第五章富勒烯与碳纳米管3.ppt

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碳纳米材料司徒粤讲师化学与化工学院华南理工大学碳元素的同素异形体a金刚石金刚石b石墨石墨c蓝丝黛尔石（六蓝丝黛尔石（六方金刚石）方金刚石）d/e/f巴克球巴克球g不定型碳不定型碳h碳纳米管碳纳米管石墨烯石墨烯石墨炔石墨炔碳的同素异形体金刚石金刚石（SP3）石墨（石墨（SP2）内容简介蓝丝黛尔石富勒烯巴克球碳纳米管石墨烯石墨炔蓝蓝丝丝黛黛尔尔石石（Lonsdaleite）又又称称作作六六方方金金刚刚石石（hexagonaldiamond）。

蓝蓝丝丝黛黛尔尔石石是是流流星星上上的的石石墨墨在在坠坠入入地地球球时时的的巨巨大大压压力力及及热热量量作作用用下下，改改变变构构形形成成金金刚刚石石，同同时时又又保保留留了了石石墨墨的的平平行行六六边边形形晶晶格格，最最终终形形成成具具有有六六方方晶晶格格新新型型碳碳同同素素异异形形体体，其其硬硬度度比比金金刚刚石硬石硬58%。

1967年年发现于美国于美国亚利利桑那州巴林杰桑那州巴林杰陨石坑石坑蓝丝黛尔石蓝丝黛尔石富勒烯富勒烯任何由碳一种元素组成，以球状，椭球状，或管状结任何由碳一种元素组成，以球状，椭球状，或管状结任何由碳一种元素组成，以球状，椭球状，或管状结任何由碳一种元素组成，以球状，椭球状，或管状结构存在的物质，都可以被叫做富勒烯。

构存在的物质，都可以被叫做富勒烯。

构存在的物质，都可以被叫做富勒烯。

构存在的物质，都可以被叫做富勒烯。

巴克球、巴基球巴克球、巴基球巴克球、巴基球巴克球、巴基球巴克管巴克管巴克管巴克管、碳纳米管、碳纳米管、碳纳米管、碳纳米管克罗托克罗托HaroldW.KrotoHaroldW.KrotoUniversityofSussexofSussex斯莫利斯莫利RichardE.SmalleyRichardE.SmalleyRiceUniversityRiceUniversity柯尔柯尔RobertCurlRobertCurlRiceUniversityRiceUniversity大泽映二大泽映二日本纳米碳研究所日本纳米碳研究所加拿大蒙特利尔万国博览馆球形圆顶薄壳建筑加拿大蒙特利尔万国博览馆球形圆顶薄壳建筑理查德理查德巴克明斯特巴克明斯特富勒富勒C60的结构富勒烯中的碳原子为富勒烯中的碳原子为SP2杂化，三配位，分子形状杂化，三配位，分子形状接近球形。

接近球形。

闭合的笼状分子闭合的笼状分子12个五边形和个五边形和20个六边形。

个六边形。

五边形都被六边形所包围，五边形都被六边形所包围，而六边形周围则是三个五而六边形周围则是三个五边形与三个六边形。

边形与三个六边形。

形成三维大形成三维大键键球形富勒烯可简写为C2n，其中五边形12个，六边形n-10个目前发现最小的富勒烯为C20巴克球的制备l激激光光蒸蒸发发法法：

大大功功率率激激光光束束轰轰击击石石墨墨使使其其气气化化，用用1MPa压压强强的的氦氦气气产产生生超超声声波波，使使被被激激光光束束气气化化的的碳碳原原子子通通过过一一个个小小喷喷嘴嘴进进入入真真空空膨膨胀胀，并并迅迅速速冷冷却却形形成成新新的碳分子的碳分子。

l电电弧弧法法：

在在氦氦气气或或是是氩氩气气的的保保护护下下，高高温温电电弧弧可可以以制制备备出出含含有有C60的的黑黑色色烟烟灰灰。

当当两两根根高高纯纯石石墨墨电电极极靠靠近近进进行行电电弧弧放放电电时时,炭炭棒棒气气化化形形成成等等离离子子体体,在在惰惰性性气气氛氛下下小小碳碳分分子子经经多多次次碰碰撞撞、合合并并、闭闭合合而而形形成成稳稳定定的的C60及高炭富勒烯分子及高炭富勒烯分子,l苯火焰燃烧法：

苯火焰燃烧法：

1991年麻省理工学院的年麻省理工学院的Howard等燃烧等燃烧用氩气稀释过的苯获得用氩气稀释过的苯获得C60和和C70混合物。

将苯、甲苯混合物。

将苯、甲苯在氧气作用下不完全燃烧的碳黑中有在氧气作用下不完全燃烧的碳黑中有C60或或C70，通过，通过调整压强、气体比例等可以控制调整压强、气体比例等可以控制C60与与C70的比例，这的比例，这是工业中生产富勒烯的主要方法。

是工业中生产富勒烯的主要方法。

l石墨直接加热法：

石墨直接加热法：

1992年年Peter和和Jansen等利用高频电等利用高频电炉在炉在2700，150KPa氦气氛中于一个氮化硼支架上氦气氛中于一个氮化硼支架上直接加热石墨样品直接加热石墨样品l重结晶法：

苯（或二硫化碳和四氯化碳）溶出黑色烟重结晶法：

苯（或二硫化碳和四氯化碳）溶出黑色烟灰中的灰中的C60，缓慢加热蒸去溶剂，得到暗棕色或是黑色，缓慢加热蒸去溶剂，得到暗棕色或是黑色的晶体。

的晶体。

l升华法：

在真空或是惰性气体中将烟灰加热至升华法：

在真空或是惰性气体中将烟灰加热至400C，C60可以升华出来，升华后的覆盖层由于厚度不同可以升华出来，升华后的覆盖层由于厚度不同而呈棕色至灰色。

而呈棕色至灰色。

l二氮杂二环二氮杂二环（DBU）化学络合分离法化学络合分离法l高效液相色谱法高效液相色谱法l柱层析法柱层析法巴克球的提纯巴克球的性质l分子稳定分子稳定，抗辐射和化学腐蚀，抗辐射和化学腐蚀，25时，时，C60分解需要分解需要2000年。

年。

lC60分子具有笼状结构，分子具有笼状结构，抗压性抗压性比所有粒子都比所有粒子都强，强，C60的耐压程度远比金刚石高。

的耐压程度远比金刚石高。

l它能它能导电导电，导电性比铜强，重量只有铜的六分，导电性比铜强，重量只有铜的六分之一。

之一。

l硬度硬度比钻石还硬比钻石还硬，韧性韧性（延展性延展性）比钢强比钢强100倍倍lC60、C70分子具有分子具有光限效应光限效应。

即当光流量较。

即当光流量较小时，其溶液是透明的。

但是当强光超过阀值小时，其溶液是透明的。

但是当强光超过阀值强度以后，溶液立即变成不透明。

强度以后，溶液立即变成不透明。

C60分子可以和金属结合，也可以和非金属负离子结合。

分子可以和金属结合，也可以和非金属负离子结合。

与与惰性元素惰性元素可形成可形成HeC60和和NeC60，是惰性气体唯一形式的化，是惰性气体唯一形式的化合物。

合物。

C60完全完全氟氟化得到的化得到的C60F60是一种超级耐高温材料是一种超级耐高温材料当当碱碱金金属属原原子子和和C60结结合合时时，电电子子从从金金属属原原子子转转到到C60分分子子上上，可可形形成成具具有有超超导导性性能能的的MxC60，其其中中M为为K，Rb，Cs；x为为掺掺进进碱碱金金属属原原子子的的数数目目。

K3C60在在18K以以下下是是超超导导体体，在在18K以以上上是是导导体体，掺掺进原子数可达进原子数可达6个，个，K6C60是绝缘体。

是绝缘体。

富勒烯的应用l润润滑滑剂剂和和研研磨磨剂剂C60具具有有特特殊殊的的圆圆球球形形状状，是是所所有有分分子子中中最最圆圆的的分分子子；另另外外，C60的的结结构构使使其其具具有有特特殊殊的的稳稳定定性性。

在在分分子子水水平平上上，单单个个C60分分子子是是异异常常坚坚硬硬的的，这这使使得得C60可可能能成成为为高高级级润润滑滑剂剂的的核核心心材材料料。

在在炭炭黑黑中中添添加加少少量量含含有有一一定定量量的的富富勒勒烯烯烟烟炱炱,可可以以降降低低胶胶料料的滚动阻力。

的滚动阻力。

l在在功功能能高高分分子子材材料料领领域域,已已有有研研究究成成果果表表明明,将将C60C70的的混混和和物物渗渗入入发发光光高高分分子子材材料料聚聚乙乙烯烯咔咔唑唑中中,得得到到的的新新型型高高分分子子光光电电导导体体在在静静电电复复印印、静静电电成成像像以以及及光光探探测测等等技术中可广泛应用。

技术中可广泛应用。

富富勒勒烯烯的的质质轻轻、高高强强度度和和强强韧韧性性的的特特点点可可用用于于羽羽毛毛球球拍拍等等对对机机械械强度要求高的材质。

强度要求高的材质。

将将富富勒勒烯烯与与铂铂、锇锇结结合合成成配配位位化化合合物物,有有可可能能成成为为高高效效的的催催化化剂剂。

目目前前科科研研人人员员正正在在对对此此进进行行研研究究,并并发发现现这这种种配配位位化化合合物物在在硅硅氢氢加加成反应中具有很高的催化活性。

成反应中具有很高的催化活性。

l富富勒勒烯烯经经光光激激发发后后有有很很高高的的单单线线态态氧氧的的产产率率,可可应应用用于于光光化化治治疗疗技技术术,用用以以控控制制甚甚至至杀杀死死癌癌细细胞胞;富富勒勒烯烯的的衍衍生物可防治糖尿病、艾滋病。

生物可防治糖尿病、艾滋病。

l正正C60富富勒勒烯烯是是一一种种很很强强的的抗抗氧氧化化物物质质,其其抗抗氧氧化化能能力力是是维维生生素素C的的125倍倍。

除除了了抗抗氧氧化化外外,还还具具有有清清除除自自由由基基、活化皮肤细胞活化皮肤细胞（预防衰亡预防衰亡）等作用。

等作用。

在在1991年年日日本本NEC公公司司基基础础研研究究实实验验室室的的电电子子显显微微镜镜专专家家饭饭岛岛澄澄男男（Iijima）在在高高分分辨辨透透射射电电子子显显微微镜镜下下检检验验石石墨墨电电弧弧设设备备中中产产生生的的球球状状碳碳分分子子时时，意意外外发发现现了了由由管管状状的的同同轴轴纳纳米米管管组组成成的的碳碳分分子子,这这就就是是碳碳纳纳米米管。

管。

碳纳米管碳纳米管碳纳米管的结构特征管状的碳分子，六边形管状的碳分子，六边形管壁，五边形封端。

管壁，五边形封端。

五边形时碳纳米管就会五边形时碳纳米管就会凸出，七边形出现则会凸出，七边形出现则会使其凹进使其凹进管上每个碳原子采取管上每个碳原子采取SP2杂化，整个碳纳米杂化，整个碳纳米管的共轭管的共轭电子云。

电子云。

长度和直径的比非常大，长度和直径的比非常大，可达可达103106碳纳米管的分类-按形态分类碳纳米管的分类-按层数分类（a）单壁碳纳米管（b）-（e）多壁碳纳米管碳纳米管的分类-按取向分类左图：

非定向碳纳米管；右图：

定向碳纳米管。

DefinitionofaCNTMulti-walledCNTs:

aseriesofcoaxialSWNTswithabout0.34nmspacingBachiloet.al.Science298p23612002n-m=3xMetallicorsemimetallic碳纳米管的分类-按手性分类NanotubesarefullydescribedbytheirchiralvectorCh=n1+m2Importantparametersdt=（3/p）ac-c（m2+mn+n2）1/2-Q=tan-1（3n/（2m+n）GroupedaccordingtoqArmchair:

n=m,q=30Zigzag:

norm=0,q=0Chiral:

0q30ZigzagChiralArmchair碳纳米管的分类-按手性分类（5,5）（9,0）力学性能力学性能lCNTs抗拉强度达到50200GPa,是钢的100倍,密度却只有钢的1/6；l弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。

l碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似，但其结构却比高分子材料稳定得多。

l碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，l碳纳米管的长径比一般在1000:

1以上，是理想的高强度纤维材料l碳纳米管被压扁，撤去压力后，碳纳米管像弹簧一样立即恢复了形状，表现出良好的韧性。

l力学性能各向异性，轴向和径向的力学性能差异大。

碳纳米管的物理化学性质电磁性能电磁性能l碳纳米管具有良好的导电性能，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。

l理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角，表现出导体和半导体性能；l完美碳纳米管比缺陷碳纳米管的电阻小一个数量级；l径向电阻大于轴向电阻；l碳纳米管束和单根纳米管都显示超导性，后者显示温度更低。

热学性能热学性能l碳纳米管具有良好的传热性能，CNTs具有非常大的长径比，因而其沿着长度方向的热交换性能很高。

l碳纳米管有着较高的热导率，只要在复合材料中掺杂微量的碳纳米管，该复合材料的热导率将会可能得到很大的改善。

光学性