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《碳納米管及其在未來材料領(lǐng)域中的潛在應用》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在應用文檔-天天文庫。
1、普通化學論文碳納米管及其在未來材料領(lǐng)域中的潛在應用徐新宇王一杰陳錕段昊泓北京大學化學與分子工程學院05級摘要：碳納米管自發(fā)現(xiàn)以來，由于其獨特的結(jié)構(gòu)特征，使其具有獨特的物理、化學性質(zhì)和廣泛的應用前景。本文首先簡述碳納米管的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展歷史，碳納米管的結(jié)構(gòu)和制備，然后闡述單壁碳納米管的物理、化學性能和及其應用的最新進展，并且初步探討了碳納米管在電磁學方面的潛在應用前景。關(guān)鍵詞：碳納米管，結(jié)構(gòu)，單壁碳納米管，應用，微型發(fā)電機1．引言[1][2]繼C60在1985年被Smalley等人發(fā)現(xiàn)及1990年實現(xiàn)批量制備以來,
2、對C60的結(jié)構(gòu)和各方面性能的研究也逐漸開展起來。正是基于對C60的研究工作的深入展開，在1991年，日本NEC公司基礎(chǔ)研究實驗室的電子顯微鏡專家Iijima在高分辨透射電子顯微鏡下檢驗石墨電弧設(shè)備中產(chǎn)生的球狀碳分子時，意外發(fā)現(xiàn)[3]了由管狀的同軸納米管組成的碳分子,這就是現(xiàn)在被稱作的“Carbonnanotube”,中文譯名為“碳納米管”。2．碳納米管的結(jié)構(gòu)碳納米管是富勒碳家族的一個重要成員，是晶體碳的另一種同素異形體。從富勒碳、碳納米管到石墨，再到金剛石，晶形碳的結(jié)構(gòu)日趨完美（從零維到三維）。在碳納米管被發(fā)
3、現(xiàn)之前，在晶形碳的同素異形體中，石墨是二維的（面），金剛石是三維的（體），C60是零維的（點），如圖所示。人們自然會聯(lián)想到，是不是還存在一維的晶形碳結(jié)構(gòu)呢？自1991年Iijima發(fā)現(xiàn)了碳納米管后，這個問[4]題最終有了答案。1普通化學論文圖1富勒碳圖2碳納米管圖3石墨圖4金剛石2．1一維納米線顧名思義，碳納米管的直徑必然在納米級。一般單壁碳納米管的直徑在0.4—2nm，多壁碳納米管的直徑也不超過50nm，長度則可達數(shù)微米至數(shù)毫米，[5]因而具有很大的長徑比，是準一維的量子線。2．2碳納米管的微觀結(jié)構(gòu)碳納米管
4、可看作是由石墨烯層片卷成、直徑為納米尺度的圓桶，其兩端由富[6]勒烯半球封帽而成。另一方面，碳納米管可以想象為由C60或其他富勒碳分子拉長而成，封口的碳納米管兩端都是半籠形結(jié)構(gòu)，為相應富勒碳球形分子的一[4]半。[4]2．2．1多壁、中空與螺旋特征碳納米管具有典型的層狀中空結(jié)構(gòu)特征。構(gòu)成碳納米管的層片之間存在一定的夾角。采用拓撲學方法將管展開平鋪，顯示出其螺旋特征，這與普通晶體的螺旋生長特征相吻合。2．2．2六邊形碳環(huán)結(jié)構(gòu)與多邊形管狀特征碳納米管的管身是準圓管結(jié)構(gòu)，并且大多數(shù)由五邊形截面所組成。管身由六邊形碳
5、環(huán)微結(jié)構(gòu)單元組成。2普通化學論文2．2．3端帽部分由含五邊形的碳環(huán)組成的多邊形結(jié)構(gòu)，或者稱為多邊錐形多壁結(jié)構(gòu)。[4]3．碳納米管的分類3．1按形態(tài)分類[7]碳納米管形態(tài)各異。根據(jù)Osawa等人所繪制的碳納米管形態(tài)圖，可以將碳納米管分為普通封口型、變徑型、洋蔥型、海膽型等多種形態(tài)。3．2按層數(shù)分類按碳納米管的層數(shù)分類，碳納米管可以分為單壁碳納米管和多壁碳納米管。3．3其他分類標準還可以按手性分類，按定向性分類，按導電性分類。[8]4．單壁碳納米管的制備4．1電弧法這是制備單壁碳納米管的傳統(tǒng)方法。在真空室中充入一
6、定量的惰性氣體，用填充有鐵或鈷作為催化劑的較細的石墨棒作為陽極，而較粗的石墨棒作為陰極。通過石墨電弧法進行反應，在容器內(nèi)壁上得到富含單壁碳納米管的碳灰，經(jīng)提純，可以得到單壁碳納米管。圖5石墨電弧法工藝裝置3普通化學論文4．2激光蒸發(fā)法激光蒸發(fā)法是在高溫電阻爐中，由激光束蒸發(fā)石墨靶，采用鈷及硫或Al2O3載Mo或La等催化劑，反應得到繩索狀的直徑均勻的單壁碳納米管，又稱為激光燒灼法。4．3化學氣相沉積法化學氣相沉積法是在制備碳纖維的基礎(chǔ)上制備單壁碳納米管的。在制備中，常采用浮動裂解法，在1100—1200℃的溫
7、度范圍內(nèi)，以二茂鐵為催化劑，通過其引入量來控制催化劑顆粒的大小和碳氫比。以苯為碳源，添加適量的噻吩可以制得碳納米管。圖6化學氣相沉積法制備碳納米管裝置圖5．碳納米管的性能及其應用5．1碳納米管的力學性能5．1．1碳納米管的力學特性碳原子之間通過較強的共價鍵結(jié)合，碳原子最外層的4個電子通過sp2雜化，產(chǎn)生3個能級相同的軌道與其他碳原子形成結(jié)合力較強的σ鍵。另外一個電子也[4]可以和其他碳原子形成∏鍵。σ鍵使碳納米管形成獨特、穩(wěn)定的微觀管狀結(jié)構(gòu)4普通化學論文錯誤！未定義書簽。2圖7碳原子成鍵的sp雜化軌道碳納米管
8、的彈性模量與金剛石的基本相同，為已知的最高材料模量，約為鋼的5倍；其彈性應變最高可達12%，約為鋼的60倍而密度僅為鋼的幾分之一。以色列和美國的材料學家發(fā)現(xiàn)，碳納米管的強度大約比其他纖維的強度高200[9]倍，可以經(jīng)受約100萬個大氣壓的壓力而不破裂。5．1．2碳納米管的力學方面的應用現(xiàn)狀和未來[10]5．1．2．1納米秤在納米機械方面，已經(jīng)制成了納米秤。納米秤與懸掛的鐘擺相似，通過測量其振動頻率，
