碳纳米管器件原理和应用

碳纳米管器件原理和

应用

：郭天凯

专业：应用物理

学号：2012437019

摘要：

纳米材料被誉为是21 世纪的重要材料，它将构成未来智能社会的四大支柱之一。碳纳米管在纳米材料中最富有代表性，并且是性能最优异的材料。碳纳米管具有独特的结构形态和优异的电学、力学等性能，碳纳米管的独特结构和优异的物理力学性能使它成为纳米科技领域中构筑纳尺度器件和系统的重要基础，为纳米科技领域的创新提供着持续强劲的原动力。碳纳米管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、平板场致发射显示器以及碳纳米管微操作等，碳纳米管独特的结构和优良性能使其在纳米技术和纳米电子学领域扮演着愈来愈重要的角色，本文综述了碳纳米管器件的原理和应用。

关键词：碳纳米管器件、场效应管、单电子晶体管、电磁屏蔽复合材料、聚合物基吸波复合材料、超电容器电极材料、储氢材料、催化剂载体

正文：

一、碳纳米管器件的制备原理

碳纳米管的生长和制备是场致发射显示器研制中关键的一个环节。目前，人们可以利用激光轰击法、化学汽相沉积法、辉光放电法、直流电弧放电法、气体燃烧法、催化剂高温热解法等多种方法制备碳纳米管。在这些技术当中，直流电弧放电法的生产工艺简单，可以大批量生产。虽然目前已经有很多种制备碳纳米管的方法，但是碳纳米管的大量制备仍然是以电弧放电法和高温催化热解法为主。其中电弧

放电法可以获得具有较高程度石墨化结构的碳纳米管，十分适用于理论研究的需要。C.Journet等人采用电弧法的工艺过程如下：在氩气气氛下，利用阴阳两个电极之间的大量放电现象来实现碳纳米管材料的生长。阴极是一个长约100mm、直径大约6mm的石墨棒，上面刻蚀了一个4mm深、3.5mm 直径大小的孔洞，利用金属催化剂和石墨粉末的混合物进行填充。利用大约为100A的高电流来产生电弧放电，通过不断移动阳极，同时保持阴极和阳极之间的间距为常数（大约为3mm）来实现的。典型的生长时间为2min。从SEM的结果看，存在着大量的、相互缠绕的碳纤维材料均匀地分布在至少为几个平方毫米的衬底表面上，碳纳米管的直径为10~20nm，而两个缠绕点之间的平均距离在几个微米左右，但是看不出碳纳米管的顶端。估计碳纳米管的产量在百分之八十左右。

碳纳米管的电学性能，单壁碳纳米管既可表现为金属性，又可表现为半导体性；电子在碳纳米管中可实现弹道式传输，无电子散射发生，无能量损失；碳纳米管的通流能力可以达到109? 1010A/cm2，并在较高的温度下稳定地存在而没有电迁移现象；碳纳米管的电流传输具有螺旋特征，使其磁场分布主要集中在碳管的部；碳纳米管的场发射特性具有相对低的开启电压和阈值电压、良好的场发射稳定性和长的发射周期；碳纳米管的微波介电特性使其表现出较强的宽带微波吸收性能。碳纳米管的力学性能，比重为钢的1/6，强度为钢的100 倍，氏模量可达1000 GPa，比金刚石高好几倍，弹性模量可达 1 TPa；具有高弹性，高的韧性；通过材料的响应，直接把电能转化为机械能。

碳纳米管的热学性能，实验测得单根多壁碳纳米管室温下的热导率可达到3000 W/mK；分子动力学模拟预测单壁碳纳米管的轴向热导率室温下可达到6600 W/mK，与金刚石相当。

二、碳纳米管器件的应用

1、基于碳纳米管场效应管构建的纳电子逻辑电路[1]

首先利用Pt作为源漏电极材料,单壁碳纳米管作为输运沟道的场效应管和扫描电子显微镜，制备基于单壁碳纳米管的p型场效应管的构建。重掺杂的硅片作为基底,其上面热生长一层200 nm厚的二氧化硅作为绝缘层,Si作为门电极,然后采用光刻技术在SiO2上制备Au电极图案(作为源漏电极的引出).单壁碳纳米管经由1,2_二氯乙烷分散在SiO2表面,随后利用离子束技术沉积一层厚50 nm的Pt,一端连接单壁碳纳米管,另一端则连接作为引出用的Au电极.我们测量了沟道在500 nm)3Lm的多个样品,得到了相似的电学特性测量结果.在制备场效应管的过程中,利用扫描电子显微镜来表征单壁碳纳米管在SiO2上的分散,以选择合适的单壁碳纳米管来作为场效应管的沟道.由于扫描电子显微镜的分辨率限制,难以观察到单根单壁碳纳米管,使得在选择构建场效应管的单壁碳纳米管时无法利用单根的碳纳米管,只能选取由多根单壁碳纳米管的管束作为场效应管的输运沟道.在本中,测量的单壁碳纳米管束的直径大多在10 nm左右。基于掺氮多壁碳纳米管的n型场效应管的构建与p型碳纳米管场效应管的结构相似。

单个p型碳纳米管场效应管的开关电路:图7(a)是单个p型碳纳

米管场效应管的开关电路,电源电压为-5 V,偏置电阻为015 M8,取低电平为-5 V(逻辑1),高电平为0 V(逻辑0),p型场效应管由Pt作为源漏电极,单壁碳纳米管作为沟道,当输入电压Vin= -5 V(逻辑1)时,碳纳米管场效应管处于开启状态,器件的电阻远小于偏置电阻,因此电源电压降在偏置电阻上,输出电压为0 V(逻辑0);当输入电压Vin=0 V(逻辑0)时,场效应管处于截止状态,此时电源电压降在场效应管两端,输出电压为-5 V(逻辑1)。碳纳米管场效应管开关电路的电压传输特性曲线如图7(b)所示.

互补碳纳米管场效应管反相器：图8(a)是互补型碳纳米管场效应管反相器的电路示意图,由一个p型碳纳米管场效应管和一个n型碳纳米管场效应管组成,电源电压为-2 V,n型掺氮碳纳米管场效应管以Pt作为源漏电极,掺氮碳纳米管作为沟道,这两个碳纳米管场效应管在同一个硅片上得到.当输入电压Vin= -5 V时,p型碳纳米管场效应管开启,n型碳纳米管场效应管截止,输出电压为0 V;当输入电压

Vin=0 V时,n型碳纳米管场效应管开启,p型碳纳米管场效应管截止,因而输出电压为-2 V。图8(b)是实际测量的电压传输特性曲线。

2、基于碳纳米管的单电子晶体管[2]

解决传统硅基微电子学的瓶颈的未来出路之一就是单电子晶体管的应用。但是其极低的工作温度严重限制了广泛应用的可能性。科学家们利用弯曲的金属型碳纳米管表现出纳米尺寸的隧穿势垒现象,结合单电子晶体管的结构,将两个金属型碳纳米管的强烈弯曲处组合在一起从而形成一个单电子晶体管。2001年Postma等报道了这种工作在室温下的基于单个金属型碳纳米管分子的单电子晶体管。一根金属型碳纳米管生长在位于Si/SiO2衬底上的Au电极上,然后用AFM 的探针沿箭头方向拖动碳纳米管,使其产生两个强烈弯曲,它们之间一段长约25 nm的碳纳米管就形成了一个“库仑岛”。Bachtold等制作了以单壁碳纳米管为基础的场效应管演示逻辑电路,单壁碳纳米管构成的晶体管具有高增效、快速开关、室温可用等特性,而且局部门电路设计可集成多个装置到单个芯片上。Collins等讨论了碳纳米管及

碳纳米管集成电路的工程化问题,使碳纳米管在纳米电子器件应用方面又前进了一步。采用简单可靠的方法从多壁碳纳米管和单壁碳纳米管管束中选择单根碳纳米管,通过在碳纳米管两端施加电流使其从外向逐渐氧化,将多壁碳纳米管各层一步一步剥离并测定各层性质,进而选择具有所需要属性的单层,这一过程可从多壁碳纳米管的各层选择呈金属性或半导体性的单层,采用相似方法可从单壁碳纳米管管束中选择出半导体单壁碳纳米管组成纳米场效应晶体管阵列,构成集成电路。

单电子记忆:依据单电子晶体管/库仑岛0上存在或缺乏一个电子的状态变化,单电子晶体管可作高密度信息存储的记忆单元,成为未来数字电脑的标准部件。日本已研制出能在室温下工作的单电子存储器,它比现在最先进的16 MB的DRAM存储器存储容量增大1 000倍,达160亿位存储量,将来最终可增大到6万倍。

超敏感电流计:可对极微弱的电流进行测量,制成超高灵敏度的静电计。

微波探测:超导单电子晶体管在黑体辐射下,光子辅助隧穿会影响这个系统的电荷迁移。实验发现,只要有微量的微波辐射,器件的电

子性质会出现新的特性,出现隧穿电流峰,且其大小与被吸收微波的功率成正比。这种单电子晶体管对微波的敏感度比目前最好的辐射热器件要敏感100倍。所以,单电子晶体管在微波探测上的发展前景是十分可观的。[3]

3、碳纳米管在电磁屏蔽复合材料中的应用[4]

碳纳米管在电磁场的辐射下，原子和电子运动加速，增加了对电磁波的吸收性能，而且由于比表面积大，易于形成导电网络，大量地应用到电磁屏蔽涂料中。目前，在宏观量合成和纯化碳纳米管的技术日趋完备后，随着碳纳米管的量产已经开始了这方面的研究，国外已开发出含碳纳米管的电磁屏蔽涂料。中国科学院有机化学研究所纳米科学中心永成等也开展了碳纳米管在导电涂料中的应用研究。他们将碳纳米管用热的浓硝酸进行纯化和表面处理，再用球磨截断处理，然后与E-51环氧树脂混合，进行超声振荡制备了导电涂料。凌云等将碳纳米管经过超声处理和经过十八醇表面包覆改性处理后，填充到丙烯酸酯树脂中，制得一系列丙烯酸/碳纳米管电磁屏蔽涂料。由于碳纳米管表面缺陷少、又缺乏活性基团，因此表现出难溶性，再加上其不熔性使其很难直接进行加工，但是从结构上来看，由sp2碳原子组成的碳纳米管可以被视为线性富勒烯分子，每个碳原子的一个垂直于骨架平面的p轨道形成高度离域化的大π键，能与含有π电子的化合物通过π-π非共价键作用相结合，可以得到化学修饰的碳纳米管。吕满庚等将碳纳米管羧酸化和酰氯化，再通过乙二胺修饰碳纳米管，破坏碳纳米管之间的亲和力，有利于其在基体树脂中的分散；再通过溶剂溶解、超声波高速搅拌处理，使碳纳米管分散于基体树脂中，最后用芳香胺固化，就可得到碳纳米管，环氧树脂复合材料。黄德欢等通过对碳纳米管进行酸碱氧化处理来提高表面官能化的效率，降低碳纳米管的表面能，再添加到马来酸酐接枝聚丙烯中，经过熔融反应，制备了碳纳米管，聚丙烯复合材料。

4、碳纳米管在聚合物基吸波复合材料中的应用[5]

吸波材料是随着科学技术的发展及雷达电子探测技术的不断提高而研制出的反雷达材料，最先应用于军事"随着雷达探测技术的发展以及目标外形技术越来越受到战术技术指标的限制，原有的隐身

技术及吸波材料面临着很大的挑战，迫切需要开发新型吸波材料和相应的隐身技术"为适应现代高技术!立体化战争的需要，将纳米技术引入隐形材料的研究开发已受到世界各军事大国的高度重视"纳米吸波材料具有吸收强!频带兼容性好!质量轻!厚度薄!性能稳定等优点，是一类新型的吸波材料"。

碳纳米管属于一维纳米材料，纳米粒子的小尺寸效应!表面界面效应( 比表面积大) "量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等使其具有奇特的光!电!磁!声等性质，从而使得碳纳米管的性质不同于一般的宏观材料"纳米粒子尺度( 1-100nm) 远小于红外线(1-1000μm) 及雷达波( 属于厘米波或毫米波) 波长，因此纳米材料对红外及微波的吸收性较常规材料强"纳米材料具有比常规粗粉体材料大3~4个数量级的高比表面积，随着表面原子比例的升高，晶体缺陷增加!悬挂键增多，容易形成界面电极极化，高的比表面积又会造成多重散射，因此界面极化和多重散射成为重要的吸波机制"在原子排列较庞大的界面中及具有晶体畸变!空位等缺陷的纳米粒子部形成的固有电矩，在微波场的作用下，由于取向极化，提高了纳米粒子的介电损耗"量子尺寸效应使纳米粒子的电子能级由连续的能谱变为分裂的能级，分裂的能级间隔正处于与微波对应的能量围(10-2~10-5ev) ，从而导致新的吸波

效应"一般认为，纳米吸波材料对电磁波能量的吸收是由晶格电场热运动引起的电子散射，杂质和晶格缺陷引起的电子散射，以及电子与电子之间的相互作用等三种效应决定的"

碳纳米管具有特殊的螺旋结构和手征性，这也是碳纳米管吸收微波的重要机理"碳纳米管具有特殊的电磁效应，表现出较强的宽带吸收性能，而且具有比重小!高温抗氧化性!介电性能可调!稳定性好等优点"

5、碳纳米管作为超电容器电极材料

超电容器是一种能量存储装置。超电容器的综合性能比二次电池要好得多，如可大电流充放电，几乎不存在充放电过电压，循环寿命可达上万次，工作温度围宽等。超电容器在声频–视频设备、调谐器、机和传真机等通讯设备及各种家用电器中得到了广泛应用。作为超电容器的电极材料，要求材料结晶度高，导电性好，比表面积大，微孔大小集中在一定的围。而目前一般用多孔炭作电极材料，不但微孔分布宽(对存储能量有贡献的孔不到30％)，而且结晶度低，导电性差。碳纳米管比表面积大，结晶度高，导电性好，微孔大小可通过合成工艺加以控制，因而有可能成为一种理想的电极材料。美国Hyperion 催化国际报道，用催化裂解法制备的碳纳米管（管外径约8 nm）作为电极材料，以质量分数为38%的H2SO4为电解液，可获得大于113 F/g 的电容量，比目前多孔炭电容量高出 2 倍多。目前以碳纳米管为电极材料的超电容器，其质量比功率已超过8 000W／kg，使其有可能作为电动汽车的启动电源。

6、碳纳米管作为储氢材料

从90 年代起，许多发达都制定了系统的氢能研究计划，其短期目标是氢燃料电池汽车的商业化。现在利用氢能的障碍是氢气的规模化存储和运输。按 5 人座的轿车行驶500 km 计算，需要 3.1 kg 的氢气，以正常的油箱体积计算，氢气的存储密度应有 6.5%或62 kg/m3，目前的储氢材料都不能满足这一要求。碳纳米管由于其管道结构及多壁碳管之间的类石墨层空隙，使其成为最有潜力的储氢材料，并是当前研究的热点。1997 年，Dillon 等根据实验结果推

算出单壁碳纳米管储氢量在5%～10％的围；Ye 等的低温储氢实验表明80 K 下单壁碳纳米管的储氢容量可达8.25％；有人认为多壁碳纳米管储氢可达14%。目前，根据理论推算和近期反复验证，大家普遍认为碳纳米管可以储/放氢量在5%左右，是迄今为止最好的储氢材料。已经证实，碱金属嵌入碳纳米管会极提高其储氢性能。7、碳纳米管作为催化剂载体

纳米材料比表面积大，表面原子比率大(约占总原子数的50％)，使体系的电子结构和晶体结构明显改变，从而表现出特殊的电子效应和表面效应。如气体通过碳纳米管的扩散速度为通过常规催化剂颗粒的上千倍，担载催化剂后极提高了催化剂的活性和选择性。.碳纳米管作为纳米材料家族的新成员，以其特殊的结构和表面特性、优异的储氢能力和金属及半导体导电性，使其在加氢、脱氢和择型催化等反应中具有很大的应用潜力。碳纳米管一旦在催化上获得应用。[6] 三、结束

纳米材料以其特殊的尺寸效应产生的独特物理-化学性质成为当前研究的热点，各国科学家普遍认为纳米技术在新世纪将推动信息技术、医学、环境科学、自动化技术以及能源科学的发展，像抗生素、集成电路和人造聚合物在.20世纪发挥了重要作用一样，纳米技术在新世纪也将会给人类的生活带来深远的影响，它以其独特的性能和优良的应用前景必将会在微电子研究领域以及平板场致发射显示器等相关领域发挥巨大的作用。

[1] 萍剑文静琦锋吴锦雷-第56卷第2期2007年2月

1000-3290/2007/56(02)/1054-07物理学报

[2] 叶原丰王淮庆郝凌云第26卷第2期2010年6月金陵科技学院学报

[3] 杜晋军俊洪海丽振起2004年8月第15卷第4期装备指挥技术学院学

报

[4] 正涛肖玲高升满2008年7月第11卷第7期功能型涂料与涂装专刊

[5] 邱军王玉磊同济大学材料科学与工程学院，先进土木工程材料教育部重点

实验室，

[6] 邦朝金菊哲圣第5 期电子元件与材料2003 年5 月

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

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

碳纳米管科普

碳纳米管科普 骞伟中?
一 心细如发，发真得够细吗？?
中国有句谚语为＂心细如发＂，用来形容一个人的心思缜密，细微程度达 到了头发丝的尺寸。 在古人的眼里， 头发丝已经是非常细的东西的代表了。 或者， 人们形容薄时，爱用“薄如蝉翼” ，但蝉翼真得够薄吗？然而，大家知识头发丝 的直径或蝉翼的厚度是什么尺度的吗？仅仅是几十微米而已。 有没有比头发丝更 细的丝及比蝉翼更薄的纸吗？ 事实上还多得很。 比如铜丝，现代的加工技术可以将铜丝拉伸到小于 10 微米的级别。用于光 导通讯的玻璃纤维丝，也能达到这个级别。 而更绝的是，用激光刻蚀可以在硅片上刻出几十纳米（nm）的细槽，从而成 为现代超级计算机的基础。 但你可能更加想不到的是， 人类真得造出了直径仅 0.4‐1nm 的碳丝(图 1)， 而 且还是中空结构。这种材料与头发丝相比，直径小了 1 万倍。另外一种比喻可以 让你进一步想象 1nm 有多大，人的指甲的生长速度几乎是不为人察觉的。人一 般觉得指甲长了，总得一周左右 的时间。但即使这样，您的指甲 仍以每秒 1nm 的速度在不停地生 长。但由于一个分子的大小也就 在 0.3nm(如氢气分子)到 0.6 nm(如苯分子)，所以你可以想象 这种碳丝在本质上就是一种原子 线或分子线。但它的确构成了一 种长径比巨大的固体材料，成为 一种实物，而不再是无所束缚的， 到处乱跑的分子或原子。
图1 碳纳米管的三种卷曲结构 （从上而下的英文 字形结构；手性结构）?
armchair
zigzag
chiral
为：扶手椅式结构；Z

实际上， 这种神奇的材料的发现是基于非常偶然的机缘。 在 1985‐1990 年间， 科学家热衷于制造一种形状像足球的由 60 个碳组成的分子。这种分子通常是用 电弧放电，将石墨靶上的碳原子进行激发，然后进行自组装而得。而在偶然的机 缘里，科学家发现，只要能量足够，这些碳原子就会自动连接起来，形成一条碳 链。而利用放大倍数在 10 万倍至 100 万倍的电子显微镜下，科学家惊异地发现 这个丝状的材料竟然是中空的管状材料，所以，根据其元素，尺寸与形状，科学 家形象地称这种材料为“碳纳米管” 。应该说这种丝状材料与头发相比，才是真 正算得上细与小。当然如果说一个人“心细如碳纳米管” ，则恐怕不只是“心细 如发”的赞许与褒扬，而或许带有一种调侃或讽刺意味的“小心眼”了。由此可 见，社会科学中的词语包含了粗与细的平衡，什么事都得适可而止，非常玄妙。 然而，在追求真理与真知的“实心眼”科学家那里，却不是这样，自从 C60 与碳纳米管的发现，人类正式进行了纳米时代，可能大家都听过“纳米领带” ， “纳米洗衣机” 或 “纳米药物” 。 不论这些东西是否属实， 却毫无疑问地夸耀 “细” 与“小”的作用。 事实上，追求细小或细微或精细，是人类科技进步的一条主线。 从人类走过的路程可以看到，从旧石器时代，新石器时代，以及青铜时代， 铁器时代，到火车轮船时代，以及飞机及计算机时代。从手工打造，铸造，到普 通车床加工， 再到数字车床加工， 激光刻蚀。 比如， 普通汽车与拖拉机的发动机， 一般有成千至万个零件。而飞机或火箭的发动机则有上百万个零件组成。而保证 这个零件良好组合或密封，以及长时间工作不损伤的关键因素，就在加工结构的 精细化与细微化。一般来说，汽车与拖拉机对应的加工精度为微米级，而计算机 与手机等通讯产品中硅片的加工精度则为纳米级。人类加工的产品越来越精细， 也就越来越有功能。而到达纳米级后，计算机硅片的加工要求又从 100 nm，小 到 60?nm，直到目前的 15?nm。这些数字减小的后面，是一代一代计算机的更新 换代与巨大的产业价值。 而我们故事的主人公：碳纳米管，竟然可以小至 0.4‐1nm。大家可以想见， 如果计算机的加工基础可以小到这个程度，或由这么小的材料来组装器件，则现 代的工业革命又将会发生什么样的变化。 在此开篇，有必要向大家介绍一下时空的概念。在时间尺度上，生物的新陈

碳纳米管的结构_制备_物性和应用

第14卷　第2期邵阳高等专科学校学报Vol.14.No.2 2001年6月Journal of Shaoyang College J un.2001文章编号:1009-2439(2001)02-0081-10 碳纳米管的结构、制备、物性和应用 唐东升1　唐成名2　刘朝晖3　解思深1 (①中国科学院物理研究所与凝聚态中心,北京　100080) (②　邵阳高等专科学校,湖南邵阳　422004) (③　南华大学现代教育技术中心,湖南衡阳　430000) 摘要:综述了碳纳米管的研究进展,简单地介绍了单层碳纳米管和多层碳纳米管的基本形貌、结构及其表征,列举了几种主要的制备方法以及特点,介绍了碳纳米管优异的物理化学性质,以及在各个领域中潜在的应用前景. 关键词:碳纳米管;结构;制备;应用;透射电子显微镜;扫描电子显微镜 中图分类号:O469 文献标识码:A 碳是自然界中性质最为独特的一种元素,它通过不同的成键方式所形成结构和性质迥异的同素异形体(石墨和金刚石),在很久以前就被人类所认识:当碳原子与四个近邻原子以共价键结合(sp3杂化)时,形成各向同性坚硬的金刚石,而当碳原子在同一平面内与三个近邻原子以共价键结合而第四个价电子成为共有化电子(sp2杂化)时,形成各向异性柔软的石墨.以sp2杂化模式成键的石墨具有六角网格的层状结构,层内是通过强共价键相互作用,而层与层之间是通过弱范德瓦耳斯键相互作用.在常压下石墨一直到很高的温度仍是碳的热力学稳定的体相(金刚石仅仅是动力学稳定的体相).然而随着人类对物质世界的认识深入到介观层次(～100nm)时,这种古老的元素呈现出全新的结构和物性,比如当石墨微晶的尺寸很小(比如纳米量级)时,情况就和体相很不一样了,因为此时每个石墨微晶中只有有限数目的碳原子,具有悬挂键的碳原子的密度会很大,这时石墨的层状结构就会弯曲封闭,以至边缘的具有悬挂键的碳原子相互结合成键使得系统的能量最低.这种由石墨原于层弯曲构成的闭合的壳层结构就是我们所要讨论的富勒烯和碳纳米管. 1984年爱克森(Exxon)石油公司一个小组在研究碳团簇时得到了如下结论[1]对于1≤n≤30奇数与偶数的C n都是存在的;(2)对于20≤n≤90只有C2n形式存在.他们认为碳原子链可以达到24个原子.遗憾的是他们并没有对较大的团簇做进一步的研究.一年之后英国Sussex大学的克罗托教授到美国Rice大学与柯尔(R.F.Curl)和斯莫利(R.E.Smalley)进行合作研究.他们认为宇宙空间存在的反常红外吸收可能与空间存在的碳团簇有关.于是他们利用一台激光蒸发团簇束的实验设备来制备长链碳分子.在对合成的所谓长链碳分子进行测量时,出人意料的结果出现了,在碳原子簇的质谱图上质量数为720的地方存在一个强峰,其强度为其它峰强度的30倍[3].在对实验结果的反复论证和分析后,他们提出了由60个碳原子组成的具有类似于足球形状的截角二十面体的完美对称性结构.在这个结构中60个碳原子位于此截面体的60个顶点上.而32个面分别由20个六面体及12个五面体组成,五面体各不相邻.在此笼状结构中碳原子没有悬键,因而能量低结构稳定.各个原子成键情况完全相同.随后的一系列实验证实了这些设想.这样,在碳的家族中,又增加了新的一员-C60[2～5],三位教授因此获得了1996年诺贝尔化学奖. 此后两项工作引起了世界范围内研究富勒烯(C60)的热潮:(1)1990年,德国马普研究所的克莱希墨(W. Kratschmer)教授和美国亚历桑那大学的霍夫曼(D.R.Huffman)教授从石墨棒电弧放电产生的烟灰中分离出毫克级的C60,并得到了C60单晶[6].这一重大进展为进一步研究C60的性质和应用打下了坚实的基础.(2)海顿(R. C.Haddon)教授等人发现碱金属掺杂后形成的M3C60具有较高的超导转变温度(T c～33K)[7].于是大家纷纷用与克莱希墨类似的方法从放电烟灰中制备C60[8～12],并进行掺杂研究,但很少有人对放电过程中阴极上形成的沉积物产生兴趣.碳的管状物虽然早有报道,但由于管径较大没有受到人们的重视[13,14].日本NEC公司的饭岛(S.Iijima)教授是一名杰出的电镜专家,在对碳材料的研究方面具有相当丰富的经验[15].他第一个对石墨棒放电所形成的阴极沉积物仔细地进行了电镜研究,他发现有一种针状物,这种针状物的直径为4～30nm,长度约为 收稿日期:2001-01-15

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、

碳纳米管制备及其应用

碳纳米管的制备及其应用进展 10710030133 周健波 摘要：本文通过对新型化工材料碳纳米管的结构以及制备方法的介绍，并说明了制备纳米管方法有石墨电弧法、激光蒸发法、催化热解法等技术。同时也叙述了碳纳米管在力学性能、光学性能、电磁学性能等性能的研究及其应用。 关键词：碳纳米管制备结构石墨电弧法应用 1.引言 1991年日本科学家IIJI MA发现了碳纳米管（Carbon nanotube , CNT）, 开辟了碳科学发展的新空间. 碳纳米管具有机械强度高、比表面大、电导率高、界面效应强等特点,以及特殊的机械、物理、化学性能,在工程材料、催化、吸附分离、储能器件电极材料等诸多领域得到了广泛应用。 2.碳纳米管的结构 碳纳米管中碳原子以sp2杂化为主, 与相邻的3个碳原子相连,形成六角形网格结构,但此六角形网格结构会产生一定的弯曲, 可形成一定的sp3杂化键。 单壁碳纳米管( SW CNT )的直径在零点几纳米到几纳米之间,长度可达几十微米;多壁碳纳米管(MW CNT)的直径在几纳米到几十纳米之间长度可达几毫米,层与层之间保持固定的间距,与石墨的层间距相当,约为0 . 134 nm。碳纳米管同一层的碳管内原子间有很强的键合力和极高的同轴向性,可看作是轴向具有周期性的一维晶体，其晶体结构为密排六方, 被认为是理想的一维材料。 碳纳米管可看成是由石墨片层绕中心轴卷曲而成, 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角即螺旋角.当螺旋角为零时, 碳纳米管中的网格不产生螺旋而不具有手性, 称之为锯齿型碳纳米管或扶手型碳纳米管;当碳纳米管中的网格产生螺旋现象而具有手性时,称为螺旋型碳纳米管。随着直径与螺旋角的不同, 碳纳米管可表现出金属性或半导体性。 3.碳纳米管的制备方法 3.1石墨电弧法

碳纳米管的制备

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。 电弧放电法 碳纳米管制备 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：将石墨电极置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，可以调节几种产物的相对产量。使用这一方法制备碳纳米管技术上比较简单，但是生成的碳纳米管与C60等产物混杂在一起，很难 得到纯度较高的碳纳米管，并且得到的往往都是多层碳纳米管，而实际研究中人们往往需要的是单层的碳纳米管。此外该方法反应消耗能量太大。有些研究人员发现，如果采用熔融的氯化锂作为阳极，可以有效地降低反应中消耗的能量，产物纯化也比较容易。 发展出了化学气相沉积法，或称为碳氢气体热解法，在一定程度上克服了电弧放电法的缺陷。这种方法是让气态烃通过附着有催化剂微粒的模板，在800~1200度的条件下，气态 烃可以分解生成碳纳米管。这种方法突出的优点是残余反应物为气体，可以离开反应体系，得到纯度比较高的碳纳米管，同时温度亦不需要很高，相对而言节省了能量。但是制得 的碳纳米管管径不整齐，形状不规则，并且在制备过程中必须要用到催化剂。这种方法的主要研究方向是希望通过控制模板上催化剂的排列方式来控制生成的碳纳米管的结构，已经取得了一定进展。 激光烧蚀法 激光烧蚀法的具体过程是：在一长条石英管中间放置一根金属催化剂/石墨混合的石墨靶，该管则置于一加热炉内。当炉温升至一定温度时，将惰性气体冲入管内，并将一束激光聚焦于石墨靶上。在激光照射下生成气态碳，这些气态碳和催化剂粒子被气流从高温区带向低温区时，在催化剂的作用下生长成CNTs。 固相热解法

碳纳米管

碳纳米管“太空天梯” 未来的“太空天梯” 碳纳米管是由石墨分子单层绕同轴缠绕而成或由单层石墨圆筒沿同轴层层套构而成的管状物。其直径一般在一到几十个纳米之间，长度则远大于其直径。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，意外发现了这一特别的分子结构。 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。作为人类发现的力学性能最好的材料，碳纳米管有着极高的拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率。例如，碳纳米管的单位质量上的拉伸强度是钢铁的276倍，远远超过其他任何材料。 目前碳纳米管的研究现状 自从1991年碳纳米管被正式报道以来，为了提高其长度，全世界的碳纳米管研究者进行了大量艰辛的探索。然而一直到2009年，碳纳米管的最大长度只有18.5厘米，直到目前成功制备出单根长度达到半米以上的碳纳米管。这种有限的长度极大地限制了碳纳米管的实际应用。 碳纳米管的优点。 (1)界面层的存在和界面层厚度的增大均降低

碳纳米管和界面层的应力传递效率随长径比的变化了应力传递效率和纤维的饱和应力, 但同时增大了碳纳米管纤维的有效长度。所以界面层比较明显地承担了应力载荷, 则在碳纳米管复合材料中应该考虑界面层存在和界面层厚度的影响。 (2)碳纳米管的长径比只在较小时影响有效长度和应力传递效率。 长径比所影响的具体范围不同, 对碳纳米管有效长度为小于50 , 而对于应力传递效率则小于10 。 (3)碳纳米管的应力传递效率要远比界面层的应力传递效率大。 在碳纳米管复合材料中虽应要考虑界面层的影响, 但应力载荷的最主要承担者仍是碳纳米管纤维。对碳纳米管复合材料的应力场、纤维的饱和应力和应力传递效率以及有效长度的分析, 为碳纳米管复合材料力学性能的分析、结构优化和功能化设计以及寿命预测等做好必要的准备。 碳纳米管的缺点 （1）如何实现高质量碳纳米管的连续批量工业化生产。 碳纳米管的制备现状大致是：MWNTs能较大量生产，SWNTs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。 （2）有限的长度极大地限制了碳纳米管的实际应用。 提高了碳纳米管的长度，唯一的途径就是尽可能地提高其催化剂活性概率。对于碳纳米管的生长而言，在其生长过程中催化剂失活从而使其停止生长是一个不可逆转的规律，从而造成了超长碳纳米管很难达到很长的长度，并且也使其单位宽度上的生长密度急剧下降。 (3) 对人体的毒害作用 碳纳米管对人体存在一定的毒性作用，目前研究主要集中在肺脏毒性和细胞毒性，表现为可引起肺脏炎症、肉芽肿和细胞凋亡、活力下降、细胞周期改变等。其毒力大小与碳纳米管的特性有关，如结构、长度、表面积、制备方法、浓度、

碳纳米管的制备方法

碳纳米管的制备方法 摘要：本文简单介绍了碳纳米管的结构性能，主要介绍碳纳米管的制备方 法， 包括石墨电弧法、催化裂解法，激光蒸发法等方法,也对各种制备方法的优缺 点进行 了阐述。 关键词：碳纳米管制备方法 Preparation of carbon nanotubes Abstract： The structure and performance of carbon nanotubes are briefly introduced, and some synthesis methods, including graphite arc discharge method, catalytic cracking method, laser evaporation method and so on, are reviewed. And the advantages and disadvantages of various preparation methods are also described. Key words：carbon nanotubes methods of preparation 纳米材料被誉为是21世纪最重要材料，是构成未来智能社会的四大支柱之一 ,而碳纳米管是纳米材料中最富有代表性，并且是性能最优异的材料。碳纳米管是碳 的一种同素异形体，它包涵了大多数物质的性质，甚至是两种相对立的性质，如从高 硬度到高韧性，从全吸光到全透光、从绝热到良导热、绝缘体/半导体/高导体和高临界温度的超导体等。正是由于碳纳米材料具有这些奇异的特性，被发现的短短十几年

来，已经广泛影响了物理、化学、材料等众多科学领域并显示出巨大的潜在应用前景。 碳纳米管又名巴基管，即管状的纳米级石墨晶体。它具有典型的层状中空结构， 构成碳纳米管的层片之间存在一定夹角，管身是准圆筒结构，并且大多数由五边形截 面组成，端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构。是一种具有特殊结构（径向 尺寸为纳米量级、轴向尺寸为微米两级，管子两端基本上都封口）的一维纳米材料。 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。单层碳纳米管结构模型如图1所示。理想的多层碳纳米管可看成多个直径不等的单层管同轴套构而成，层数可以从二层到几十层，层与层之间保持固定距离约为0.34nm，直径一般为2~20nm.但实际制备的碳纳米管并不完全是直的或直径均匀的，而是局部 1 区域出现凸凹弯曲现象，有时会出现各种形状如L、T、Y形管等。研究认为所有这 些形状的出现是由于碳六边形网络中引入五边形和七边形缺陷所致。五边形的引入引 起正弯曲，七边形的引入引起负弯曲。

碳纳米管的制备工艺与生长机理_朱宝华

?建筑材料及应用? 文章编号:100926825(2007)3320174202 碳纳米管的制备工艺与生长机理 收稿日期:2007206219 作者简介:朱宝华(19772),男,重庆交通大学硕士研究生,重庆　400074 朱宝华 摘　要:针对碳纳米管的独特结构和性能,介绍了电弧法、激光蒸发法和化学气相沉积法三种制备碳纳米管的方法,并建 立不同的物理模型,详细阐述了以上三种方法的生长机理,为研究碳纳米管技术提供了参考借鉴。关键词:碳纳米管,生长机理,制备工艺中图分类号:TU551文献标识码:A 碳纳米管(简称CN Ts )自1991年由Iijima 发现以来,立即受 到全球科学家的关注,很快就变成研究最多的纳米材料。碳纳米管分为单壁和多壁两种,由于多壁碳纳米管结构的复杂性,单壁碳纳米管作为理论计算的研究对象,根据形成碳纳米管的石墨面的卷曲方式,它可以分为非螺旋型和螺旋型两类,对于非螺旋型结构,管壁上原子六元环碳链的排列方向平行于管轴时为“椅式”结构,而当其排列方向垂直于管轴则为“齿式”结构。实际上对于大多数碳纳米管而言,管壁上任何碳原子六元环链的排列方向大都既不平行也不垂直于碳纳米管的轴线方向,而是相对于碳纳米管的轴线方向具有一定的螺旋角,碳六元环以这样的方式排列形成的纳米管就是螺旋型的碳纳米管。螺旋型的碳纳米管具有手性的区别,因此也被称为具有“手性”结构的碳纳米管。 碳纳米管的管状结构和较大长度直径比,使其成为理想的和有前途的准一维材料,而且理论预言这种纯碳分子所构成的直径最细、结构多变的纳米管具有很多奇异的性质,必将在纳米材料科学、分子电子器件及纳米生命科学中发挥重要作用。 1　单壁碳纳米管的制备1.1　电弧法 电弧是一种气体放电现象,当电极两端的电流功率较大时, 电极间的气体被击穿,产生几千度甚至上万度的高压,电能在瞬间转化为光能和热能。将石墨棒作阳极插入反应室,与室内已装有的石墨棒(或短铜棒)阴极接触产生电弧后,在电弧区生成的碳纳米管落下,沉积在筒的底部,反应室内充满液氮。此法的突出优点在于液氮提供保护性气氛及缓冲气源,使得产物在惰性气氛下易保存输运,避免了复杂的真空密封装置。1993年,S ?Iijima 等人就是首次用此方法成功合成单壁碳纳米管。 1.2　激光蒸发法 激光蒸发法制备单壁碳纳米管是将一根金属催化剂和石墨混合的石墨靶放置于一长形石英管中间,该管则置于一加热炉内。当炉温升到1473K 时,将惰性气体充入管内,并将一束激光聚焦于石墨靶上。石墨靶在激光照射下将生成气态碳,这些气态碳和 4　混凝土的早期养护 实践证明,混凝土常见的裂缝,大多数是不同深度的表面裂缝,其主要原因是温度梯度造成寒冷地区的温度骤降也容易形成裂缝。因此说混凝土的保温对防止表面早期裂缝尤其重要。 从温度应力观点出发,保温应达到下述要求:1)防止混凝土内外温度差及混凝土表面梯度,防止表面裂缝。2)防止混凝土超冷,应该尽量设法使混凝土的施工期最低温度不低于混凝土使用期的稳定温度。3)防止旧混凝土过冷,以减少新旧混凝土间的约束。 混凝土的早期养护,主要目的在于保持适宜的温湿条件,以达到两个方面的效果:a.使混凝土免受不利温、湿度变形的侵袭,防止有害的冷缩和干缩。b.使水泥水化作用顺利进行,以期达到设计的强度和抗裂能力。 适宜的温湿度条件是相互关联的。混凝土的保温措施常常也有保湿的效果。 从理论上分析,新浇混凝土中所含水分完全可以满足水泥水 化热的要求而有余。但由于蒸发等原因常引起水分损失,从而推迟或防碍水泥的水化,表面混凝土最容易而且直接受到这种不利影响。因此混凝土浇筑后的最初几天是养护的关键时期,在施工过程中应切实重视起来。 5　结语 以上对混凝土的施工温度与裂缝之间的关系进行了理论和实践上的初步探讨,虽然学术界对于混凝土裂缝的成因和计算方法有不同的理论,但对于具体的预防和改善措施意见还是比较统一,同时在实践中的应用效果也是比较好的。在施工中要靠多观察、多比较,出现问题后多分析、多总结,结合多种预防处理措施,混凝土的裂缝是完全可以避免的。参考文献: [1]李惠强.高层建筑施工技术[M ].北京:机械工业出版社, 2005.5. [2]赵建光.浅谈施工质量管理的若干要素[J ].建筑学报,2004 (2):31233. R easons of temperature and cracks during construction of pouring concrete L I Feng 2jun JIANG Chu ang 2feng CHENG Xia Abstract :It analyzes the reasons of cracks in pouring concrete.Through analysis of temperature stress ,it brings forward some measures of controlling temperature and protecting cracks ,and elaborates the early maintaining of concrete ,s o as to av oid the happening of concrete cracks.K ey w ords :pouring concrete ,temperature cracks ,early maintaining ,temperature stress ? 471?第33卷第33期2007年11月 山西建筑SHANXI ARCHITECTURE Vol.33No.33Nov.　2007

碳纳米管的研究进展

碳纳米管制备方法的研究进展 碳纳米管是一种具有独特结构的一维量子材料，由石墨碳原子层卷曲而成。由于拥有潜在的优越性能，碳纳米管无论在物理、化学还是在材料学领域都将有重大发展前景。近年来，美国、日本、德国和中国等国家相继成立了纳米材料研究机构，碳纳米管的研究进展随之加快，并在制备方面取得了突破性进展。 1.电弧法 石墨电弧法是最早的、最典型的碳纳米管合成方法。其原理为电弧室充惰性气体保护，两石墨棒电极靠近，拉起电弧，再拉开，以保持电弧稳定【1】。放电过程中阳极温度相对阴极较高，所以阳极石墨棒不断被消耗，同时在石墨阴极上沉积出含有碳纳米管的产物【2】.。由于电弧放电剧烈，难以控制进程和产物，合成物中有碳纳米颗粒、无定形炭或石墨碎片等杂质，杂质很难分离。所以研究者在优化电弧法制取碳纳米管方面做了大量的工作。为减少相互缠绕的碳纳米管在阴极上的烧结，D.T.Collbert【3】将将石墨阴极与水冷铜阴极座连接，大大减少了碳纳米管的缺陷。C.Journet【2】等在阳极中填入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。 2.催化裂解法。 催化裂解法亦称为化学气相沉积法，其原理是通过烃类或含碳氧化物在催化剂的催化下裂解而成【4】。目前对化学气相沉积法制备碳纳米管的研究表明，选择合适的催化剂、碳源以及反应温度十分关键。K.Hernadi等【5】发现碳源的催化活化顺序为：乙炔＞丙酮＞乙烯＞正茂烷＞丙烯≥甲醇=甲苯≥甲烷。 Ren[6]等在666℃条件下,在玻璃上通过等频磁控管喷镀法镀上厚度为40nm的金属镍,以 乙炔气体作为碳源,氨气作为催化剂,采用等离子体热流体化学蒸气分解沉积法,得到了在镀有镍层的玻璃上排列整齐的阵列式碳纳米管管束。此种方法生长的碳纳米管不会缠绕在一起, 易于分散。 近年来,有些研究组鉴于碳纳米管制备方法的不连续性,进行了连续制备碳纳米管的研究, 在催化裂解方法的基础上改进,得到一种新方法,即催化裂解无基体法。此种方法与原有的有机物催化裂解法的主要区别是没有催化剂载体以及催化剂的制备工艺,催化剂前驱体(二茂 铁等)在载气的带动下进入反应炉;产品能够连续取出,为连续制备创造了实验条件;配有气 体涡流装置。该方法可连续制备碳纳米管,而且制备出的碳纳米管质量较好,管径可得到有效控制,多是直管且平行成束,催化剂颗粒及其它杂质较少。 3.激光蒸发法 其原理是利用激光束照射至含有金属的石墨靶上,将其蒸发,同时结合一定的反应气体,在基底和反应腔壁上沉积出碳纳米管。Smalley【7】等制备C60时,在电极中加入一定量的催化剂,得到了单壁碳纳米管。Thess【8】等改进实验条件,采用该方法首次得到相对较大数量的单壁碳纳米管。实验在1 473 K条件下,采用50ns的双脉冲激光照射含Ni/Co催化剂颗粒的石墨靶,获得高质量的单壁碳纳米管管束。这种方法易于连续生产,但制备出的碳纳米管的纯度低,易缠结,且需要昂贵的激光器,耗费大。 4.低温固态热解法 低温固态热解法是通过制备中间体来生产碳纳米管的。首先制备出亚稳定状态的纳米级氮化碳硅(Si-C-N)陶瓷中间体,然后将此纳米陶瓷中间体放在氮化硼坩埚中,在石墨电阻炉 中加热分解,同时通入氮气作为保护性气体,大约加热1h左右,纳米中间体粉末开始热解碳原

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