碳納米管結(jié)構(gòu) 碳納米管材料結(jié)構(gòu)與性能的研究

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1、碳納米管結(jié)構(gòu)碳納米管材料結(jié)構(gòu)與性能的研究13碳納米管結(jié)構(gòu)碳納米管材料結(jié)構(gòu)與性能的研究13碳納米管結(jié)構(gòu)碳納米管材料結(jié)構(gòu)與性能的研究13碳納米管結(jié)構(gòu)碳納米管材料結(jié)構(gòu)與性能的研究13碳納米管結(jié)構(gòu)碳納米管材料結(jié)構(gòu)與性能的研究13碳納米管材料結(jié)構(gòu)與性能的研究中文摘要英文摘要關(guān)鍵詞緒論研究背景碳納米管是20世紀(jì)90年代發(fā)現(xiàn)的一種碳材料的一維形式，具有優(yōu)良的物理化學(xué)性能。納米材料由于其尺寸處在原子簇和宏觀物體交界的過(guò)渡區(qū)域，具有量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等特性，展現(xiàn)出獨(dú)特的電學(xué)、光學(xué)和機(jī)械特性，碳納米管在物理、化學(xué)、信息技術(shù)、環(huán)境科學(xué)、材料科學(xué)、能源技術(shù)、生

2、命及醫(yī)學(xué)科學(xué)等領(lǐng)域均具有廣闊的應(yīng)用前景。正是由于碳納米管這種潛在的價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景，使有關(guān)碳納米管材料的研究成為最受關(guān)注的研究領(lǐng)域之一。納米材料這一概念形成以后，世界各國(guó)都給予了極大關(guān)注，它所具有的獨(dú)特性質(zhì)，給物理、化學(xué)、材料、生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域的研究帶來(lái)了新的機(jī)遇。碳納米管材料的分類碳納米管可以看做是石墨烯片層卷曲而成，因此按照石墨烯片的層數(shù)可分為：?jiǎn)伪谔技{米管（或稱單層碳納米管，Single-walledCarbonnanotubes,SWCNTs）和多壁碳納米管（或多層碳納米管，Multi-walledCarbonnanotubes,MWCNTs）。碳納米管依其

3、結(jié)構(gòu)特征可以分為三種類型：扶手椅形納米管（armchairform），鋸齒形納米管（zigzagform）和手性納米管（chiralform）。碳納米管的手性指數(shù)（n，m）與其螺旋度和電學(xué)性能等有直接關(guān)系，習(xí)慣上n>=m。當(dāng)n=m時(shí)，碳納米管稱為扶手椅形納米管，手性角（螺旋角）為30o；當(dāng)n>m=0時(shí)，碳納米管稱為鋸齒形納米管，手性角（螺旋角）為0o；當(dāng)n>m≠0時(shí)，將其稱為手性碳納米管。13根據(jù)碳納米管的導(dǎo)電性質(zhì)可以將其分為金屬型碳納米管和半導(dǎo)體型碳納米管：當(dāng)n-m=3k(k為整數(shù))時(shí)，碳納米管為金屬型；當(dāng)n-m=3k±1，碳納米管為半導(dǎo)體型。按照是否含有管壁缺陷可以

4、分為：完善碳納米管和含缺陷碳納米管。按照外形的均勻性和整體形態(tài)，可分為：直管型，碳納米管束，Y型，蛇型等。碳納米管的制備電弧法石墨電弧法是最早的、最典型的碳納米管合成方法。其原理為電弧室充惰性氣體保護(hù)，兩石墨棒電極靠近，拉起電弧，再拉開(kāi)，以保持電弧穩(wěn)定。放電過(guò)程中陽(yáng)極溫度相對(duì)陰極較高，所以陽(yáng)極石墨棒不斷被消耗，同時(shí)在石墨陰極上沉積出含有碳納米管的產(chǎn)物。這種方法具有簡(jiǎn)單快速的特點(diǎn)，碳納米管能夠最大程度地石墨化，管缺陷少。但存在的缺點(diǎn)是：電弧放電劇烈，難以控制進(jìn)程和產(chǎn)物，合成物中有碳納米顆粒、無(wú)定形炭或石墨碎片等雜質(zhì)，雜質(zhì)很難分離。經(jīng)過(guò)多年研究，科研工作者對(duì)該方法進(jìn)行了改進(jìn)

5、，如Takizawa等人利用電弧放電法，通過(guò)改變催化劑鎳和釔的比例，實(shí)現(xiàn)了控制產(chǎn)物直徑分布的目的。Colbert等人將一般陰極(大石墨電極)改成一個(gè)可以冷卻的銅電極，再在上面接石墨電極，這樣產(chǎn)物的形貌和結(jié)構(gòu)大為改觀，使電弧法再次煥發(fā)了青春。催化裂解法催化裂解法亦稱為化學(xué)氣相沉積法，通過(guò)烴類或含碳氧化物在催化劑的催化下裂解而成。其基本原理為將有機(jī)氣體(如乙炔、乙烯等)混以一定比例的氮?dú)庾鳛閴褐茪怏w，通入事先除去氧的石英管中，在一定的溫度下，在催化劑表面裂解形成碳源，碳源通過(guò)催化劑擴(kuò)散，在催化劑后表面長(zhǎng)出碳納米管，同時(shí)推著小的催化劑顆粒前移。直到催化劑顆粒全部被石墨層包覆，

6、碳納米管生長(zhǎng)結(jié)束。該方法的優(yōu)點(diǎn)是：反應(yīng)過(guò)程易于控制，設(shè)備簡(jiǎn)單，原料成本低，可大規(guī)模生產(chǎn)，產(chǎn)率高等。缺點(diǎn)是：反應(yīng)溫度低，碳納米管層數(shù)多，石墨化程度較差，存在較多的結(jié)晶缺陷，對(duì)碳納米管的力學(xué)性能及物理化學(xué)性能會(huì)有不良的影響。離子或激光蒸發(fā)法1996年，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者之一的Smally研究小組首次利用激光蒸發(fā)法合成了納米碳管。此后，激光蒸發(fā)法成為制備單壁碳納米管的有效方法之一。此法在氬氣氣流中，用雙脈沖激光蒸發(fā)含有Fe／Ni(或Co／Ni)的碳靶方法制備出直徑分布范罔在0．81—1．5113nnl的單壁碳納米管。該法制備的碳納米管純度達(dá)70％～90％，基本不需要純化，但其

7、設(shè)備復(fù)雜、能耗大、投資成本高。其他合成方法近幾年來(lái)，科研工作者在改進(jìn)傳統(tǒng)制備技術(shù)的同時(shí)，探索和研究出了一系列新型碳納米名人堂：眾名人帶你感受他們的驅(qū)動(dòng)人生馬云任志強(qiáng)李嘉誠(chéng)柳傳志史玉柱管的制備技術(shù)，其中有水熱法、火焰法、超臨界流體技術(shù)、水中電弧法、固相熱解法、太陽(yáng)能法等。較典型的如：1996年Yamamoto等人在高真空(5.33×10-3Pa)下通過(guò)氬離子束對(duì)非晶碳進(jìn)行輻射的方法獲得了較純的納米碳管。Chemozatonskii等人通過(guò)電子束蒸發(fā)涂覆在Si基體上的石墨的方法制備了規(guī)則排列的納米碳管。Feldman等人利用電解堿金屬鹵化物的