碳纳米管及其应用新领域

碳纳米管及其应用新领域

摘要：综述了碳纳米管材料独特性能及其应用潜力，详细说明了碳纳米管材料在各种应用领域中的巨大应用前景，包括高强度复合材料、微机械、信息存储、纳米电子器件等。

关键词：碳纳米管的性能，碳纳米管的应用新领域，储氮材料，复合材料，信息存储，碳纳米电子学

前言：碳纳米管具有典型的层状中空结构特征，构成碳纳米管的层片之间存在一定的夹角碳纳米管的管身是准圆管结构，并且大多数由五边形截面所组成。管身由六边形碳环微结构单元组成, 端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构，或者称为多边锥形多壁结构。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。由于其独特的结构，碳纳米管的研究具有重大的理论意义和潜在的应用价值。

一、碳纳米管的性能

碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。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。力学性能

由于碳纳米管中碳原子采取SP2杂化，相比SP3杂化，SP2杂化中S轨道成分比较大，使碳纳米管具有高模量、高强度。

碳纳米管具有良好的力学性能，碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，可以拉伸。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。碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。若将以其他工程材料为基体与碳纳米管制成复合材料，可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性，给复合材料的性能带来极大的改善。

导电性能

碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域π键，由于共轭效应显著，碳纳米管具有一些特殊的电学性质。

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。对于一个给定的纳米管，在某个方向上表现出金属性，是良好的导体，否则表现为半导体。对于这个的方向，碳纳米管表现出良好的导电性，电导率通常可达铜的1万倍。传热性能

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，相对的其垂直方向的热交换性能较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合成高各向异性的热传导材料。另外，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。

二、碳纳米管电子学的应用

碳纳米电子管(cNTs)是一种具有显著电子、机械和化学特性的独特材料。其导电能力不同于普通的导体。性能方面的区别取决于应用，也许是优点，也许是缺点，也许是机会。在一理想纳米碳管内，电传导以低温漂轨道传播的，如果电子管能无缝交接，低温漂是计算机芯片的优点。诸如电连接等的混乱极大地修改了这—行为。对十较慢的模拟信号的处理速度，四周环绕着平向球分子的碳纳米管充当传播者已被实验让实。

在后门将有碳的纳米管穿过两根金导线证明了场效应分子晶体管，近来证实逻辑电路的难题遇到了静电掺杂碳纳米管。碳纳米管的掺杂质可使用化学方法来完成。CMOS类型变极器有n型和p型掺杂两种。这项工作用达到10^5的开关比率且具有高增益的晶体管电阻逻辑以实验证明了变极器和或非电路的性能。显然，通过适当地排列碳纳米管晶体管顺序可实现与、

或、与非和异或功能。尽管这些成果代表巨大成就，许多问题仍然存在。

在碳纳米管的内部可以填充金属、氧化物等物质，这样碳纳米管可以作为模具，首先用金属等物质灌满碳纳米管，再把碳层腐蚀掉，就可以制备出最细的纳米尺度的导线，或者全新的一维材料，在未来的分子电子学器件或纳米电子学器件中得到应用。有些碳纳米管本身还可以作为纳米尺度的导线。这样利用碳纳米管或者相关技术制备的微型导线可以置于硅芯片上，用来生产更加复杂的电路。

三、碳纳米管在信息存储领域的应用

信息技术的进步是晶体管不断缩小的结果，晶体管主要应用于信息收集与处理的各个方面。信息技术能力的不断发展取决于更加强大的计算硬件制造业的不断进步。摩尔定律(集成电路的功能按指数增长的规律) 一直延续到今天。尽管在这一范围内有潜在的局限性，半导体工业路标ITRs根据应用良好达40年的大型设备缩放比例预见了当前摩尔定律可持续成为2016年的路标，那时器件密度也相应地增长了32倍。达到和超越这一密度的障碍如下：平版印刷术、漏电流、电路连接需求和热问题。这些挑战己激发了无数的科学研究，这些科学研究既致力十传统的有硅系统的问题，也想找到突破这些屏障的替代产品。纳米技术引起了人们极大的兴趣，多种材料以纳米级的精度应用于这一领域。

用分子制作逻辑电路的热情正空前高涨，碳纳米电子管和分子层晶体管的力分离技术己成功应用十实际制作晶体管甚至简单的逻辑电路。在2001年所取得的进步被科学杂志认为是达—年的技术突破。

碳纳米管在制备过程中大多数都使用了过渡金属粒子作为催化剂，在生长的过程中，许多碳纳米管的顶部和底部都封有直径为几个纳米到几十个纳米数量级的催化剂颗粒。根据磁学理论可以知道，这些粒子是单磁畴粒子，可以稳定地记录信息。单根碳纳米管在垂直方向上可以存在多个铁磁粒子。因此碳纳米管将具有实现新型的大规模信息存储的可能性。

使用含有铁磁纳米粒子的碳纳米管材料作为三维磁存储器件具有如下的优势：信息存储密度高：相对于传统的磁介质存储和光盘存储装置来说，利用碳纳米管材料的三维磁存储密度更高。纳铁磁粒子的信息存储点径可望达到5~50nm；信息存取速度快：信息存取时间可望达到2~5ns的数量级，相当于现有计算机上的静态存储器（SRAM）的水平，比任何现有的非易失性存储器都快得多；材料来源广泛：制备碳纳米管所需要的原材料来源相当广泛，制备工艺相对比较简单，流程比较少，成本低廉，非常适合于大规模工业生产。

四、碳纳米管在储氢材料领域的应用

氢气在未来的能源方面将扮演一个很重要的角色，它在释放能量的过程中不会引起空气的污染和导致温室效应，但目前仍然没有一个实用的办法存储和运输氢气，而这对氢气能源的实用化是十分重要的。最近的研究表明，碳纳米管非常适合于作为储氢材料。由于碳纳米管具有独特的纳米级尺寸和中空结构，具有更大的表面积，相对于常用的吸附剂活性炭而言，具有更大的氢气吸附能力。

目前，碳纳米管在储氢方面具有更加明显的优势，再加之碳材料的价格低廉，化学性能稳定，密度比较小，碳纳米管储氢的应用前景十分乐观。目前，碳纳米管储氢应用的主要问题是进一步提高储氢率，探索碳纳米管吸放氢气条件，研究碳纳米管材料的储氢机理以及如何在工业上大量制备碳纳米管。通过制备工艺的改进、碳纳米管的提纯等方式，使得碳纳米管的储氢率进一步提高。研究碳纳米管吸放氢气的物理过程，确定其吸放氢气的物理条件，才能设计出相应的储气、释放系统，使得碳纳米管在储藏氢气方面走向实用化。碳纳米管作为一种新型的纳米材料，对原有的气体吸附理论也提出了新的挑战，需要使用新的理论来描述碳纳米管储氢过程，这些问题的解决，都需要进一步开展碳纳米管储氢方面的理论研究和实验研究。

五、碳纳米管在复合材料领域的应用

由于碳纳米管的纳米级尺寸，中空管状和极高的杨氏模量，它被认为是晶须类强化相的终极形式。

Wagner等人研究了高聚物基体中加入的碳纳米管在拉应力条件下产生裂纹的情况，并与普通碳纤维进行了对比研究，结果证明碳纳米管和基体间应力传递效果至少比普通碳纤维高一个数量级，说明碳纳米管和基体间有着良好的界面。Kuzumaki等人将碳纳米管与C60的复合材料封装于银套中，在室温下进行拔长加工后，对其进行了结构检测和拉伸实验，结果碳纳米管沿着复合棒的长度方向平行分布，测得的应力－应变曲线表明其断裂应力比纯C60样提高了20多倍。将碳纳米管加入功能材料中，有可能改善材料的性能指标。Ebbesen等将碳纳米管加入高温超导材料Bi2212中制成复合材料，发现比未加碳纳米管的基体材料具有更好的超导性能。

利用碳纳米管的性质可以制作出很多性能优异的复合材料。例如，碳纳米管材料增强的塑料力学性能优良、导电性好、耐腐蚀、屏蔽无线电波。使用水泥做基体的碳纳米管复合材料耐冲击性好、防静电、耐磨损、稳定性高，不易对环境造成影响。碳纳米管增强陶瓷复合材料强度高，抗冲击性能好。碳纳米管上由于存在五元环的缺陷，增强了反应活性，在高温和其他物质存在的条件下，碳纳米管容易在端面处打开，形成一个管子，极易被金属浸润、和金属形成金属基复合材料。这样的材料强度高、模量高、耐高温、热膨胀系数小、抵抗热变性能强。

六、碳纳米管的其他应用

碳纳米管还给物理学家提供了研究毛细现象机理最细的毛细管，给化学家提供了进行纳米化学反应最细的试管。碳纳米管上极小的微粒可以引起碳纳米管在电流中的摆动频率发生变化，利用这一点，1999年，巴西和美国科学家发明了精度在10-17kg精度的“纳米秤”，能够称量单个病毒的质量。随后德国科学家研制出能称量单个原子的“纳米秤”。

碳纳米管具有优良的场致发射特性，可以用于制作新型平板显示器的场发射极。使用定向排列的碳纳米管薄膜作为阴极的场致发射显示器具有成本低、工艺简单、可靠性高的特点，可以用来制作点阵式显示器、数码管等各种显示装置。

随着纳米科学和纳米技术的发展，大大的提高对来自生物化学战争和人类疾病的探测和反应。运用纳米器件可以改善卫生保健和提高人类的能力。纳米装置能从人体结构本身的分户组成的运动功能个获得能量，旧且也能够探测出疾病和生物、化学的威胁。这些纳米装置也将能够阻止来自牛物恐怖主义战争和化学战争的威胁。进行涉及纳米装置的材料和话组织之间相客性的问题的重要研究。微流控技术和传感器错误动作也将是重要的研究领域。

七、结语

虽然碳纳米管的技术性能非常好，但因成本和其他因素其大规模推广仍将会是一个长期的过程。目前，在各大学的物理系和像IBM那样的公司都在制造碳纳米管。我国对此项研究虽然起步较晚，但发展很快。目前碳纳米化学方兴未艾，内容丰富，前景诱人。通过对碳纳米管的研究，必然带动相应学科的发展。

参考资料：

《纳米材料和器件》朱静等编著清华大学出版社

《微纳米技术的潜在应用前景》（美）国家科学院科学研究委员会著机械工业出版社

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

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

碳纳米管薄膜制备及应用研究进展

１　碳纳米管薄膜的制备 1.1　高密度高取向碳纳米管膜的制备 由浮动催化化学气相沉积制备方法（FCCVD）所制备的薄膜具有良好的取向性，但密度较低。然而，制备出的碳纳米管的丝带聚集在一起用乙醇溶液进行喷雾致密，当乙醇蒸发后形成一层疏松的碳纳米管膜，然后将疏松的碳纳米管薄膜从主轴上剥离出来放在两个光滑的压力为100N的压力板之间挤压，即可以获得高取向、高密度的CNT薄膜[1-2]。如图1所示，为高密度、高取向碳纳米管薄膜的制备过程。其中，图1（a）为高密度高取向碳纳米管薄膜的制备过程，图1（b）、图1（c）、图1（d）分别为碳纳米管丝带、疏松碳纳米管薄、高密度高取向碳纳米管薄膜膜宏观图像。 图１　高密度高取向碳纳米管薄膜的制备过程 1.2　浮动化学气相沉积法制备高强度薄膜 王健农教授课题组创新性地利用浮动化学气相沉积法连续制备出碳纳米管宏观筒状物，并在开放大气环境下将 CNT 薄膜，图2（b）为拉伸曲线，图2（c）为端口形貌。 图２　所制备ＣＮＴ薄膜、拉伸曲线和端口形貌综上所述可以看出，直接合成机械性能优异、高密度、高取向度的碳纳米管薄膜的研究工作还处于实验研究阶段。要想获得可应用的具有优越性能的碳纳米管纤维和早日将其应用于实际生活，还需要做很多研究工作。 ２　碳纳米管薄膜的应用 2.1　碳纳米管长度优化制备透明导电薄膜基板 初始长度为10～15μm多壁碳纳米管经过30min、60min和120min的回流，其长度分别降低到1200nm、205nm、168nm。然后，将多壁纳米管分别在285℃退火24小时，所得碳纳米管薄膜的电气和光学性能将大大提高。薄膜的光学和电气性能强烈依赖于碳纳米管的长度。制备薄膜的多壁碳纳米管回流30min所得到的薄膜光学透过率分别高于回流60min和120min薄膜的2.6%和6.6%。多壁碳纳米管回流30min所得的样品薄膜的薄层电阻也降低了45%和80%。此时，薄膜还具有最小粗糙度[5-10]。图3为透明导电薄膜基板。 2.2　碳纳米管薄膜在应力传感器中的应用 单壁碳纳米管兼具极优异的导电性、稳定性、柔韧性以及拉伸强度，因此在应力传感器方面有着巨大的应用潜力。传统的碳纳米管应力传感器基于碳纳米管的电阻值变化监测外部应力的大小。国家纳米科学中心孙连峰研究员小组的刘政在攻读博士期间发现，基于单壁碳纳米管薄膜两端的开路电压可以构建成功高性能的应力传感器。他们利用极性液滴在悬空碳纳米管薄膜和液滴之间产生毛细管 摘　要：膜状碳纳米管保留了碳纳米管微观性状，也保留了优异的导电能力。它具有良好的机械性能、独特的形貌与结构特征，在储能电池技术、人工肌肉、智能材料以及电子显示屏中的应用越来越普遍。本文介绍碳纳米管薄膜的特点，对几种碳纳米管薄膜制备方法做了简要介绍说明。通过对当前碳纳米管薄膜几大应用方向如超级电容、柔性电池以及场发射装置等的分析，展示了碳纳米管薄膜的巨大应用潜力。 关键词：碳纳米管薄膜 制备 超级电容 柔性电池

碳纳米管的研究进展及应用

碳纳米管的研究进展及应用 一引言 1.1 纳米材料 纳米材料是近年来受到人们极大关注的新型领域，纳米材料的概念形成于20世纪80年代，在上世纪90年代初期取得较大的发展。 广义地说，纳米材料是指其中任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料[1]。当小粒子尺寸加入纳米量级时，其本身具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。 纳米材料具有四大特点: 尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大。从而使其具有奇异的力学、电学、光学、热学、化学活性、催化和超导特性，使纳米材料在国防、电子、化工、催化剂、医药等各种领域具有重要的应用价值。 1.2 碳纳米管 碳是自然界分布非常普遍的一种元素。碳元素的最大的特点之一就是存在多种同素异形体，形成许许多多的结构和性质完全不同的屋子。长期以来，人们一直以为碳的晶体只有两种：石墨和金刚石。直到1985年，英国科学家Kroto 和美国科学家Smalley在研究激光蒸发石墨电极时发现了碳的第三种晶体形式 C60[2]，从此开启了人类认识碳的新阶段。 1991年，日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛（Iijima）发现了多壁碳纳米管（MultiWalled Carbon Nanotubes ，MWNTs），直径为4-30nm，长度为1um。，最初称之为“Graphite tubular”。 1993年单壁碳纳米管也被发现（Single-Walled Carbon Nanotubes ，SWNTs），直径从0.4nm到3-4nm，长度可达几微米。碳纳米管（CNT）[3]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”，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(MWNTs)和单壁碳纳米管(SWNTs) 两种形式。

德国碳纳米管及石墨烯的发展概况

德国碳纳米管及石墨烯的发展概况 碳纳米管和石墨烯是世界材料行业飞速发展的产物，因为它们代表着更高的性能，更轻的质量，更可靠的环保责任。德国在该领域的研究虽然起步较晚，但随着其后续大量的投入，已经让它成为世界上相关产品研发的领跑者。碳纳米管和石墨的发展前景虽被看好，但高昂的制备成本和较低的产量却严重遏制其大规模应用。 图为：单壁碳纳米管（左），多壁碳纳米管（右） 随着行业对于材料性能的要求越来越高，传统材料的发展占空间逐渐走向萎缩，而高新科技材料将会取而代之成为行业选择的未来之路。众所周知，碳纳米管（CNTs）和石墨烯（graphene）及其复合材料因其卓越的电气及机械特性，已经在诸多领域，如光电，传感器，半导体器件，显示器，指挥，智能

纺织品和能量转换装置（例如，燃料电池，收割机和电池）等，显示出巨大的应用潜能。 从化学结构看，碳纳米管（CNTs）可以用作有机或无机半导体的替代物，但高昂的成本是目前限制其广泛用的最大难题。然而，碳纳米管作为一种新型材料有望在不久的将来实现成本低廉化大规模生产。 在电子学应用领域（电磁屏蔽除外），碳纳米管最大的用途是导体。它不仅具有高电导率，其材料还能呈现透明状，使用起来非常灵活便于拉伸。因此可以取代ITO，用于制作显示器，触摸屏，光电与显示母线和其他产品。经实验证明，碳纳米管的迁移率高于硅，这就意味着碳纳米管可以用于制造快速转换晶体管。此外，碳纳米管能够用于制备高性能的大面积加工设备，如印刷设备，从而帮助提高生产工艺，并显著降低生产成本。碳纳米管还适用于制造超级电容器，其原理是通过利用电容和晶体管的功率密度来平衡电池的能量密度，从而达到弥合电池和电容器的差距的目的。 从目前发展程度来看，碳纳米管的最大挑战是材料纯度，设备制造，以及对其他设备材料（如适当的电介质）的需要。但毋庸置疑的是其无法超越的性能优点（比如高性能，灵活

碳纳米管及其应用新领域

碳纳米管及其应用新领域摘要：综述了碳纳米管材料独特性能及其应用潜力，详细说明了碳纳米管材料在各种应用领域中的巨大应用前景，包括高强度复合材料、微机械、信息存储、纳米电子器件等。关键词：碳纳米管的性能，碳纳米管的应用新领域，储氮材料，复合材料，信息存储，碳纳米电子学 前言：碳纳米管具有典型的层状中空结构特征，构成碳纳米管的层片之间存在一定的夹角碳纳米管的管身是准圆管结构，并且大多数由五边形截面所组成。管身由六边形碳环微结构单元组成, 端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构，或者称为多边锥形多壁结构。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。由于其独特的结构，碳纳米管的研究具有重大的理论意义和潜在的应用价值。 一、碳纳米管的性能 碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。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。力学性能 由于碳纳米管中碳原子采取SP2杂化，相比SP3杂化，SP2杂化中S轨道成分比较大，使碳纳米管具有高模量、高强度。 碳纳米管具有良好的力学性能，碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，可以拉伸。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。碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。若将以其他工程材料为基体与碳纳米管制成复合材料，可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性，给复合材料的性能带来极大的改善。 导电性能 碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域n键，由于共轭效应显著，碳纳米管具有一些特殊的电学性质。 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。对于一个给定的纳米管，在某个方向上表现出金属性，是良好的导体，否则表现为半导体。对于这个的方向，碳纳米管表现出良好的导电性，电导率通常可达铜的1 万倍。传热性能 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，相对的其垂直方向的热交换性能较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合成高各向异性的热传导材料。另外，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。 二、碳纳米管电子学的应用 碳纳米电子管（eNTs是一种具有显著电子、机械和化学特性的独特材料。其导电能力不同于普通的导体。性能方面的区别取决于应用，也许是优点，也许是缺点，也许是机会。在一理想纳米碳管内，电传导以低温漂轨道传播的，如果电子管能无缝交接，低温漂是计算机芯片的优点。诸如电连接等的混乱极大地修改了这—行为。对十较慢的模拟信号的处理速度，四周环绕着平向球分子的碳纳米管充当传播者已被实验让实。在后门将有碳的纳米管穿过两根金导线证明了场效应分子晶体管，近来证实逻辑电路的难题 遇到了静电掺杂碳纳米管。碳纳米管的掺杂质可使用化学方法来完成。CMOS类型变极器有 n型和p型掺杂两种。这项工作用达到10A5的开关比率且具有高增益的晶体管电阻逻辑以实验证明了变极器和或非电路的性能。显然，通过适当地排列碳纳米管晶体管顺序可实现与、

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

碳纳米技术发展综述

碳纳米管技术发展概况 学院：电子信息工程学院 专业：通信工程 姓名：彭昱 学号：3013204217 【摘要】随着社会经济的飞速发展，碳纳米材料的应用日趋广泛，以富勒烯、石墨烯和碳纳米管为代表的碳纳米材料。在经历20世纪90年代的研究高潮后，如今也已经进入了平稳扎实的研究阶段。随着研究的不断深入，碳纳米材料在人类生产生活中显示出越来越多不可替代的重要作用。碳纳米管（CNT）也是“纳米世界”中的重要一员，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商业价值。本文综述了碳纳米管的发展历程、结构性能，应用及其发展前景及展望。 【关键词】碳纳米管；发展历程；结构；特性；应用；前景 碳纳米管的发展历程 1985 年英国萨塞克斯大学的波谱学家Kroto 教授与美国莱斯大学的Smalley和Curl 两教授在合作研究中，发现碳元素可以形成由60 个或70 个碳原子构成的高度对称性笼状结构的C60和C70分子，被称为巴基球（Buckyballs）；1991 年，日本NEC 科学家Iijima 在制取C60的阴极结疤中首次采用高分辨隧道电子显微镜发现一种外径为515nm、内径为213nm，仅由两层同轴类石墨圆柱面叠而成的碳纳米管；1992年，科研人员发现碳纳米管壁曲卷结构不同而呈现出半导体或良导体的特异导电性；1995年，科学家研究并证实其优良的场发射性能；1996年，我国科学家实现碳纳米管大面积定向生长；1998年，科研人员应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；1999年，韩国一个研究小组制成碳纳米管阴极彩色显示器样管；2000年，日本科学家制成高亮度的碳纳米管场发射显示器样管。 碳纳米管的结构 碳纳米管是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。按照所含石墨片层数的不同，碳纳米管可分为：单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。单壁管典型直径在0.6-2nm，多壁管最内层可达0.4nm，最粗可达数百纳米，但典型管径为2-100nm。下图为常见的碳纳米管结构图。虽然从本质上讲，碳纳米管都是有相同的石墨层构成的但它们的导电特性却并不一样，具体情况取决于起的是金属还是半导体的作用。 碳纳米管的特性 碳纳米管的独特结构决定了它具有许多特殊的物理和化学性质。组成碳纳米管的C=C 共价键是自然界最稳定的化学键，所以使得碳纳米管具有非常优异的力学性能。理论计算表明，碳纳米管具有极高的强度和极大的韧性。其理论值估计杨氏模量可达5TPa，强度约为钢的100 倍，而重量密度却只有钢的1/6。Treacy 等首次利用了TEM 测量了温度从室温到800 度变化范围内多壁碳纳米管的均方振幅，从而推导出多壁碳纳米管的平均杨氏模量约为1.8Tpa。而Salvetat 等测量了小直径的单壁碳纳米管的杨氏模量，并导出其剪切模量为1Tpa。Wong 等用原子力显微镜测量多壁碳纳米管的弯曲强度平均值为14.2±10.8GPa，而碳纤维的弯曲强度却仅有1GPa。碳纳米管无论是强度还是韧性，都远远优于任何纤维，被认为是未来的“超级纤维”。直径、螺旋角以及层间作用力等存在的差异是碳纳米管兼导体和半导体的特性；独特的螺旋分子结构使碳纳米管构筑的吸波材料具有比一般吸收材料高的吸收率。此外，碳纳米管还具有独特的光学性能，良好的热传导性，极高的耐酸、碱性和热稳定性。

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 carb on nano tubes(CNTs) are nano meter-sized carb on materials with the characteristics of unique one-dimensional geometric structure large surface area high electrical conductivity，elevated mechanical strength and strong chemical inertn ess. Selecti ng appropriate methods to prepare carb on nano tube 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 comparis on of the adva ntages and disadva ntages of carb on nano tube composites the enhan ceme nt mecha ni sms of the CNTs catalysts are in troduced. Afterwardthe 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 carb on nano tube; composite; en ergy storage batteries; applicati on 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，并且随着碳纳米管的管径减小其表现出非化学平衡或整数配位数的化合价，储锂的容量增大；第三，碳纳米管具有良好的导

碳纳米管的研究进展

碳纳米管的研究进展* 王全杰1,2** 王延青1*** （1. 陕西科技大学资源与环境学院，陕西 西安 710021；2. 烟台大学化学生物理工学院， 山东 烟台 264005） 摘要：碳纳米管是由石墨层片卷成的管状结构的一种新型纳米材料，拥有独特的物理化学、电学、热学和机械性能以及十分诱人的应用前景。文章对碳纳米管的制备方法、性质、纯化及应用前景进行了简要的综述。 关键词：碳纳米管；合成；性能；纯化；应用 中图分类号G 311 文献标识码 A Progress of Research for Carbon Nanotubes Wang Quanjie 1,2,Wang Yanqing 1 （1.College of Resource and Environment，Shaanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021,China；2. Chemistry and Biology College，Yantai University，Yantai 264005,China）Abstract: Carbon nanotubes are a new class of nano-material with tubular structure formed via rolling-up of coaxial sheets of graphite. They have unique physicochemical, electrical, thermal and mechanical properties, opening up various intriguing possibilities for applications. The preparation methods, properties, methods of purification and application of carbon nanotubes are briefly reviewed. Key words: carbon nanotubes；synthesis；property；purification；application 自1991年日本科学家Lijima发现碳纳米管(Carbon Nanotubes,简称CNTs)，1992年Ebbesn等人提出了实验室规模合成碳纳米管的方法后，其独特的结构和物理化学性质受到人们越来越多的关注[1]。碳纳米管因具有尺寸小、机械强度高、比表面大、电导率高、界面效应强等特点,从而使其具有特殊的机械、物化性能，在工程材料、催化、吸附、分离、储能器件电极材料等诸多领域中具有重要的应用前景。 *基金来源：山东省科技攻关项目（2008GG10003020） **第一作者简介：王全杰，男，1950年生，教授 ***通讯联系人

综述：碳纳米管材料的发展、性能与应用”

大连东软信息学院电子工程系《微电子发展前沿技术》期末大作业 项目一二三四总分 分数 综述：碳纳米管材料的发展、性能与应用 姓名刘胜 班级微电子11001班 学号11160600113 专业电子信息工程（微电子制造方向） 2014年5月18日

目录 第1章前言 (1) 1.1碳纳米管简介 (1) 1.2碳纳米管的发展 (1) 1.3碳纳米管现状 (3) 第2章碳纳米管的优秀性能 (4) 2.1电学性能 (4) 2.2力学性能 (4) 2.3热学性能 (4) 2.4复合材料性能 (4) 第3章碳纳米管的应用及前景 (5) 3.1碳纳米管的应用 (5) 3.2碳纳米管的前景 (6) 参考文献 (8)

第1章前言 1.1碳纳米管简介 碳纳米管,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, 可看作是由片层结构的石墨卷成的无缝中空的纳米级同轴圆柱体, 两端由富勒烯半球封帽而成。按片层石墨层数分类, 可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。单壁碳纳米管可看成是由单层片状石墨卷曲而成, 而多壁碳纳米管可理解为不同直径的单壁碳纳米管套装而成, 层与层之间距离约0.3 4 n m 。碳纳米管因其小尺寸效应和独特的分子结构，具有优异的物理化学性能。一维分子材料和六边形完美连接结构使碳纳米管具有质量轻、强度高的特点；较大长径比及sp2、sp3杂化几率不同使碳纳米管具有优良的弹性；直径、螺旋角以及层间作用力等存在的差异使碳纳米管兼具导体和半导体的特性；独特的螺旋状分子结构使碳纳米管构筑的吸波材料具有比一般吸收材料高得多的吸收率。 碳纳米管具有最简单的化学组成及原子结合形态, 却展现了最丰富多彩的结构以及与之相关的物理、化学性能。由于它可看成是片状石墨卷成的圆筒, 因此必然具有石墨优良的本征特性, 如耐热、耐腐蚀、耐热冲击、传热和导电性好、有自润滑性和生体相容性等一系列综合性能。但纳米碳管的尺度、结构、碳原子相结合又赋予了碳纳米管极为独而有广阔应用前景的性能。 1.2碳纳米管的发展 1991年日本NEC公司基础研究实验室的科学家饭岛澄男(Iijima)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。是一种外径为515nm、内径213nm、仅由两层同轴类石墨圆柱面叠合而成的碳结构。进一步的分析表明，这种管完全由碳原子构成，并看成是由单层石墨六角网面以其上某一方向为轴，卷曲360°而形成的无缝中空管。相邻管子之间的距离约为0.34nm，与石墨中碳原子层与层之间的距离0.335nm相近[1]，所以这种结构一般被称为碳纳米管，这是继C60之后发现的碳的又一同素异形体，是碳团簇领域的又一重大科研成果。 1993年，S.Iijima等和DS.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[2]。

碳纳米管及其应用的研究现状

文章编号:1001-9731(2000)-0119-02 碳纳米管及其应用的研究现状Ξ 朱绍文1,贾志杰2 (1.华中师范大学应用物理研究所,湖北武汉,430079;2.清华大学机械工程系,北京100084) 摘　要:　在世界范围内,碳纳米管及其应用的研究成为当前材料研究的热点。通过最近数年的研究,科技界对于碳纳米管的特性及应用前景有了深刻的认识。目前研究的重点集中在较大批量生产(公斤级/日)和全面应用方面。 关键词:　碳纳米管;电子器件;纳米复合材料 中图分类号:　T B383 1　引　言 自K roto和Smalley于1985年发现碳纳米管(获得1996年诺贝尔化学奖)[1,2],以及NEC公司电镜专家I ijima在用电弧法制作C60时生产出第一根碳纳米管以来[3],在世界范围内掀起一股碳纳米管热。其中美国居于领先水平,从医学到电子、复合材料等领域,高投入、全方位地开展研究。日本紧随其后。我国也在几年前开始这方面的研究,并有重点地(电子领域)加强力量,进行应用开发研究。到目前,关于碳纳米管本身特性及生产方法的研究已取得重大进展,开始进入到碳纳米管批量生产及碳纳米管应用方面。碳纳米管是一种主要由碳六边形(弯曲处为碳五边形和碳七边型)组成的单层或多层纳米级管状材料,由自然界最强的C—C共价键结合而成,因此具有非常高的强度(理论值是钢的100多倍,碳纤维的近20倍),同时还具有很高的韧性、硬度和导电性能[4～8]。目前研究的重点己经转移到碳纳米管的较大批量生产及其应用领域。应用领域里最具潜力的应用是在电子和复合材料领域。 2　碳纳米管的制备 碳纳米管的制备包括碳纳米管的生产及处理。碳纳米管虽然具有很好特性及诱人的应用前景,但首先只有碳纳米管的生产实现了规模化生产才有意义。碳纳米管的生产开始采用石墨-电弧法,后来发展到具有较大产量的化学气相沉积(CVD)法[10～14]。催化剂一般采用铁基、钴基或镍基催化剂。各种催化剂各有其优点,用得较多的是镍基催化剂。实验室产量从每炉次10毫克级发展到10克级(国内己达到的水平),己经具备工业化生产条件。当然,要真正实现工业化生产,还需要进一步研究和优化碳纳米管的生产工艺,设计出相应的能够实现连续合成碳纳米管的生产设备。 由于CVD法生产的碳纳米管粗产物里含有许多杂质,如SiO2、Fe、Co、Ni等金属颗粒,需要进行净化处理[15,16]。由于碳纳米管具有很高的结构稳定性,耐强酸、强碱腐蚀,故碳纳米管的净化处理一般采用酸浸泡或酸煮的方式,然后用蒸馏水清洗。另外,由于CVD法生产的碳纳米管缠绕成微米级大团,需要进行分散处理,以利于与其它材料进行复合制作纳米复合材料。碳纳米管的分散处理采用浓硝酸或浓硫酸较长时间煮的方式或高速球磨机球磨的方式。 3　电子应用领域 由于碳纳米管具有很高的导电性能,特别是经高温退化处理后(消除碳五边形和碳七边形结构)的碳纳米管,因此,目前碳纳米管应用研究的最大领域是在电子学领域。第一,利用碳纳米管本身结构特点,研究新型电子器件。如:利用碳纳米管的激发电压与钼针相比有大幅度降低,并具有自修补功能的特性,加之其纳米级尺寸,若用于研制场发射器件,可制成超大规模视屏系统[21]。通过控制生产工艺,使碳纳米管中缺陷(碳五边形和碳七边形)集中于碳纳米管中部,制成电子纳米电子开关和纳米二极管[18]。目前美国科学家正利用碳纳米管研制纳米三极管,如若成功,就可将集成电路尺寸降低两个数量级以上[19]。根据这个思路,还有很多纳米电子器件的研究在进行中。第二,利用碳纳米管导电性能好的特点,研制其它电子器件。如:利用碳纳米管研制高能微型电池,用于计算机起动电源和汽车电子打火,具有体积小,能量高,使用寿命长的特点[17]。将一定量的碳纳米管压成薄片,制成高能电容,能量比一般的电容高两个数量级(国家“九五”计划)[26,27]。在一些器件表面镀上碳纳米管,制成导电膜,其导电性能提高很多[23,24]。加碳纳米管加入到金属Al 中(少量),可明显提高其导电性。在高分子材料中加入少量碳纳复米管,降低其电阻3个数量级以上,使其具有抗静电功能[17],等等。 4　复合材料领域 由于碳纳米管具有非常高的强度[8],且耐强酸、强碱,600℃以下基本不氧化,又具有纳米级尺寸,若与工程材料复合,可起到强化作用。因此关于碳纳米管复合材料的研究也成为其应用研究的一个重要领域。用碳纳米管制作复合材料研究,首先在金属基上进行,如:Fe/碳纳米管、Al/碳纳米管、Ni/碳纳米管、Cu/碳纳米管等[28～31]。复合方法一般有快速凝固法和粉末冶金法。由于碳纳米管的尺寸与金属晶格相比显得太大,无法进入,被排斥在晶界上。因而,当碳纳米管加入量超过一定值(一般为3%)时,就在晶界上集聚成团,削弱晶格间连接力,反而降低基体的强度。另外,如Fe/碳纳米管、Al/碳纳米管、Ni/碳纳米管,在复合过程中部分碳纳米管与高温液态金属化合形成金属 Ξ基金来源:湖北省科委重大科研攻关项目收稿日期:1998-12-10