碳纤维和碳纳米管的一篇综述
Elastomeric transparent capacitive sensors based on an interpenetrating composite of silver nanowires and polyurethane
Weili Hu, Xiaofan Niu, Ran Zhao, and Qibing Pei
Citation: Appl. Phys. Lett. 102, 083303 (2013); doi: 10.1063/1.4794143
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Elastomeric transparent capacitive sensors based on an interpenetrating composite of silver nanowires and polyurethane
Weili Hu,1,2Xiaofan Niu,1Ran Zhao,1and Qibing Pei 1,a)
1
Department of Materials Science and Engineering,Henry Samueli School of Engineering and Applied Science,University of California,Los Angeles,California 90095,USA 2
State Key Laboratory for Modi?cation of Chemical Fibers and Polymer Materials,
Department of Materials Science and Engineering,Donghua University,Shanghai 201620,China
(Received 12January 2013;accepted 18February 2013;published online 28February 2013)Highly ?exible transparent capacitive sensors have been demonstrated for the detection of deformation and pressure.The elastomeric sensors employ a pair of compliant electrodes comprising silver nanowire networks embedded in the surface layer of polyurethane matrix,and a highly compliant dielectric spacer sandwiched between the electrodes.The capacitance of the sensor sheets increases linearly with strains up to 60%during uniaxial stretching,and linearly with externally applied transverse pressure from 1MPa down to 1kPa.Stretchable sensor arrays consisting of 10?10pixels have also been fabricated by patterning the composite electrodes into X-Y addressable
passive matrix.V
C 2013American Institute of Physics .[https://www.docsj.com/doc/231230825.html,/10.1063/1.4794143]Future electronics are expected to be ?exible,conforma-ble,and can take various form factors in order to realize a
plethora of user-friendly applications such as expandable dis-plays,conformable photovoltaic sheets,and arti?cial skins.1–4Pressure sensors strategically placed on a ?exible synthetic skin working in the pressure range of 1kPa to 1MPa would be able to detect ?ngertip texture,hand grip,and in-shoe pressures.5Future robots wearing such a ?exible pressure-sensitive skin can “feel”a touch or pressure.An electronic skin could also be used for advanced prosthetic limbs or applied as surgical gloves to perform feel-real remote opera-tions.6Being stretchable and able to detect the pressure or de-formation at the same time would allow for feedback control.Patients with prosthetic hand or limbs equipped with such arti-?cial skins could completely regain dexterity and maneuver-ability.In consumer electronics,capacitive touch sensors found on most current smartphones and tablet computers do not differentiate pressure differences.The addition of pressure sensing could make the touch screen more intuitive for users.Replacing the touch screen with an electronic skin would sig-ni?cantly increase the amount of data input or the “livelihood”in each ?nger touch via pressure sensitivity.7High visual transparency is required for such applications.
In these device applications,stretchable transparent elec-trode is an indispensable element.A variable capacitor using a pair of compliant electrodes sandwiching an elastomeric spacer can detect pressure or deformation in the change of ca-pacitance.8–12The Bao’s group recently reported a skin-like capacitive sensor based on single-walled carbon nanotubes (SWNTs)with detectable pressure of 50kPa and strain up to 50%.13This sensor,though not as sensitive to low pressures as their previously reported microstructured sensors,which could detect pressures generated by a ?y weighing about 20mg,is stretchable and transparent.The transparency could expand the application scope,such as touch screens and elec-tronic skins with various options of skin color.Cohen et al.reported elastic strain gauges based on percolation SWNT
coatings.10The high sheet resistance of the SWNT coatings could limit the data speed and active area of these devices.The challenge still remains unresolved in developing an elas-tomeric electrode with low surface resistance and high visual transparency.
Several methods have been reported in the literature for the preparation of stretchable electrodes.1,3,14–19However,none has simultaneously achieved high stretchability,high conductivity,high transparency,and a low-cost large-area fabrication.Here,we report the fabrication of a high-performance transparent electrode by embedding an ultrathin silver nanowire (AgNW)network in the surface layer of an elastomeric polyurethane (PU)matrix.The composite elec-trodes retain high surface conductance at tensile strains up to 60%,and can be stretched repeatedly with minimal loss of electrical conductivity under both slow and fast strain rates.High-performance stretchable transparent capacitors can be readily fabricated by sandwiching an acrylic elastomer layer between two AgNW-PU composite electrodes.The resulting variable capacitors can detect pressure and deformation in a wide range of stretching and pressure conditions.
The preparation of the elastomeric transparent electro-des started with the formation of a conductive AgNW coat-ing on glass.19AgNWs with an average diameter of 60nm and an average length of 10l m were employed.Its disper-sion obtained from Seashell Technologies was diluted with methanol to a concentration of 2mg/ml,drop-cast on a pre-cleaned glass substrate,dried and annealed on a hotplate for 30min at 190 C to form a conductive AgNW coating.AgNWs in the network are uniformly distributed and ran-domly oriented over the entire coating area as shown in Figure 1(a).For the fabrication of capacitive sensor arrays,patterned AgNW coatings were deposited by spray-coating through a contact mask.The patterned AgNW coatings were annealed under the same condition as the un-patterned AgNW coatings.
Urethane liquid rubber compounds (Clear Flex V R
95,Smooth-On USA LLC)were mixed,degassed,and then drop-cast over the AgNW coatings on glass substrate.A second
a)
Electronic mail:qpei@https://www.docsj.com/doc/231230825.html,.
0003-6951/2013/102(8)/083303/5/$30.00V
C 2013American Institute of Physics 102,083303-1APPLIE
D PHYSICS LETTERS 102,083303
(2013)
sheet of glass was pressed onto the liquid coating.An adhe-sive tape with 340l m thickness was used as the spacer between the two sheets of glass to control the thickness of the sandwiched liquid layer.The urethane compounds were then cured at room temperature for 24h.The resulting AgNW-PU composite sheet was peeled off and cut into various sample sizes.The PU monomer deposited on the AgNW coating can in?ltrate the pores in the network,but should not disrupt the conductive network.After curing,the resulting composite is a transparent sheet with a thickness of 340l m.The thin AgNW network is embedded in the surface of the PU sheet and imparts the surface with high conductivity.Figure 1(b)shows the SEM image of the conductive surface of the composite electrodes with a sheet resistance of 16X /sq.The AgNW net-work is clearly seen to be buried in the surface of the compo-sites and no voids are left on the composite surface,which implies a complete transfer of the nanowires from the original glass substrate.19The PU liquid monomer and polymer both contain -N(H)-groups,which bond to the nanowire surfaces.20The strong bonding between the PU matrix and the AgNW network plays an important role in the transfer of the nano-wires,and prevents the formation of voids between the nano-wires and the matrix.
Figure 1(c)shows the transmittance spectra and photo-graph of AgNW-PU composite electrodes with various sheet resistances.The transmittance,inclusive of the PU substrate,approaches 82.7%at 550nm wavelength when the sheet resistance is 44.7X /sq,79.2%at 24.2X /sq,and 74.6%at 8.0X /sq.These sheet resistance values are almost the same as the original AgNW coatings on glass,which further proves the complete transfer of AgNWs.The values are 1–2orders of magnitude lower than typical SWNT percolation networks,thanks to the ability of silver to fuse at the nanowire intersec-tions.In the composite,the AgNWs on the surface form a con-ductive pathway and interconnect with the embedded AgNWs.In repeated Scotch tape test,the surface resistance remained unchanged,indicative of no nanowires being removed from the composite.
The PU employed exhibits rubbery elasticity,and the composite retains this property.The composite sheets could be stretched reversibly up to 170%strain,and the stretched sheets relaxed back fairly rapidly to the original shape when the external load was removed.Changes of the surface resist-ance of the AgNW-PU composites under various tensile strains were measured at room temperature.The normalized resistance (R norm ),de?ned as the ratio of the instantaneous resistance at a speci?c tensile strain to the initial resistance at zero strain,is shown in Figure 2(a).The elongation was accompanied by an increase in the surface resistance R.At relatively small strains,the normalized resistance increases somewhat linearly with strain for samples with various initial sheet resistances.As strain is further increased,the R norm rises superlinearly.At 60%strain,the resistance has increased to roughly 5.4,8.0,11.9,14.3,and 20.1times the initial resistance for the ?lms with initial sheet resistance values of 8.0,16.1,24.2,32.0,and 44.7X /sq,respectively.
For conductive materials,whose bulk conductivities do not change with stretching,the R norm increases with strain due to geometrical changes during a uniaxial stretching fol-lowing the equation:21
R norm ?e1tstrain T2:
(1)
As Figure 2(a)inset shows,R norm of the electrode with 8.0X /sq initial sheet resistance follows this equation fairly well until about 20%strain.This observation indicates that during small-strain stretching,the loss of nanowire interconnections is insig-ni?https://www.docsj.com/doc/231230825.html,posite sheets with higher sheet resistance tend to exhibit lower stretchability.The relative motion or sliding dur-ing stretching could induce more signi?cant loss of
nanowire
FIG.1.(a)SEM image of a AgNW coating on a glass substrate.(b)SEM image of the conductive surface of AgNW-PU composite electrode with the sheet resistance of 16X /sq.(c)Transmittance spectra of AgNW-PU com-posite electrodes with sheet resistance speci?ed.Inset:photographs of the composites with speci?ed sheet
resistance.
FIG.2.(a)Normalized resistance of the composite electrodes as a function of tensile strain with speci?ed initial sheet resistances.(b)Normalized resistance of the composite electrodes with the initial sheet resistances of 8X /sq during one stretching/releasing cycle at different stretching speeds.
interconnections for the thinner AgNW networks,which thus causes larger increase of macroscopic resistance.
Figure2(b)shows resistance changes during a full cycle of strain from0%!60%!0%at various strain rates.It can be seen that the sheet resistance of the composite electro-des increases with stretching speed.The resistance shows
20.0times increase at the60%peak strain when stretched at
a speed of1mm/s.At0.01mm/s,the resistance increase at the same peak strain is5.4times.It is unclear what causes such a strain rate effect.However,the resistance change is fully reversible:it recovers the initial value after being relaxed to0%strain.
In practical applications,strain can be encountered at var-ious rates,and electronics should operate under all strain or stress conditions.The stability of the composite electrodes at different strain rates was thus performed.The transient R norm during cyclic stretching at different strain rates are shown in Figure S1.22The peaks of the pro?les are the resistance at the strain peak(20%,40%,60%,or80%).Apparently,high stretching speed leads to high transient resistance,however, resistance change is quite reversible.The low resistance at the 0%strain state is retained even after200stretching cycles.
Transparent variable capacitive sensors were fabricated by laminating two AgNW-PU composite electrodes,with the conducting surface facing inward,to sandwich a clear acrylic elastomeric dielectric spacer(3M TM VHB TM Tape4905or 3M TM Scotch924ATG Tape).Electrical contacts were made using a conductive copper tape onto each of the pat-terned AgNW lines.Capacitances were measured at1kHz frequency with a1V ac signal.
The resulting capacitor is elastomeric and useful for strain and pressure sensing.The strain was applied as a uni-axial elongation using a stretching setup with precise length control.The(transverse)pressure was applied by a vertical load on the surface of the device.For cyclic stretching/ releasing tests,the composite strips were mounted onto a pair of tensile grips in a dynamic mechanical analyzer.The variable capacitor sensor samples had a15?8mm2overlap-ping area between the opposite electrodes,and the dielectric spacer was0.25mm thick.The capacitance of a parallel plate capacitor is given by
C?
e0e r A
d
;(2)
where e o is the permittivity of free space,e r is the permittivity of the dielectric,A is the overlapping electrode area,and d is the thickness of the spacer.The calculated capacitance of the samples at0%strain is25.84pF.Longitudinal stretching and transverse stress applied both cause an increase in capacitor area and reduction of the dielectric spacer,which in turn increase the capacitance.When the capacitor is stretched,it shrinks in width and thickness due to Poisson’s effect.With the assumption that the elastomers in capacitor are isotropic, its capacitance varies with the strain according to10
D C?a?e l?C0;(3) where e l is the longitudinal strain and a is the capacitive gauge factor.The gauge factor has a theoretical value of1 for a pure Poisson deformation,but is generally less than1 in experimental measurements.13,23
As shown in Figures3(a)and3(b),the changes in capaci-tance exhibit a linear response to strains up to60%and pres-sure to1MPa.The capacitive gauge factor is0.5over the range of0%to60%strain for the stretchable devices.Varying the stretching speed has no discernible effect on the change of capacitance.The smallest change in capacitance that can be distinguished from instrument noise is$20kPa,which corre-sponds to human?ngertip texture and shape sensing.5 In order to study the stability of the devices,a capacitor was stretched to60%strain or pressed at1MPa and then released,and the process was repeated for10cycles.Figure 3(c)shows the transient capacitance change during the cyclic test.In each stretching cycle,the capacitance increases to
1.3 FIG. 3.(a)Change of capacitance D C=C0versus strain.(b)Change of ca-pacitance D C=C0versus pressure.(c) Change in capacitance versus time over 10stretching/releasing cycles with60% stretching strain.(d)Change in capaci-tance versus time over10pressing/releas-ing cycles with1MPa pressure.
times its original value and reverses back to the initial num-ber after released to0%strain.Figure3(d)shows a similar plot during cyclic testing under1MPa transverse pressure. The capacitance increase is51%of its original value.The re-versibility during both stretching and compressing tests is high in these cycles.For a typical measurement,a sample had a measured capacitance of25.84pF when unstretched, which increased to33.94pF when stretched to60%,and returned to25.85pF when released to0%strain.
Capacitive sensor arrays were also fabricated to emu-late the spatial resolution of natural skin.A highly porous dielectric?lm(3M Scotch924ATG Tape)was used as the dielectric spacer in the variable capacitor arrays to increase sensitivity toward small pressures.The fabrica-tion process is illustrated in Figure4(a).The AgNW-PU composite electrodes were patterned into parallel conduc-tive stripes with1.5mm width and spaced by1mm.Two of such patterned electrodes in perpendicular orientation were used to laminate the porous dielectric?lm.Figures 4(b)and4(c)show photographs of an as-prepared capaci-tor array,which exhibits high optical transparency and mechanical?exibility.The transmittance of the sheet at 550nm is78%in areas without AgNWs and72%in areas where the perpendicular AgNW lines overlap each other.
Figure4(d)shows SEM image of a surface area with the upper half comprising patterned AgNWs.The AgNW pat-terns have a well-de?ned edge,which is important for the ca-pacitor pixels to have the same base capacitance before any external load is applied.The measured capacitances of pixels varied in the narrow range of9.8to11.5pF,with a mean av-erage of10.60pF.
Figure4(e)shows a characteristic response of capaci-tance of a sensor pixel to transverse pressures up to100KPa. The curve is linear with a standard deviation R2of0.995. Therefore,this sensor can meet the application requirement in tactile robotics.5The inset of Figure4(e)shows that the lowest detectable pressure is about1kPa,which corresponds to?ngerprint sensing.The crosstalk between adjacent pixels for this10?10pixel pressure sensor was investigated by applying a pressure of30KPa to one pixel,and measuring the capacitance change of this as well as its neighboring pix-els.As shown in Figure4(f),the change of capacitance of the addressed pixel is at least eight times higher than the neighboring pixels.Overall,the?exible transparent capaci-tive sensors have suf?cient spatial resolution for robotic sen-sory skins and touchpanels,and can detect in the pressure range of1kPa to100KPa to sense gentle touch,?nger press, and?rm hand grip.
The capacitance change described above is caused by geometrical changes of the variable capacitors.In cases where a?nger or object touches on the top surface of the sensor which does not cause any geometrical deformation, the capacitance could still change if the fringing electric?eld above the sensor is disturbed.For instance,when the contact material is an earthed conducting medium such as?nger or pencil,the capacitance would decrease because the charges are(partially)grounded.This leads to the change of the fringing capacitance directly above the capacitor.11We investigated the change of capacitance of each pixel as a function of the applied uniaxial stretching with or without a delicate?nger touch that did not cause any additional trans-verse deformation.As shown in Figure5(a),the sensor with an initial capacitance of10.76pF exhibits a linear
response FIG.4.(a)The schematic illustration of the fabrication of a transparent capacitive array comprising an acrylic elastomer layer as the dielectric spacer between two transparent AgNW-PU composite elec-trodes.(b)Photograph of a pressure sen-sor array(10?10pixels),each pixel being a square area of1.5?1.5mm2and separated by1mm from each other.(c) Photograph of the sensor array bent at 180 .(d)SEM image of a surface area half of which comprises patterned AgNW-PU electrode.(e)Change of ca-pacitance D C=C0of one pixel with trans-versely applied pressure.(f)Mapping of the measured capacitance changes of pixels in the area where a pressure of 30KPa was applied on the central pixel.
to strains up to 60%with a sensitivity (capacitance change divided by applied strain in %)of $0.05pF/%.The gauge factor is 0.5,which is in consistency with the results described above.When the user delicately touches the sur-face of the capacitive arrays,the capacitance dropped to 10.02pF.However,the sensor retains the response linearity with strain and the same gauge factor when it is simultane-ously stretched and touched.
In alternative experiments,transverse pressures were applied on the surface of sensor,while it was stretched to various strains.The change of capacitance as a function of the transverse pressure remains linear at various horizontal,independently applied strains,while the sensitivity increases with the horizontal strain as shown in Figure 5(b).The pres-sure sensitivity increased from 0.8pF/100kPa at 0%strain (no horizontal stretching applied)to 1.2pF/100kPa at 60%strain.
In conclusion,capacitive sensor sheets have been fabri-cated by employing highly compliant polymer composite elec-trodes and dielectric spacer.The sheets have a relatively simple,solid-state sandwich structure,exhibit good stretch-ability and transparency.The sheets can be stretched up to 60%strain and the corresponding capacitance change can be employed to detect the in-plane deformation.They can also detect transversely applied pressure in the range of 1–100KPa,which covers gentle ?nger touch,?nger press,and ?rm hand gripping.The capacitive sensors can be operated reliably when they are pressed,bent,or stretched.The sheets can also be used for touch sensing which does not cause any physical de-formation,but disturbs the fringing electric ?eld above the sen-sor.These multifunctionalities of stretch,pressure,and touch sensitivities,as well as the high mechanical compliancy of the sheets should ?nd potential applications in prosthetic limbs,robotics,pressure-sensitive bandages,or touch screens for wearable electronics.
The work reported here was supported by the Air Force Of?ce of Scienti?c Research (FA9550-12-1-0074)and National Science Foundation (ECCS-1028412).Weili Hu thanks the “China Scholarship Council Postgraduate
Scholarship Program.”SEM was taken at the Scanning Probe Microscopy facility at the Nano and Pico Characterization Laboratory,California NanoSystems Institute,UCLA.
1
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See supplementary material at https://www.docsj.com/doc/231230825.html,/10.1063/1.4794143for the supplementary result of the stability of the composite electrodes at differ-ent strain rates.23
Q.Cao and J.A.Rogers,Adv.Mater.21,29
(2009).
FIG.5.(a)Change in capacitance combined with ?gure touch versus uniaxial stretching strain.Inset illustrates how the two external operations are applied independ-ently.(b)Change in capacitance versus independently applied transverse pressure and uniaxial elongation.Inset illustrates how the transverse pressure and uniax-ial stretching are applied independently.
碳纳米管纳米材料的应用要点
碳纳米管及其复合材料在储能电池中的应用 摘要碳纳米管具有良好的机械性能和导电性、高化学稳定性、大表面积以及独特的一维结构，选择合适的方法制备出碳纳米管复合材料，可以使其各种物理化学性能得到增强, 因而在很多领域有着极大的应用前景，尤其是在储能电池中的应用。本文分析了碳纳米管及其复合材料的特点，总结了碳纳米管的储锂机理，对其发展趋势作了展望。 关键词碳纳米管复合材料储能电池应用 Abstract carbon nanotubes（CNTs） are nanometer-sized carbon materials with the characteristics of unique one-dimensional geometric structure，large surface area，high electrical conductivity，elevated mechanical strength and strong chemical inertness. Selecting appropriate methods to prepare carbon nanotube composites can enhance physical and chemical properties , and these composites have a great future in many areas，especially in energy storage batteries . In this paper, based on the analysis and comparison of the advantages and disadvantages of carbon nanotube composites，the enhancement mechanisms of the CNTs catalysts are introduced. Afterward，the lithium ion storage properties are summarized according to the preparation methods of composite materials. Finally, the prospects and challenge for these composite materials are also discussed. Keywords carbon nanotube; composite; energy storage batteries; application 1 引言 碳纳米管(CNTs)在2004 年被人们发现，是一种具有特殊结构的一维量子材料, 它的径向尺寸可达到纳米级, 轴向尺寸为微米级, 管的两端一般都封口, 因此它有很大的强度, 同时巨大的长径比有望使其制作成韧性极好的碳纤维。碳纳米管由于其独特的一维纳米形貌被作为锂离子电池负极材料广泛研究，通过对碳纳米管进行剪切，官能化及掺杂等方法进行改性处理，能有效的减少碳纳米管的首次不可逆容量，增加可逆的储锂比容量。此外，碳纳米管的中空结构也成为抑制高容量金属及金属氧化物体积膨胀理想复合基体。本文中，我们研究了碳纳米管的储锂性能，考察了碳纳米管作为锡类复合材料基体，其内部限域空间对高容量金属及金属氧化物的储锂性能促进的具体原因。该研究结果为碳纳米管以及其他具有限域空间的结构在锂离子电池中的应用提供了参考。 2 碳纳米管的储锂机理和应用 相比广泛应用的石墨类材料，碳纳米管在锂离子电池负极材料中有其独特的应用优势。首先，碳纳米管的尺寸在纳米级，管内及间隙空间也都处于纳米尺寸级，因而具有纳米材料的小尺寸效应，能有效的增加锂离子在化学电源中的反应活性空间；其次，碳纳米管的比表面积较大，能增加锂离子的反应活性位，并且随着
材料导论碳纳米管综述
姓名：欧阳一鸣学号：2013012532 班级：高材 1313
潜在的碳纳米管场效应晶体管的模拟电路 介绍 在集成电路晶体管的指数增长摩尔定律所描述的内容持续了近一个半世纪 里。然而,2010年的国际半导体技术发展路线图预测增长将减缓到2013年底。 这主要是因为互补金属氧化物半导体（CMOS的比例正迅速接近其物理限制带来了许多障碍，如更高的亚阈值传导，栅氧化层和结泄漏增加，低输出电阻和跨导，增加热量生产。这使得半导体行业探索不同的材料和设备更加超越摩尔定律（如通过创造ITRS）。在这些材料和器件研究，碳纳米管场效应晶体管（CNFET） 已经获得了，因为它们规模小，流动性高，近弹道输运，大电流密度和较低的固有电容。自推出CNFETs该研究已主要重点对他们的数字电路使用。甚至中等规模薄流明碳纳米管（CNT的集成电路已报告了灵活塑料基板。然而，开/关比（也称为噪声余量）通常很小对于目前制造CNFETs因为存在金属碳纳米管［， 因此需要更多的调查，他们用于数字电路。与此相反，CNFETs具有更多潜在用 于高性能模拟电路，其中所述晶体管不需要充分关闭。此外，特性perform-ANCE 度量类似物或RF晶体管是更适合材料和碳纳米管的设备性能和制造tol-era nces ，也可以更轻松得的。 CNFETS础知识 场效应管的结构和MOSFE样的CNFETs 在传统的MOSFET源区和漏区是由两个重掺杂区中的硅衬底形成，并且栅极由多晶硅材料，其是绝缘的形成从基板由薄的二氧化硅层。如果电压被施加到 栅极端，下方的连续信道栅极形成用于电流流动的源极和漏极之间。 另一方面为CNFETs栅极，源极和漏极接触由像铬或钨金属与 4.5电子伏特的功函数。H是金属接触的高度，L是长度。值得一提的是，出两种类型CNFETs 即肖特基势垒和MOSFE等的，选择后者，因为它具有较高的离子/IOFF比率，过渡频率f 低的，更低的寄生电容，更好的AC性能和更高的制造可行性。在MOSTFE样的CNFE■之间的电流源和漏接触使用碳纳米管。根据贝壳的数量形成管状结构这些碳纳米管可以作为折叠见石墨烯成管状结构，可以单壁和多壁。单壁碳
2018年石墨烯导电剂和碳纳米管导电剂行业分析报告
2018年石墨烯导电剂和碳纳米管导电剂行业分析报告 2018年10月
目录 一、行业监管体制、法律法规及产业政策 (4) 1、行业主管部门和监管体系 (4) 2、行业主要法律法规及政策 (5) 二、行业发展情况 (6) 1、石墨烯 (6) （1）石墨烯创新成果显著 (6) （2）石墨烯下游应用领域广泛 (8) （3）石墨烯在锂电池领域前景良好 (8) （4）国家关于石墨烯行业的规划 (9) 2、碳纳米管 (11) （1）动力电池市场快速发展带动碳纳米管导电剂需求上升 (11) （2）高能力密度发展趋势加速对常规导电剂的替代 (12) 三、行业主要企业情况 (12) 1、常州第六元素材料科技股份有限公司 (12) 2、鸿纳（东莞）新材料科技有限公司 (13) 3、厦门凯纳石墨烯技术股份有限公司 (13) 四、影响行业发展的因素 (13) 1、有利因素 (13) （1）国家产业政策支持 (13) （2）产业联盟推动行业整体发展 (14) （3）技术进步 (15) （4）原材料供应稳定 (15) 2、不利因素 (15)
（1）产业化应用尚不成熟 (15) （2）石墨烯行业标准尚需进一步规范 (16) 五、行业进入壁垒 (16) 1、技术和经验壁垒 (16) 2、客户及市场开发壁垒 (16) 3、资金壁垒 (17) 六、行业技术特点及技术水平 (17) 1、行业经营模式 (17) 2、行业周期性 (18) 3、行业区域性 (18) 4、行业季节性 (18) 七、行业上下游之间的关联性 (19) 1、行业上游 (19) 2、行业下游 (19)
一、行业监管体制、法律法规及产业政策 1、行业主管部门和监管体系 石墨烯行业的行政监管主体以工信部、国家发改委、科技部为主。工信部拟订并组织实施有关于石墨烯行业的规划、产业政策和标准，同时监测石墨烯行业的日常运行。国家发改委研究分析国内外经济形势和发展情况并制定相关战略外，负责推进产业结构战略性调整和升级。科技部主要工作是研究提出石墨烯行业改革的方针、政策和措施，提高石墨烯行业的科技创新能力。 石墨烯行业自律组织包括中国非金属矿工业协会石墨专业委员会、中国炭素行业协会和中国石墨烯产业技术创新战略联盟。 中国非金属矿工业协会石墨专业委员会：成立于1987年，业务范围包括行业管理、信息交流、业务培训、国际合作、咨询服务；分析研究石墨市场发展形势，解决行业存在的问题，进行信息交流，招商引资，向政府反映企业的呼声等，并及时为企业提供信息和服务，促进企业技术进步和结构调整，增强竞争力，提高管理水平。 中国炭素行业协会：由炭素生产、经营企业和科研、设计院所自愿组成的全国性、行业性的社会团体法人。主要任务包括：开展行业调查研究，向政府部门提出行业政策、立法等方面的建议；研究、制定行业发展规划；进行行业统计，发布行业信息；参与制定、修改行业标准；组织行业产品展览及技术交流与合作；开展国际交流与合作；举办行业情况报告会、研讨会等。
碳纳米管的性质性能及其应用前景
碳纳米管的性质性能其应用前景 The Properties and Applications of Carbon Nano-Tubes 张雅坤北京师范大学化学学院201411151935 摘要：从1991年被正式认识并命名至今，碳纳米管凭借其特殊的结构及异常的力学、电学和化学性能获得了材料、物理、电子及化学界的广泛关注。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入，其广阔的应用前景也不断地展现出来。本文主要对碳纳米管目前的性质性能及其应用前景进行了系统详细的介绍【8】。 关键词：碳纳米管、无机化学、性质性能、应用前景 一、综述 1.发展历史与研究进程 在1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛（Lijima）在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子，这就是现在被称作的“Carbon nanotube”，即碳纳米管，又名巴基管。 1993年，S. Lijima等和D. S. Bethune等同时报道了采用电弧法，在石墨电极中添加一定的催化剂，可以得到仅仅具有一层管壁的碳纳米管，即单壁碳纳米管产物。
1997年，A. C. Dillon等报道了单壁碳纳米管的中空管可储存和稳定氢分子，引起广泛的关注。相关的实验研究和理论计算也相继展开。据推测，单壁碳纳米管的储氢量可达10%（质量比）。此外，碳纳米管还可以用来储存甲烷等其他气体。但该猜测在后来被证实是错误的，碳纳米管无法用于储氢的主要问题有两个：一是假如作为容器进行储氢，则无法对其进行可控的封闭和开启；二是假如用于氢气吸附，则其吸附率不超过1%（质量分数）。 能否控制单壁碳纳米管的生长是近二十余年来一直困扰着碳纳米管研究领域科学家们的难题，能否找到控制方法也成为碳纳米管应用的瓶颈。2014年，这道世界性难题被北京大学李彦教授研究团队攻克，该团队在全球首次提出单壁碳纳米管生长规律的控制方法，研究成果已于2014年6月26日发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上，这是碳纳米管研究方面的又一大突破。 2.碳纳米管的制备方法 常用的碳纳米管制备方法主要有：电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法（碳氢气体热解法）、固相热解法、辉光放电法、气体燃烧法以及聚合反应合成法等。 2.1电弧放电法 电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法。1991年日本物理学家饭岛澄男就是从电弧放电法生产的碳纤维中首次发现碳纳米管的。电弧放电法的具体过程是：将石墨电极臵于充满氦气或氩气的反应容器中，在两极之间激发出电弧，此时温度可以达到4000度左右。在这种条件下，石墨会蒸发，生成的产物有富勒烯（C60）、无定型碳和单壁或多壁的碳纳米管。通过控制催化剂和容器中的氢气含量，可以
碳纳米材料综述
碳纳米材料综述 课程: 纳米材料 日期：2015 年1２月
碳纳米材料综述 摘要:纳米材料是一种处于纳米量级的新一代材料，具有多种奇异的特性，展现特异的光、电、磁、热、力学、机械等物理化学性能,这使得纳米技术迅速地渗透到各个研究领域,引起了国内外众多的物理学家、化学家和材料学家的广泛关注,也成为当前世界最热门的科学研究热点。物理学家对纳米材料感兴趣是因为它具有独特的电磁性质，化学家是因为它的化学活性以及潜在的应用价值，材料学家所感兴趣的是它的硬度、强度和弹性。毫无疑问,基于纳米材料的纳米科技必将对当今世界的经济发展和社会进步产生重要的影响。因此,对纳米材料的科学研究具有非常重要的意义。其中,碳纳米材料是最热的科学研究材料之一。 我们知道,碳元素是自然界中存在的最重要的元素之一，具有ｓp、sp2、sp3等多种轨道杂化特性。因此,以碳为基础的纳米材料是多种多样的，包括常见的石墨和金刚石，还包括近几年比较热门的碳纳米管、碳纳米线、富勒烯和石墨烯等新型碳纳米材料。 关键词:纳米材料碳纳米材料碳纳米管富勒烯石墨烯 １.前言 从人类认识世界的精度来看，人类的文明发展进程可以划分为模糊时代（工业革命之前)、毫米时代(工业革命到２0世纪初）、微米和纳米时代（20世纪40年代开始至今)。自20世纪80年代初，德国科学家Ｇｌeｉter提出“纳米晶体材料’，的概念，随后采用人工制备首次获得纳米晶体,并对其各种物性进行系统的研究以来,纳米材料己引起世界各国科技界及产业界的广泛关注。纳米材料是指特征尺寸在纳米数量级(通常指1—１00 nm)的极细颗粒组成的固体材料。从广义上讲,纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。通常分为零维材料(纳米微粒),一维材料(直径为纳米量级的纤维),二维材料(厚度为纳米量级的薄膜与多层膜)，以及基于上述低维材料所构成的固体。从狭义上讲，则主要包括纳米微粒及由它构成的纳米固体(体材料与微粒膜)。纳米材料的研究是人类认识客观世界的新层次，是交叉学科跨世纪的战略科技领域[1］。 碳纳米材料主要包括富勒烯、碳纳米管和石墨烯等,是纳米科学技术中不可或缺的材料,从１98５年富勒烯(Fullereｎe）的出现到1991年碳纳米管(ｃaｒｂon ｎanotubｅ,CNＴs)的发现，碳纳米材料所具有的独特物理和化学性质引起了国内外研究人员广泛而深入的研究，二十年来取得了很多的成果。２004 年Ｇeｉm研究组的报道使得石墨烯（Ｇｒaｐhene)成为碳纳米材料新一轮的研究热点，其出现充实了碳纳米材料家族,石墨烯具有由碳原子组成的单层蜂巢状二维结构,由于它只有一个原子的厚度，可以将其视为形成其它各种维度的石墨相关结构碳材料的基本建筑块,石墨烯既可翘曲形成零维的富勒烯及卷曲形成一维的碳纳米管，亦可面对面堆积形成石墨,由于石墨烯具有优异的电学、导热和机械性能及较大的比表面积，因而在储氢材料、超级电容器、高效催化剂及纳米生物传感等方面有着广泛的应用[２]。 2．常见的碳纳米材料
碳纤维综述
PAN 基碳纤维 摘要: 聚丙烯晴基碳纤维是一种力学性能优异的新材料，具有高强度、高模量、低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、导电、导热、膨胀系数小、减震等优异性能，是航空航天、国防军事工业不可缺少的工程材料，同时在体育用品、交通运输、医疗器械和土木建筑等民用领域也有着广泛应用。本文简要介绍了其结构，制备方法，性能，应用领域及其前景。 关键词：PAN 基碳纤维 碳纤维结构 PAN 基碳纤维制备 PAN 基碳纤维性能 PAN 基碳纤维应用前景 航天 军事 体育用品 1. 碳纤维结构 碳纤维属于聚合的碳，它是由有机物经固相反应转化为三维碳化合物，碳化历程不同，形成的产物结构也不同。 碳纤维和石墨纤维在强度和弹性模量上有很大差别，这主要是由于其结构不同，碳纤维是由小的乱层石墨晶体所组成的多晶体，含碳量约75%~95%；石墨纤维的结构与石墨相似，含碳量可达98%~99%，杂志少。碳纤维的含碳量与制造纤维过程中碳化和石墨化过程有关。 2. PAN 基碳纤维的制备 从原料丙烯晴到聚丙烯晴基碳纤维的制备过程中可以看出四个关键步骤：PAN 的聚合， 原丝的制备，原丝的预氧化以及预氧化丝的炭化和石墨化。 2.1 PAN 的聚合 由于PAN 分子结构的特性，纯聚体PAN 不适宜作为碳纤维前驱体。工业生产中，往往采用共聚PAN 来制备PAN 原丝。引入共聚单体可以起到如下作用：减少聚合物原液中凝胶的产生；增加聚合物的溶解性和可纺性；降低原丝环化温度及变宽放热峰。但也可能带来一些负作用：降低原丝的结构规整性和结晶度；增加大分子链结构的不均匀性；引入更多的无机和有机杂质等。 2.2 原丝的制备 PAN 在熔点（317°C ）以下就开始分解，因此形成纤维主要通过湿法或干湿法进行纺丝。 干湿法纺丝由于将挤出膨化与表皮凝固进行了隔离，纤维的成形机理有所改变，因此湿法纺丝凝固过程中皮层破裂或径向大孔及表皮褶皱等现象基本消失，干湿法纺丝的原丝表面及内单体引发剂 聚合 纺丝 原丝 预氧化 预氧丝 炭化 石墨化 表面处理 上浆 碳纤维 石墨纤维
碳纳米管综述
碳纳米管综述 摘要：本文主要介绍碳纳米管的发现及发展过程，并说明碳纳米管的制备方法及其制备技术。同时也叙述碳纳米管的各种性能与应用。 引言：在1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子，这就是现在被称作的“Carbon nanotube”，即碳纳米管,又名巴基管。 正文： 碳纳米管的制备： 碳纳米管的合成技术主要有：电弧法、激光烧蚀(蒸发)法、催化裂解或催化化学气相沉积法(CCVD，以及在各种合成技术基础上产生的定向控制生长法等。电弧法 利用石墨电极放电获得碳纳米管是各种合成技术中研究得最早的一种。研究者在优化电弧放电法制取碳纳米管方面做了大量的工作。 T. W. Ebbeseo[2]在He保护介质中石墨电弧放电，首次使碳纳米管的合成达到了克量级。为减少相互缠绕的碳纳米管在阴极上的烧结，D.T.Collbert[3]将石墨阴极与水冷铜阴极座连接，大大减少了碳纳米管缺陷。C. Journet[4]等在阳极中填人石墨粉末和铱的混合物，实现了SWNTs的大量制备。研究发现，铁组金属、一些稀土金属和铂族元素或以单个金属或以二金属混合物均能催化SWNTs 合成。 近年来，人们除通过调节电流、电压，改变气压及流速，改变电极组成，改进电极进给方式等优化电弧放电工艺外，还通过改变打弧介质，简化电弧装置。 综上所述，电弧法在制备碳纳米管的过程中通过改变电弧放电条件、催化剂、电极尺寸、进料方式、极间距离以及原料种类等手段而日渐成熟。电弧法得到的碳纳米管形直，壁簿(多壁甚至单壁).但产率偏低，电弧放电过程难以控制，制备成本偏高其工业化规模生产还需探索。 催化裂解法或催化化学气相沉积法(CCVD) 催化裂解法是目前应用较为广泛的一种制备碳纳米管的方法。该方法主要采用过渡金属作催化剂，适于碳纳米管的大规模制备，产物中的碳纳米管含量较高，但碳纳米管的缺陷较多。 催化裂解法制备碳纳米管所需的设备和工艺都比较简单，关键是催化剂的制备和分散。目前用催化裂解法制备碳纳米管的研究主要集中在以下两个方面：大规模制备无序的、非定向的碳纳米管;制备离散分布、定向排列的碳纳米管列阵。一般选用Fe, Co、Ni及其合金作催化剂，粘土、二氧化硅、硅藻土、氧化铝及氧化镁等作载体，乙炔、丙烯及甲烷等作碳源，氢气、氮气、氦气、氩气或氨气作稀释气，在530℃~1130℃范围内，碳氢化合物裂解产生的自由碳离子在催化剂作用下可生成单壁或多壁碳纳米管。1993年Yacaman等人[5]采用此方法，用Fe催化裂解乙炔，在770℃下合成了多壁碳纳米管，后来分别采用乙烯、聚乙烯、丙烯和甲烷等作为碳源，也都取得了成功。为使碳离子均匀分布，科研人员还用等离子加强或微波催化裂解气相沉积法制备碳纳米管。 激光蒸发法
碳纳米管的现状和前景
碳纳米管的现状和前景 信息技术更新日新月异，正如摩尔定律所言，集成电路的集成度每隔18 个月翻一番，即同样的成本下，集成电路的功能翻一倍。这些进步基于晶体管的发展，晶体管的缩小提高了集成电路的性能。 在硅基微电子学发展的过程中,器件的特征尺寸随着集成度的越来越高而日益减小,现在硅器件已经进入深微亚米阶段，也马上触及到硅器件发展的瓶颈，器件将不再遵从传统的运行规律,具有显著的量子效应和统计涨落特性. 为了解决这些问题,人们进行了不懈地努力,寻找新的材料和方法，来提高微电子器件的性能。研究基于碳纳米管的纳电子器件就是其中很有前途的一种方法。 碳纳米管简介 一直以来都认为碳只有两种形态——金刚石和石墨。直至1985年发现了以碳60为代表的富勒烯、从而改变了人类对碳形态的认识。1991年，日本筑波NEC研究室内科学家首次在电子显微镜里观察到有奇特的、由纯碳组成的纳米量级的线状物。此类纤细的分子就是碳纳米管 碳纳米管有许多优异的性能，如超高的反弹性、抗张强度和热稳定性等。被认为将在微型机器人、抗撞击汽车车身和抗震建筑等方面有着极好的应用前景。但是碳纳米管的第一个获得应用的领域是电子学领域、近年来，它已成为微电子技术领域的研究重要方面。 研究工作表明，在数十纳米上下的导线和功能器件可以用碳纳米管来制造，并连接成电子电路。其工作速度将过高于已有的产品而功率损耗却极低! 不少研究组已经成功地用碳纳米管制成了电子器件。例如IBM 的科学家们就用单根半导体碳纳米管和它两端的金属电极做成了场效应管（FETs）。通过是否往第三电极施加电压，可以成为开关，此器件在室温下的工作特性和硅器件非常相似，而导电性却高出许多，消耗功率也小。按理论推算，纳米级的开关的时钟频率可以达到1太赫以上，比现有的处理器要快1000倍。 碳纳米管的分类 石墨烯的碳原子片层一般可以从一层到上百层，根据碳纳米管管壁中碳原子层的数目被分为单壁和多壁碳纳米管。 单壁碳纳米管（SWNT）由单层石墨卷成柱状无缝管而形成是结构完美的单分子材料。SWNT 的直径一般为1－6 nm，最小直径大约为0.5 nm，与C36 分子的直径相当,但SWNT 的直径大于6nm 以后特别不稳定，会发生SWNT 管的塌陷，长度则可达几百纳米到几个微米。因为SWNT 的最小直径与富勒烯分子类似，故也有人称其为巴基管或富勒管。 多壁碳纳米管MWNT可看作由多个不同直径的单壁碳纳米管同轴套构而成。其层数从2～50 不等，层间距为0.34±0.01nm，与石墨层间距(0.34nm)相当。多壁管的典型直径和长度分别为2～30nm 和0.1～50μm。多壁管在开始形成的时候，层与层之间很容易成为陷阱中心而捕获各种缺陷，因而多壁管的管壁上通常
碳纳米管(CNTs)及其制备技术综述
碳纳米管（CNTs）及其制备技术 1.概述 1991年，Iijima在石墨电弧放电产物中发现了碳纳米管（CNTs），从此碳纳米管成为碳家族的一个新成员。CNTs是纳米科学的一颗耀眼明珠，其独特的结构、优良的物理和化学性能、巨大的应用前景吸引了大批的物理学家、化学家和材料学家的兴趣，成为科学领域的研究热点。尤其是单壁碳纳米管的发现和研究被科学界权威杂志《Science》评为1997年世界十大科技成果之一。 2.碳纳米管的结构和性能 2.1碳纳米管的结构 碳纳米管是由多个碳原子六方点阵的同轴圆柱面套构而成的空心小管，相临的同轴圆柱面之间的距离与石墨的层间距相当，约为0.34nm，管壁由六边形排列的碳原子组成，每个碳与周围的三个碳原子相邻，碳/碳间通过sp2杂化键结合。管的直径为零点几纳米到几十纳米，管的长度为微米级。管的直径和长度随不同的制备方法及条件的变化而不同。管的端部由五边形排列的碳原子封顶。碳纳米管绝大多数两端是封闭的，并且这种封闭与碳纳米管圆管平滑连接，较小直径的碳纳米管的封闭形式一般呈半圆状，这对应于半个富勒烯（Fullerence）笼。 依据组成碳纳米管的石墨片层数的不同，碳纳米管可分为单壁碳纳米管即含一层石墨片的碳纳米管以及由一层以上石墨片组成的多壁碳纳米管。碳纳米管结构示意图如图1所示。 图1 碳纳米管结构示意图（a）四层碳纳米管结构（b）单层碳纳米管结构 2.2碳纳米管的性能 碳纳米管具有独特的电子结构和物理化学性质，可以在许多方面得到广泛的应用。碳纳米管的直径-长度比很大，一般情况下，长度都是直径的几千倍，远远大于普通的纤维材料；它的强度比钢高约100倍，而重量仅仅为钢材料的六分之一，有可能成为一种新型的高强度碳纤维材料。这种“超级碳纤维”材料既具有碳素材料的固有本性，又具有金属材料的导电性、导热性，陶瓷材料的耐热和耐腐蚀性，纺织纤维的可编织性以及高分子材料的轻质、易于加工性，因而具有极大的应用潜力。 由于碳纳米管具有纳米尺度的尖端曲率半径，在相对比较低的电压下就能够发射大量的电子，因此，碳纳米管材料能够呈现出良好的场致发射特性，非常适
2019年碳纳米管行业分析报告
2019年碳纳米管行业 分析报告 2019年9月
目录 一、技术替代效应显著，碳纳米管市场进入爆发期 (4) 1、导电剂是碳纳米管材料最常见应用场景 (4) 2、正极材料导电剂更新换代，碳纳米管迎来爆发期 (6) 3、导电剂市场受到新能源汽车产业链强势驱动，增量可观 (11) 4、导电性拓展新的应用场景 (14) （1）硅碳负极 (14) （2）导电塑料 (16) 二、高技术壁垒保证行业高毛利 (18) 1、生产技术难度大，行业毛利率高 (18) 2、产学结合，高研发投入形成高技术壁垒 (21) 三、绑定核心优质客户是快速拓展市场关键 (25) 1、行业扩产较为保守，预计供需偏紧 (25) 2、降价趋势清晰，但幅度受供需限制 (26) 3、客户集中度高，拓展客户是关键 (28) 四、相关企业简况 (32) 1、天奈科技 (32) 2、道式技术 (33)
技术替代效应显著，碳纳米管市场进入爆发期。目前碳纳米管最广的应用范围是作为导电剂加入到锂电池材料中。产业界综合产品性能、经济性等因素逐步选择用碳纳米管代替炭黑，碳纳米管在导电剂中18年占比32%，较14年提升18%，随着技术成熟预计替代效应将会持续且更为显著。增量角度看，受到新能源汽车产业链强势驱动，导电剂市场持续爆发。预计在锂电池正极领域，未来5年全球碳纳米管导电浆料需求量将保持40.8%的年复合增长率，2021年需求量达10.82万吨。 碳纳米管应用有望拓展至硅碳负极和导电塑料。新能源汽车行业对电池的能量密度提出更高的要求，硅碳负极被认为是合理的途径。2018年硅碳负极占负极材料比例仅为2.8%，我们测算未来三年硅碳负极用碳纳米管浆料需求量年复合增长率为97.9%，2021年需求量达1.6万吨。 高技术壁垒保证高毛利。碳纳米管导电剂行业毛利率约为40%。左右，盈利性好。其生产途径包括制粉和混浆两步。制粉工艺关键是催化剂，技术难度高，行业主要采用产学结合方式获得专利，并持续研究开发更新换代，形成较高技术壁垒，保证高毛利。混浆工艺较为简单，溶剂NMP 的成本占比达到总工序的60%左右。业绩弹性大，但作为基础工业品其价格波动较小。 绑定核心优质客户是快速拓展市场关键。行业扩产较为保守，预计短期内供需仍然偏紧。但新能源汽车产业链受到补贴退坡市场化影响，碳纳米管的材料价格下行趋势较为清晰。碳纳米管行业目前体量
碳纳米管材料的研究现状及发展展望
碳纳米管材料的研究现状及发展展望 摘要： 碳纳米管因其独特的结构和优异的物理化学性能，具有广阔的应用前景和巨大的商业价值。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；性质；应用与发展 1、碳纳米管的发展历史 1985年发现了巴基球(C60)；柯尔、克罗托和斯莫利在模拟宇宙长链碳分子的生长研 究中，发现了与金刚石、石墨的无限结构不同的，具有封闭球状结构的分子C60。（1996年获得诺贝尔化学奖） 1991年日本电气公司的S. Iijima在制备C60、对电弧放电后的石墨棒进行观察时，发现圆柱状沉积。空的管状物直径0.7-30 nm，被称为Carbon nanotubes (CNTs）； 1992年瑞士洛桑联邦综合工科大学的D.Ugarte等发现了巴基葱(Carbon nanoonion)； 2000年，北大彭练矛研究组用电子束轰击单壁碳纳米管，发现了Ф0.33 nm的碳纳米管,稳定性稍差; 2003年5月，日本信州大学和三井物产下属的公司研制成功Ф 0.4 nm的碳纳米管。 2004年3月下旬, 中国科学院高能物理研究所赵宇亮、陈振玲、柴之芳等研究人员，利用一定能量的中子与C70分子相互作用，首次成功合成、分离、表征了单原子数目富勒烯 分子C141。 2004 ，曼彻斯特大学的科学家发现Graphene(石墨烯)。进一步激发了人们研究碳纳米材料的热潮。 2、碳纳米管的分类 2.1碳纳米管 碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体，一般可分为单壁碳纳 米管、多壁碳纳米管。 2.2纳米碳纤维 纳米碳纤维是由碳组成的长链。其直径约50-200nm，亦即纳米碳纤维的直径介于纳米碳 管（小于100 nm）和气相生长碳纤维之间。 2.3碳球 根据尺寸大小将碳球分为：(1)富勒烯族系Cn和洋葱碳(具有封闭的石墨层结构，直径在2—20nm之间)，如C60，C70等；(2) 纳米碳粉。 2.4石墨烯 石墨烯（graphene）是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，是构建其它维度碳质材料的基本单元。 3、碳纳米管的制备 3．1电弧法
关于碳纳米管的研究进展综述
关于碳纳米管的研究进展 1、前言 1985年9月，Curl、Smally和Kroto发现了一个由个60个碳原子组成的完美对称的足球状分子，称作为富勒烯。这个新分子是碳家族除石墨和金刚石外的新成员,它的发现刷新了人们对这一最熟悉元素的认识,并宣告一种新的化学和全新 的“大碳结构”概念诞生了。之后,人们相继发现并分离出C 70、C 76 、C 78 、C 84 等。 1991年日本的Iijima教授用真空电弧蒸发石墨电极时,首次在高分辨透射电子显微镜下发现了具有纳米尺寸的碳的多层管状物—碳纳米管。年,日本公司的科学家和匆通过改进电弧放电方法,成功的制备了克量级的碳纳米管。1993年，通过在电弧放电中加入过渡金属催化剂,NEC和IBM研究小组同时成功地合成了单壁碳纳米管；同年，Yacaman等以乙炔为碳源，用铁作催化剂首次针对性的由化学气相沉积法成功地合成了多壁碳纳米管。1996年,我国科学家实现了碳纳米管的大面积定向生长。1998年,科研人员利用碳纳米管作电子管阴极同年,科学家使用碳纳米管制作室温工作的场效应晶体管;中国科学院金属研究所成会明研究小组采用催化热解碳氢化合物的方法得到了较高产率的单壁碳纳米管和由多根单壁碳纳米管形成的阵列以及由该阵列形成的数厘米长的条带。1999年,韩国的一个研究小组制成了碳纳米管阴极彩色显示器样管。2000年,日本科学家制成了高亮度的碳纳米管场发射显示器样管。2001年,Schlitter等用热解有纳米图形的前驱体,通过自组装合成了单壁碳纳米管单晶,表明已经可以在微米级制得整体材料的单壁碳纳米管,并为宏量制备指出了方向。 2、碳纳米管的制备方法 获得大批量、管径均匀和高纯度的碳纳米管,是研究其性能及应用的基础。而大批量、低成本的合成工艺是碳纳米管实现工业化应用的保证。因此对碳纳米管制备工艺的研究具有重要的意义。目前,常用的制备碳纳米管的方法包括石墨电弧法、化学气相沉积法和激光蒸发法。一般来说,石墨电弧法和激光蒸发法制备的碳纳米管纯度和晶化程度都较高,但产量较低。化学气相沉积法是实现工业化大批量生产碳纳米管的有效方法,但由于生长温度较低,碳纳米管中通常含有
碳纤维和碳纳米管的一篇综述
Elastomeric transparent capacitive sensors based on an interpenetrating composite of silver nanowires and polyurethane Weili Hu, Xiaofan Niu, Ran Zhao, and Qibing Pei Citation: Appl. Phys. Lett. 102, 083303 (2013); doi: 10.1063/1.4794143 View online: https://www.docsj.com/doc/231230825.html,/10.1063/1.4794143 View Table of Contents: https://www.docsj.com/doc/231230825.html,/resource/1/APPLAB/v102/i8 Published by the American Institute of Physics. Additional information on Appl. Phys. Lett. Journal Homepage: https://www.docsj.com/doc/231230825.html,/ Journal Information: https://www.docsj.com/doc/231230825.html,/about/about_the_journal Top downloads: https://www.docsj.com/doc/231230825.html,/features/most_downloaded Information for Authors: https://www.docsj.com/doc/231230825.html,/authors Downloaded 09 Apr 2013 to 210.34.5.240. This article is copyrighted as indicated in the abstract. Reuse of AIP content is subject to the terms at: https://www.docsj.com/doc/231230825.html,/about/rights_and_permissions
碳纳米管的性能综述
碳纳米管的性能综述 摘要 碳纳米管因为性能多方面并且应用广泛而受到很多研究员的关注，本文将对碳纳米管的几个性能的研究进行综述，包括碳纳米管的碳纳米管/FeS类Fenton催化剂催化性能、纳米连接性能、碳纳米管增强复合材料风机叶片性能、碳纳米管稳定性能分析、碳纳米管机械强度、碳纳米管吸附特性的综述。 关键字：碳纳米管性能催化剂催化性能连接性能稳定性能纤维的性能吸附特性 碳纳米管/FeS类Fenton催化剂催化性能 杨明轩等以浮动催化热分解法制备碳纳米管( CNTs) ，采用氧化-还原-硫化的方法制备了CNTs /FeS催化剂，采用X射线衍射( XＲD) 透射电子显微镜( TEM) 和热重( TG) 分析等技术对催化剂进行了结构表征。将CNTs /FeS作为类Fenton催化剂用于水中环丙沙星的去除，研究了降解过程中H2O2 浓度CNTs /FeS催化剂的投加量环丙沙星浓度及pH等因素对催化降解性能的影响。结果表明，CNTs /FeS类Fenton催化反应在H2O2 浓度为20mmol /L和CNTs /FeS催化剂的投加量为10 mg的条件下具有最优的降解效果，其催化反应过程符合一级动力学方程，且具有更加宽泛的pH适应范围( pH=3 ～8) ，同时，CNTs /FeS类Fenton 催化剂在使用寿命方面也具有一定的优势．结论是采用碳纳米管原始样品制备了CNTs /FeS 类Fenton催化剂，并应用于环丙沙星的催化降解反应中，在pH=3 ～8范围内可保持较高去除率( 可达89%) ; 当H2O2 浓度为20mmol /L时，去除率最高( 可达90%) ; CNTs /FeS催化剂催化降解环丙沙星反应过程符合表观一级动力学方程。CNTs /FeS类Fenton催化反应在固液比1 ∶2的情况下，循环使用4次后仍然保持较高的催化降解效率。 碳纳米管的连接性能 2002年，Derycke等采用恒定的电流施加于Au电极结果表明，在焦耳热作用下，单壁碳纳米管( SWCNTs) 与金电极接触处的氧气等吸附物发生脱附，并获得了较低的接触电阻。 2006年，Chen等提出一种新颖的超声纳米焊接技术该技术使用超高频微幅振动的压头，成功地将CNTs压焊到金属电极上，形成可靠的电接触结果表明，焊接后的结构具有较高的机械强度和较低的接触电阻采用这种超声纳米焊接技术，能极大地改善基于CNTs的场效应晶体管性能。目前的纳米连接技术主要包括局部焦耳热法高温退火法电子束焊接法超声纳米焊接和原子力显微镜操纵法。 2011年，Karita等研究了多壁碳纳米管( MWCNTs) 和金电极间的电接触，并在接触处施加电流结果表明，当电流密度达到108A /cm2时，金表面沿着MWCNTs端开始熔化当电流密度提高2倍时，观察到接触区域的金表面结构发生显著性改变，从而减少了接触阻抗该研究组还针对开口和封口CNTs与金电极的纳米连接进行了研究发现，在与Au电极接触的区域中，采用开口CNTs所获单位面积电导率约为封口CNTs电导率的4倍但同时观测到，采用局部焦耳热法时，所产生的大电流引起连接区域材料过度熔化及表面形貌的改变，进而影响器件的性能。 碳纳米管的稳定性能
碳纳米管的性质与应用
碳纳米管的性质与应用 【摘要】 本文主要介绍了碳纳米管的结构特点，制备方法，特殊性质，由于碳纳米管独特性质而产生的广泛应用，并对其前景进行展望。 【关键词】 碳纳米管场发射复合材料优良性能 【前言】 自日本NEC科学家Lijima发现碳纳米管以来，碳纳米管研究一直是国际新材料领域研究的热点。由于碳纳米管具有特殊的导电性能、力学性质及物理化学性质等，故其在许多领域具有其广阔的应用前景，自问世以来即引起广泛关注。目前，国内外有许多科学家对碳纳米管进行研究，科研成果颇丰，尤其是碳纳米管在复合材料、储氢及催化等领域的应用。 【正文】 一、碳纳米管的结构 碳纳米管中碳原子以sp2杂化为主，同时六角型网格结构存在一定程度的弯曲，形成空间拓扑结构，其中可形成一定的sp3杂化键，即形成的化学键同时具有sp2和sp3混合杂化状态，而这些p 轨道彼此交叠在碳纳米管石墨烯片层外形成高度离域化的大π 键，碳纳米管外表面的大π 键是碳纳米管与一些具有共轭性能的大分子以非共价键复合的化学基础[1]。 对多壁碳纳米管的光电子能谱研究结果表明，不论单壁碳纳米管还是多壁碳纳米管，其表面都结合有一定的官能基团，而且不同制备方法获得的碳纳米管由于制备方法各异，后处理过程不同而具有不同的表面结构。一般来讲，单壁碳纳米管具有较高的化学惰性，其表面要纯净一些，而多壁碳纳米管表面要活泼得多，结合有大量的表面基团，如羧基等。以变角X 光电子能谱对碳纳米管的表面检测结果表明，单壁碳纳米管表面具有化学惰性，化学结构比较简单，而且随着碳纳米管管壁层数的增加，缺陷和化学反应性增强，表面化学结构趋向复杂化。内层碳原子的化学结构比较单一，外层碳原子的化学组成比较复杂，而且外层碳原子上往往沉积有大量的无定形碳。由于具有物理结构和化学结构的不均匀性，碳
碳纳米材料概述
碳纳米材料概述 名字：唐海学号：1020560120 前言 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。 近年来，碳纳米技术的研究相当活跃，多种多样的纳米碳结晶、针状、棒状、桶状等层出不穷。2000年德国和美国科学家还制备出由20个碳原子组成的空心笼状分子。根据理论推算，包含20个碳原子仅是由正五边形构成的，C60分子是富勒烯式结构分子中最小的一种，考虑到原于间结合的角度、力度等问题，人们一直认为这类分子很不稳定，难以存在。德、美科学家制出了C60笼状分子为材料学领域解决了一个重要的研究课题。碳纳米材料中纳米碳纤维、纳米碳管等新型碳材料具有许多优异的物理和化学特性，被广泛地应用于诸多领域。 分类 (1)碳纳米管碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体，一般可分为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管和双壁碳纳米管。 (2)碳纤维分为丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维两种。碳纤维质轻于铝而强力高于钢，它的比重是铁的1／4，强力是铁的10倍，除了有高超的强力外，其化学性能非常稳定，耐腐蚀性高，同时耐高温和低温、耐辐射、消臭。碳纤维可以使用在各种不同的领域，由于制造成本高，大量用于航空器材、运动器械、建筑工程的结构材料。美国伊利诺伊大学发明了一种廉价碳纤维，有高强力的韧性，同时有很强劲的吸附能力、能过滤有毒的气体和有害的生物，可用于制造防毒衣、面罩、手套和防护性服装等。 (3)碳球根据尺寸大小将碳球分为：(1)富勒烯族系Cn和洋葱碳(具有封闭的石墨层结构，直径在2—20nm之间)，如C60，C70等；(2)未完全石墨化的纳米碳球，直径在50nm 一1μm之间；(3)碳微珠，直径在11μm以上。另外，根据碳球的结构形貌可分为空心碳球、实心硬碳球、多孔碳球、核壳结构碳球和胶状碳球等。 碳纳米材料的性质及相关应用 1.力学 (1)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。 (2)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。
碳纤维综述性论文
碳纤维综述性论文 摘要：碳纤维是指由有机纤维经碳化及墨化处理而得到的微晶墨材料，是纤维中含碳量在95%左右的碳纤维和含碳量在99%左右的墨纤维。碳纤维是一种新型材料，本文主要论述了碳纤维的分类及性质、生产、制造、加工，并论述了碳纤维的改性以及用途和发展前景等。 关键词：碳纤维、生产、加工、应用领域、发展趋势； 前言：碳纤维（carbon fiber，简称CF），是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状墨微晶等有机纤维沿纤维轴向向堆砌而成，经碳化及墨化处理而得到的微晶墨材料。碳纤维“外柔刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。 一、碳纤维的分类 按制作原料分：(1) 纤维素基（人造丝基）(2) 聚丙烯氰基(3)沥青基（各向同性、各向导性中间相）。 按制造法和条件分：(1) 碳纤维（炭化温度在800~1600℃时得到的碳纤维）(2) 墨纤维（炭化温度在2000~3000℃时得到的碳纤维）(3) 活性炭纤维(4) 气相生长纤维。 按性能分：(1) 一般型（GP，在通电部件、耐热隔热体、滑动部分、耐腐蚀材料等领域使用一般型。）(2) 高性能型（HP,其中高性能型分为高强型及高模型，通常大多数应用领域使用高性能型）在通电部件、耐热隔热体、滑动部分、耐腐蚀材料等领域使用一般型。 按状态分：(1)长丝(2)短纤维(3)短切纤维。 二、碳纤维的性质 2.1碳纤维的物理性能 优点：1）密度小，质量轻，比强度高。碳纤维的密度为1.5~2g/cm3，相当于钢密度的1/4，铝合金密度的1/2。而其比强度比刚大16倍，比铝合金大12倍。 2）强度高。其拉伸强度可达3000~4000MPa，弹性比钢大4~5倍，比铝大6~7倍。 3）弹性模量高。 4）具有各向异性，热膨胀系数小，导热率随温度的升高而下降，耐骤冷、急热，
碳纳米管及其传感效应
碳纳米管及其传感效应 什么是碳纳米管? 1991年，日本电气公司教授S.lijima[1] 发现了碳纳米管，这种碳纳米管是90 年代发现的碳家族中第五种同素异形体，由自然界最强的C - C共价键结合而成。碳纳米管的结构可看成是由石墨烯卷成的圆筒，碳原子在其表面呈螺旋状排列，特殊情况下可呈扶手椅和锯齿状。根据壁的层数，它可分为单壁和多壁两种；同时，根据特性矢量（n，m ，它又分为金属性和半导体性两种：当n-m为3的整数倍时，其为金属性，其余情况下则为半导体性[2]。因为特有的力学、电子、化学性质以及准一维管状分子结构和潜在应用价值，碳纳米管已成为化学界的一颗新星，引起了物理学家、化学家、材料学家极大的兴趣，各国皆投入了大量的人力、物力对它的性质、制备、应用进行了一系列的研究，并取得了可喜的成果。 碳纳米管气体传感器 纳米碳管具有中空结构和大的壁表面积，对气体具有很大的吸附能力。由于吸附的气体分子与碳纳米管相互作用，因而改变了它的费米能级的变化，进而引起宏观电阻发生较大改变，通过对电阻变化的测定即可检测气体的成分，因此，碳纳米管可用来制作气体分子传感器。当前，J.Kong等人[3]已成功地研究了单根单壁半导体碳纳米管的气敏特性，为一维碳纳米管作为敏感材料构成气敏传感器的研究打开了大门。 碳纳米管有望用做生物传感器（图）
作者：Richard Comerford 日期：2005-4-1 来源：本网 字符大小：【大】 【中】［小］ 伊利诺斯大学（位于美国伊利诺斯州乌尔班纳-香巴尼）和斯坦福大学（位于美国加 利福尼亚州）科研人员的研究结果表明：利用碳纳米管来进行生物测定的应用正在 取得快速进展。近期的实例之一就是采用纳米管来监测血液中的葡萄糖水平，这使 得糖尿病人无须通过手指采血便能够检查自己的血糖水平。 ---该研究小组开发出了对过氧化氢敏感的纳米管，当它与葡萄糖接触时，将产生数 量可变的过氧化氢。过氧化氢会使纳米管的光学性质发生变化，因此，产生的过氧 化氢越多，则纳米管在暴露于近红外激光下时所发出的荧光就越强。 0.3 mm * semi-permeab!e * membrane d-glucose carbon nanotube / \ (iLC.L&^^asse mb I ed \ protein monolayer ---研究人员称这有可能导致人们将含有交变纳米管（altered nanotube ）的小型多 孔毛细管移植到糖尿病人的皮肤下。这样，糖尿病人便可以利用具有激光指示的设 备来测量荧光强度，以定期检查自己的血糖水平 一一他们将不必抽血取样（这种 做法日积月累会令病人感到异常疼痛）。 ---此前，斯坦福大学的研究人员已经开发出了采用聚环氧乙烷链进行处理并有选择 性地针对特定蛋白质的碳纳米管。它们能够检测出与全身红斑狼疮及混合型结缔组 织疾病有关的抗原。 near-IR 匚? emission cap near-IR excitation