碳納米管cnts

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1、20102118碳納米管的獨(dú)特工能及應(yīng)用1985年，Kroto和Smalley[1]發(fā)現(xiàn)了一種直徑僅為0.7nm的球狀分子，被稱為C60，亦稱富勒烯(fullerene)。這是繼石墨和金剛石之后，碳的另一種同素異形體。隨后，日本NEC公司的Sumio．Iijima[2]在合成C60中，首次利用電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)了CNTs(Carbonnanotubes)，又稱巴基管(Bucktube)。CNTs是一種類似石墨結(jié)構(gòu)的六邊形網(wǎng)格卷繞而成的、兩端為半球形端帽、具有典型層狀中空結(jié)構(gòu)的材料。根據(jù)石墨片層數(shù)的不同，CNTs

2、可分為多壁碳納米管(MWNTs)和單壁碳納米(SWNTs)。研究表明，CNTs的密度只有鋼的1／6，強(qiáng)度卻是鋼的100倍，模量可達(dá)1．8TPa。CNTs是典型的一維納米結(jié)構(gòu)，其超強(qiáng)的力學(xué)性能、超大的長徑比(一般大于1000)、極好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性、良好的光電性能，使其具有廣泛應(yīng)用于生物傳感器、儲(chǔ)氫容器、超容量電容器、機(jī)電激勵(lì)器、結(jié)構(gòu)增強(qiáng)材料等方面的應(yīng)用前景[3-4]。CNTs長徑比高、比表面大、比強(qiáng)度高、電導(dǎo)率高、界面效應(yīng)強(qiáng)，因而具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)性能．成為世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)之一。近幾年來．

3、隨著CNTs合成技術(shù)的日益成熟．低成本批量生產(chǎn)CNTs已成為可能，并在場發(fā)射、分子電子器件、復(fù)合材料、儲(chǔ)氫、吸附、催化諸多領(lǐng)域已經(jīng)展現(xiàn)出其廣闊的應(yīng)用前景。一、碳納米管的結(jié)構(gòu)CNTs是一種主要由碳六邊形(彎曲處為碳五邊形或碳七邊形)組成的單層或多層石墨片卷曲而成的無縫納米管狀殼層結(jié)構(gòu)，相鄰層間距與石墨的層間距相當(dāng)，約為0.34nm。碳納米管的直徑為零點(diǎn)幾納米至幾十納米，長度一般為幾十納米至微米級，也有超長CNTs，長度達(dá)2mm。按照石墨烯片的層數(shù)，可分為單壁CNTs和多壁CNTs。(1)單壁CNTs(Sing

4、le-wallednanotubes，SWNTs)：由一層石墨烯片組成。單壁管典型的直徑和長度分別為0．75～3nm和1～50μm，又稱富勒管(Fullerenestubes)。(2)多壁CNTs(Multi-wallednanotubes，MWNTs)：含有多層石墨烯片。其層數(shù)從2～50不等，層間距為0．34士0．01μm，典型直徑和長度分別為2～30nm和0．1～50μm。按其螺旋角，可分為螺旋和非螺旋兩種；根據(jù)定向性，可分為定向和非定向兩類。根據(jù)CNTs截面的邊緣形狀，單壁CNTs又分為單臂CNTs、

5、鋸齒形CNTs和手性形CNR，如圖l所示。這些類型CNTs的形成取決于由六邊形碳環(huán)構(gòu)成的石墨片是如何卷起形成圓筒。不同的卷曲方向和角度將會(huì)得到不同類型的CNTs[5]。820102118二、碳納米管的性能1、力學(xué)性能CNTs由SP2雜化形成的C=C共價(jià)鍵組成，故其具有特殊的力學(xué)性能。CNTs的抗拉強(qiáng)度達(dá)到50～200GPa，是鋼的100倍，密度卻只有鋼的1／6。對于具有理想結(jié)構(gòu)的單壁CNTs，其抗拉強(qiáng)度約800GPa，軸向彈性模量目前從理論估計(jì)和試驗(yàn)測定均接近甚至超過石墨烯片，在1～1．8TPa之間，為已知

6、的最高材料模量，約為鋼的5倍[6]。由于CNTs是中空的籠狀物并具有封閉的拓?fù)錁?gòu)型，能通過體積變化來呈現(xiàn)其彈性，故能承受大于40％的張力應(yīng)變，而不會(huì)呈現(xiàn)脆性行為、塑性變形或鍵斷裂，且CNTs的破壞通過其中空部分的塌陷來完成，從而在應(yīng)用中能極大地吸收能量，增加韌性[7]。2、電磁性能CNTs具有螺旋、管狀結(jié)構(gòu)，預(yù)示其具有不同尋常的電磁性能[8]。Ebbesen對單根CNTs的導(dǎo)電性能的理論計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果表明，由于結(jié)構(gòu)不同，CNTs可能是導(dǎo)體，也可能是半導(dǎo)體。Saito等經(jīng)過理論分析，根據(jù)CNTs的直徑和螺旋角

7、度，大約有1／3是金屬導(dǎo)電性的，而有2／3是半導(dǎo)體性的。Dai等進(jìn)一步指出，完美CNTs的電阻要比有缺陷的CNTs的電阻小1個(gè)數(shù)量級或更多。Ugarte發(fā)現(xiàn)CNTs的徑向電阻大于軸向電阻，并且這種電阻的各向異性隨溫度的降低而增大Huang通過計(jì)算認(rèn)為直徑0．7nm的CNTs具有超導(dǎo)性，盡管其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度只有1.5×10-4K，但預(yù)示著CNTs在超導(dǎo)領(lǐng)域中的應(yīng)用前景。Murakami等研究了CNTs的磁學(xué)特性，測得其軸向磁感應(yīng)系數(shù)是徑向的1.1倍，超出C60近30倍。3、熱學(xué)性能CNTs具有非常大的長徑比，軸

8、向的熱交換性能很高，但在其垂直方向的熱交換性能較低。適當(dāng)排列CNTs可得到非常高的各向異性熱傳導(dǎo)材料。據(jù)估計(jì)，長度大于10nm的單壁CNTs，其導(dǎo)熱系數(shù)大約2800W／(m·K)，幾乎與金剛石或藍(lán)寶石有同樣的導(dǎo)熱能力，理論預(yù)測，手性矢量為(10，10)的單壁CNTs在室溫下導(dǎo)熱系數(shù)甚至可達(dá)6600W／(m·K)。且CNTs受其幾何形狀的限制，在垂直于軸向的熱膨脹幾乎為零。4、儲(chǔ)氫性能CNTs具有比活性炭更大的比表