：

多壁碳纳米管能较大量生产，单壁碳纳米管多数处于实验室研制阶段，某些制备方法得到的碳纳米管生长机理还不明确，对碳纳米管的结构（管径、管长、螺旋度、壁厚、管表面石墨碳的结晶度等）还不能做到任意调节和控制，影响碳纳米管的产量、质量及产率的因素太多（如催化剂颗粒的大小、碳源的种类、温度、混合气体的种类及比例等），使制得的碳纳米管都存在杂质高、产率低等缺点，还没有高效的纯化碳纳米管的方法。

②如何更深入研究碳纳米管实际应用问题。

例如，在常温常压下如何解析氢气及加快其储氢放氢速度。

如何提高碳纳米管吸附容量的稳定性和吸附压力的敏感性。

再如，怎样才能制备出性能更为优异或能预期其性能的碳纳米管复合材料。

要解决这些共同难题，就需要研究人员们一方面突破技术关键，进一步研究开发新的、成本低廉、适合于大规模生产碳纳米管的技术，通过建模和模拟来加强生长现象与机理研究；另一方面继续深入研究其应用，把碳纳米管与各个领域结合起来，充分发挥其自身优异的特性。

另外，最近碳纳米管又出现一新的研究方向，即碳纳米管薄膜的润湿性，已有很多学者对其润湿性作出了大量研究。

Jiang等用平板印刷术和等离子体刻蚀技术相结合，制备了具有特殊几何形貌的硅基底，并用化学气相沉积法在其上面沉积了具有立体各向异性微结构阵列碳纳米管薄膜。

研究表明，在不改变薄膜表面的化学组成的情况下，仅仅改变结构参数，薄膜能从超亲水变化到超疏水，这种现象是由于横向和纵向碳纳米管阵列结构的共存即立体各向异性微结构所引起的。

纵向的碳纳米管阵列提供了疏水的贡献，而横向的碳纳米管阵列提供了亲水性的贡献，并有利于水滴的铺展。

横向和纵向碳纳米管阵列组合方式的改变导致了其薄膜特殊的润湿性性质。

Lau等用PECVD方法获得了准直生长的碳纳米管森林，然后通过HF—CVD的方法用PTFE对其进行了表面修饰，获得了稳定的超疏水表面，液滴可以在其上面自由跳跃直至脱离。

Li等以酞菁络合物为原料，采取高温裂解的方法制备了具有相当均匀长度和外径的阵列碳纳米管薄膜，研究表明，未经处理的阵列碳纳米管薄膜是超疏水和超亲油的，经过氟化（FAS）修饰以后的碳纳米管薄膜表现出了既疏水又疏油的性质，正是纳米结构的存在导致了该表面的超双疏性质。

这一发现为超双疏表面／界面材料提供了新的思路。

我们应该看到，目前所得到的碳纳米管缺陷较多，且不易分散，这大大限制了碳纳米管的性质研究和应用研究。

所以对碳纳米管制备方法的研究显得尤为重要。

另外，纳米尺寸的测量手段也须进一步加强。

总之，随着碳纳米管研究的逐步深入以及纳米科技的快速发展，纳米碳材料将会对全世界的科学和经济产生重大的影响。

参考文献:

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材料热处理工程师资格考试指导书,2005（9）

[7]百度文库

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[9]朱宏伟，徐才录，等．碳纳米管表面处理对储氢性能的影响[J]．碳素技术，2000，4（4）：

[10]G.B.Adams,O.F.Sankey,J.B.Page,etal.[J].Science,1992,256:

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[13]M.J.Yacaman,M.M.Yoshida,L.Rendon.Catalyticgrowthofcarbonmicrotubuleswithfullerenes