碳納米管綜述

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1、碳納米管綜述摘要：木文主要介紹碳納米管的發(fā)現(xiàn)及發(fā)展過程，并說明碳納米管的制備方法及其制備技術(shù)。同時(shí)也敘述碳納米管的各種性能與應(yīng)用。引言：在1991年閂本NEC公司基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室的電子顯微鏡專家飯島在高分辨透射電子顯微鏡下檢驗(yàn)石墨電弧設(shè)備中產(chǎn)生的球狀碳分子時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)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”，即碳納米管，又名巴基管。正文：碳納米管的制備：碳納米管的合成技術(shù)主要有：電弧法、激光燒蝕（蒸發(fā)）法、催化裂解或催化化學(xué)氣相沉積法（CCVD,以及在各種合成技術(shù)基礎(chǔ)上產(chǎn)生

2、的定向控制生長法等。電弧法利用石墨電極放電獲得碳納米管是各種合成技術(shù)中研究得最早的一種。研究者在優(yōu)化電弧放電法制取碳納米管方面做了大量的工作。T.W.Ebbeseo［2］在He保護(hù)介質(zhì)中石墨電弧放電，首次使碳納米管的合成達(dá)到了克量級(jí)。為減少相互纏繞的碳納米管在陰極上的燒結(jié)，D.T.Collbert［3］將石墨陰極與水冷銅陰極座連接，大大減少丫碳納米管缺陷。C.Joumet［4］等在陽極中填人石墨粉末和銥的混合物，實(shí)現(xiàn)了SWNTs的大量制備。研究發(fā)現(xiàn)，鐵組金屬、一些稀土金屌和鉑族元素或以單個(gè)金屌或以二金屌混合物均能催

3、化SWNTs合成。近年來，人們除通過調(diào)節(jié)電流、電壓，改變氣壓及流速，改變電極組成，改進(jìn)電極進(jìn)給方式等優(yōu)化電弧放電工藝外，還通過改變打弧介質(zhì)，簡化電弧裝置。綜上所述，電弧法在制備碳納米管的過程中通過改變電弧放電條件、催化劑、電極尺寸、進(jìn)料方式、極間距離以及原料種類等手段而日漸成熟。電弧法得到的碳納米管形直，壁簿（多壁甚至單壁）.但產(chǎn)率偏低，電弧放電過程難以控制，制備成本偏高其工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)還需探索。催化裂解法或催化化學(xué)氣相沉積法（CCVD）催化裂解法是目前應(yīng)用較為廣泛的一種制備碳納米管的方法。該方法主要采用過渡金屌作

4、催化劑，適于碳納米管的大規(guī)模制備，產(chǎn)物中的碳納米管含量較高,但碳納米管的缺陷較多。催化裂解法制備碳納米管所需的設(shè)備和工藝都比較簡單，關(guān)鍵是催化劑的制備和分散。FI前用催化裂解法制備碳納米管的研宂主要集屮在以下兩個(gè)方面.?大規(guī)模制備無序的、非定向的碳納米管;制備離散分布、定向排列的碳納米管列陣。一般選用Fe，Co、Ni及其合金作催化劑，粘土、二氧化硅、硅藻土、氧化鋁及氧化鎂等作載體，乙炔、丙烯及甲烷等作碳源，氫氣、氮?dú)?、氦氣、氬氣或氨氣作稀釋氣，?30°C?113（TC范圍內(nèi)，碳?xì)浠衔锪呀猱a(chǎn)生的自由碳離子在催化劑

5、作用卜可生成單壁或多壁碳納米管。1993年Yacaman等人［5］采用此方法，用Fe催化裂解乙炔，在770"C下合成了多壁碳納米管，后來分別采用乙烯、聚乙烯、內(nèi)烯和甲烷等作為碳源，也都取得了成功。為使碳離子均勻分布，科研人員還用等離子加強(qiáng)或微波催化裂解氣相沉積法制備碳納米管。激光蒸發(fā)法激光蒸發(fā)法是制備單壁碳納米管的一種有效方法。用高能C02激光或Nd/YAG激光蒸發(fā)摻有Fe、Co、Ni或其合金的碳靶制備單壁碳納米管和單壁碳納米管朿，管徑可由激光脈沖來控制。Iijima[6]等人發(fā)現(xiàn)激光脈沖間隔時(shí)間越短，得到的單壁碳

6、納米管產(chǎn)率越高，而單壁碳納米管的結(jié)構(gòu)并不受脈沖間隔吋間的影響。用CO2激光蒸發(fā)法，在室溫不可獲得單壁碳納米管，若采用快速成像技術(shù)和發(fā)射光譜可觀察到氬氣中蒸發(fā)煙流和含碳碎片的形貌，這一診斷技術(shù)使跟蹤研宄單壁碳納米管的生長過程成為可能。激光蒸發(fā)（燒蝕）法的主要缺點(diǎn)是單壁碳納米管的純度較低、易纏結(jié)。定向生長法定向生長首先是特定制作基底模板之上的生長，模板的制作是決定生成的產(chǎn)物是否定向的關(guān)鍵。模板可通過掩膜技術(shù)、電鍍技術(shù)、化學(xué)刻蝕、表面包覆、溶膠一凝膠、微印刷術(shù)等技術(shù)，使金屬或含金屬的催化劑沉積于一定的基底上制得。利用催化

7、熱解或各種CCVD技術(shù)等可實(shí)現(xiàn)碳納米管在模板上的有序生長。己報(bào)道的制備方法中，以孔型硅或孔型A12O3為模板，通過CCVD合成定向碳納米管的方法居多。定向生長法制出的碳納米管準(zhǔn)直、均勻性好、石墨化程度高、碳納米管相互平行排列不纏繞缺陷相對(duì)少，但制作模板和催化劑需冗長且繁雜的工藝過程，其操作和設(shè)備要求比較苛刻，因此規(guī)模受限。最近文獻(xiàn)報(bào)道顯示，一定條件下通過浮游催化亦可實(shí)現(xiàn)碳納米管定向生長。這無疑是定向生長值得探究的方向。上述各種合成方法各有特點(diǎn)，電弧法得到的碳納米管形直壁薄，長度較短，但電弧反應(yīng)難于控制，不利于工業(yè)化

8、規(guī)模生產(chǎn)。激光燒蝕法得到的碳納米管雜質(zhì)較少，易于提純，但需要復(fù)雜昂貴的設(shè)備，能耗大、產(chǎn)量小，限制了它的廣泛應(yīng)用。CCVD設(shè)備簡單，可控工藝參數(shù)少，相對(duì)能耗小，可大規(guī)模生產(chǎn)，但制山的碳納米管相互纏繞缺陷較多。模板定向生長制出的碳納米管質(zhì)量相對(duì)上乘，但制作工藝復(fù)雜。產(chǎn)量極其有限，難于滿足需求。因此碳納米管合成所面臨的急待解決的問題仍不容忽視。性能:力學(xué)性能由于碳