「碳納米管介紹（高級課件）」.ppt

1 學(xué)習(xí)培訓(xùn) 一 二 三 四 2 學(xué)習(xí)培訓(xùn) 一 碳納米管簡介 又叫巴基管 碳的同素異形體由單層或多層石墨片繞中心按一定角度卷曲而成的無縫 中空納米管 3 學(xué)習(xí)培訓(xùn) 碳納米管的結(jié)構(gòu)與金剛石 石墨 富勒烯一樣 是碳的一種同素異形體 它是一種管狀的碳分子 管上每個碳原子采取sp2雜化 相互之間以碳 碳 鍵結(jié)合起來 4 學(xué)習(xí)培訓(xùn) 碳納米管材料構(gòu) 5 學(xué)習(xí)培訓(xùn) http www ppthi 碳納米管于1991年由日本NEC公司基礎(chǔ)研究實驗室的電子顯微鏡專家飯島澄男首先發(fā)現(xiàn) 他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)了由管狀的同軸納米管組成的碳分子 這就是今天被廣泛關(guān)注的碳納米管 碳納米管的發(fā)現(xiàn) 6 學(xué)習(xí)培訓(xùn) 1 按形態(tài)分類實際制備的碳納米管的管身并不完全是平直或均勻的 有時會出現(xiàn)各種結(jié)構(gòu) 如彎曲 分叉 螺旋等 這些結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)多是由于碳六邊形網(wǎng)格中引入了碳五邊形和碳七變形所致 碳五邊形引起正彎曲 碳七邊形引起負(fù)彎曲 碳納米管的分類 7 學(xué)習(xí)培訓(xùn) 8 學(xué)習(xí)培訓(xùn) 2 按層數(shù)分類 1 單壁碳納米管 Single 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 50 m 又稱富勒管 Fullerenestubes 2 多壁碳納米管 Multi wallednanotubes MWNTs 為由不同直徑的單壁碳納米管套構(gòu)而成 形狀象個同軸電纜 其層數(shù)從2 50不等 層間距為0 34 0 01nm 與石墨層間距 0 34nm 相當(dāng) 多壁管的典型直徑和長度分別為2 30nm和0 1 50 m 9 學(xué)習(xí)培訓(xùn) 根據(jù)構(gòu)成單壁碳納米管的石墨層片的螺旋性 可以將單壁碳納米管分為 3 按手性分類 10 學(xué)習(xí)培訓(xùn) 4 按定向性分類 定向碳納米管 非定向碳納米管 11 學(xué)習(xí)培訓(xùn) 二 碳納米管材料的性能 碳納米管主要的性能可以從五個方面說明 力學(xué)性能 其他性能 電學(xué)性能 儲氫性能 熱學(xué)性能 12 學(xué)習(xí)培訓(xùn) 碳納米管材料的性能 力學(xué)性能 金剛石是我們所知道的自然界中最為堅硬的物質(zhì) 而作為金剛石的同素異形體 碳納米管具有良好的力學(xué)性能 硬度 碳 碳共價鍵是自然界中最穩(wěn)定的化學(xué)鍵 而碳納米管的強度接近于碳 碳鍵的強度 因此單壁碳納米管的抗拉強度達(dá)到50 200GPa 楊氏模量與金剛石相當(dāng) 強度是鋼的100倍 13 學(xué)習(xí)培訓(xùn) 碳納米管材料的性能 力學(xué)性能 彈性 與金剛石的三維結(jié)構(gòu)不同 碳納米管作為一維納米材料可彎可拉具有相當(dāng)好的彈性 實驗表明碳納米管在拉升達(dá)原來長度的136 時仍然可以恢復(fù)到原來的樣子 而且即使受到了很大的外加應(yīng)力 碳納米管也不會發(fā)生脆性斷裂 14 學(xué)習(xí)培訓(xùn) 碳納米管材料的性能 電學(xué)性能 碳納米管在電學(xué)性能上也有很大的發(fā)展空間 實驗表明不同類型的碳納米管 導(dǎo)電性能也不相同 例如 單壁納米管總是金屬性的 手性形納米管中則部分為半導(dǎo)體性 部分為金屬性的 有報道說Huang通過計算認(rèn)為直徑為0 7nm的碳納米管具有超導(dǎo)性 盡管其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度只有1 5 10 4K 但是預(yù)示著碳納米管在超導(dǎo)領(lǐng)域的應(yīng)用前景 15 學(xué)習(xí)培訓(xùn) 二 碳納米管材料的性能 熱學(xué)性能 碳納米管具有良好的傳熱性能 由于是一維材料 其在徑向上的導(dǎo)熱性能優(yōu)越 我們甚至可以在復(fù)合材料中摻雜微量的碳納米管 使得復(fù)合材料的熱導(dǎo)率得到很大的改善 16 學(xué)習(xí)培訓(xùn) 碳納米管材料的性能 儲氫性能 碳納米管具有比較大的表面積 且具有大量的微孔 其儲氫量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)材料的儲氫量 因此被認(rèn)為是良好的存儲材料 其他性能 碳納米管還具有光學(xué)和毛細(xì) 化學(xué)等其他良好的性能 也正是這些特性使得碳納米管成為許多新材料的基礎(chǔ) 17 學(xué)習(xí)培訓(xùn) CNTs的制備方法有多種 主要有 電弧法激光蒸發(fā)法化學(xué)氣相沉積法燃燒火焰法電解法 通過各種外加能量 將碳源分解為原子或離子形式 然后在凝聚就可以得到這種碳的一維結(jié)構(gòu) 三 碳納米管的制備方法 18 學(xué)習(xí)培訓(xùn) 主要工藝 在真空容器中充滿一定壓力的惰性氣體或氫氣 以摻有催化劑 金屬鎳 鈷 鐵等 的石墨為電極 在電弧放電的過程中 兩石墨電極間總保持一定的間隙 陽極石墨被蒸發(fā)消耗 同時在陰極石墨上沉積碳納米管 從而生產(chǎn)出碳納米管 1 電弧法 ArcDischargeMethods 19 學(xué)習(xí)培訓(xùn) 優(yōu)缺點 電弧法的特點是簡單快速 制得的碳納米管管直 結(jié)晶度高 但產(chǎn)量不高 陰極上除了碳納米管還沉積有富勒烯 石墨顆粒 無定形碳和其他形式的炭顆粒 而且由于電弧溫度高達(dá)3000 3700 形成的碳納米管會被燒結(jié)成一體 燒結(jié)成束 束中還存在很多非晶碳雜質(zhì) 造成較多的缺陷 電弧法目前主要用于生產(chǎn)單壁碳納米管 選擇合適的催化劑組合與含量 是電弧法制備單壁碳納米管研究的主要方向之一 20 學(xué)習(xí)培訓(xùn) 在一長條石英管中間放置一根金屬催化劑 石墨混合的石墨靶 該管則置于一加熱爐內(nèi) 當(dāng)爐溫升至一定溫度時 將惰性氣體充入管內(nèi) 并將一束激光聚焦于石墨靶上 在激光照射下生成氣態(tài)碳 這些氣態(tài)碳和催化劑粒子被氣流從高溫區(qū)帶向低溫區(qū)時 在催化劑的作用下生長成碳納米管 激光蒸發(fā)法制備碳納米管的裝置 2 激光蒸發(fā)法 LaserAblation 21 學(xué)習(xí)培訓(xùn) 激光蒸發(fā)法是一種簡單有效的制備碳納米管的新方法 與電弧法相比 前者用電弧放電的方式產(chǎn)生高溫 后者則用激光蒸發(fā)產(chǎn)生高溫 得到的碳納米管的形態(tài)與電弧法得到的相似 但碳納米管質(zhì)量更高 并無無定形碳出現(xiàn) 這種方法易于連續(xù)生產(chǎn) 但制備出的碳納米管的純度低 易纏結(jié) 且需要昂貴的激光器 耗費大 LA制備的SWNT束的TEM照片Science273 483 487 1996 22 學(xué)習(xí)培訓(xùn) 3 化學(xué)氣相沉積法 CVD 化學(xué)氣相沉積法又名催化裂解法 其原理是通過烴類 如甲烷 乙烯 丙烯和苯等 或含碳氧化物 如CO 在催化劑的催化下裂解為碳原子 碳原子在催化劑作用下 附著在催化劑微粒表面上形成碳納米管 23 學(xué)習(xí)培訓(xùn) 此法特點 操作簡單 工藝參數(shù)更易控制 生長溫度相對較低 成本低 產(chǎn)量大 可規(guī)模化生產(chǎn) 但由于其制備的碳納米管含有許多雜質(zhì) 且碳納米管纏繞成微米級大團 需要進(jìn)一步純化和分散處理 24 學(xué)習(xí)培訓(xùn) 四 碳納米管的應(yīng)用 25 學(xué)習(xí)培訓(xùn) 由于碳納米管具有極好的力學(xué)性能 因此將其用作復(fù)合材料的增強體 能有效提高金屬 高分子聚合物或陶瓷基體的力學(xué)性能 利用碳納米管極好的導(dǎo)電特性 電致發(fā)光等其他性能 可制備功能復(fù)合材料 可將其用作防靜電材料 這種導(dǎo)電性碳納米管復(fù)合材料有望用于汽車車體上 另外 經(jīng)化學(xué)修飾的碳納米管衍生物與聚合物共混紡制碳納米管復(fù)合纖維 其不僅具有導(dǎo)電或抗靜電性 還具有高的強度和模量 該類復(fù)合纖維可望應(yīng)用于輕便且刀槍不入的裝甲和防彈背心或服裝材料 復(fù)合材料 26 學(xué)習(xí)培訓(xùn) 這種新型碳納米管 橡膠 其實是一種名為粘彈性物質(zhì)傳統(tǒng)材料 這種材料無論被怎樣扭曲 拉伸 彎曲 甚至被穿透 到最后都會恢復(fù)到原始狀態(tài) 它能抗低溫 耐高溫 任何極端溫度下都不會損壞的特殊的 鋼筋鐵骨橡膠 27 學(xué)習(xí)培訓(xùn) 優(yōu)點 納米級直徑 高的長徑比 高的機械柔軟性 電子穩(wěn)定性 分辨率高 探測深度深 可進(jìn)行狹縫和深層次探測 掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡針尖 對碳納米管的端部有選擇性地進(jìn)行化學(xué)修飾 可以進(jìn)一步拓展顯微鏡在蛋白質(zhì) 生物大分子結(jié)構(gòu)和表征中的應(yīng)用 28 學(xué)習(xí)培訓(xùn) 碳納米管已被證明是一種常溫常壓下的新型化學(xué)傳感器 其原理是電子施主 如NO2 O2等 和電子受主 如NH3 分子在碳納米管上的吸附導(dǎo)致碳納米管導(dǎo)電性能的變化 通過這種效應(yīng) 可以探測這些氣體在某些環(huán)境中的含量 這種傳感器響應(yīng)速度快 靈敏度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有室溫下的探測器 較常規(guī)高1000倍 經(jīng)過加溫或在大氣氣氛中存放一定時間可使傳感器作用恢復(fù) 分子傳感器 29 學(xué)習(xí)培訓(xùn) 碳納米管對紅外和電磁波有隱身作用 一方面由于納米微粒尺寸遠(yuǎn)小于紅外及雷達(dá)波波長 因此納米微粒材料對這種波的透過率比常規(guī)材料要強得多 大大減少波的反射率 另一方面 納米微粒材料的比表面積比常規(guī)粗粉大3 4個數(shù)量級 對紅外光和電磁波的吸收率也比常規(guī)材料大得多 也使得紅外探測器及雷達(dá)得到的反射信號強度大大降低 起到了隱身作用 可用于隱形材料 電磁屏蔽材料或暗室吸波材料 隱形材料 30 學(xué)習(xí)培訓(xùn) 在硅芯片晶體管接近其物理性能極限的當(dāng)今 碳納米管是未來替代硅芯片極具競爭力的候選材料之一 科學(xué)家預(yù)計碳納米晶體管的運算速度將比目前看好的下一代硅芯片的還要快10倍 而且耗能更少 這將有助于研發(fā)具有超級運算速度和低能耗的微處理器 新型芯片 31 學(xué)習(xí)培訓(xùn) 在消費性電子產(chǎn)品中 常見的是電容性觸摸屏 而它常用的材料則是ITO 納米銦錫金屬氧化物 導(dǎo)體 ITO薄膜是制造觸摸屏導(dǎo)體的理想材料 但銦非常稀有 且ITO薄膜還有易碎 可塑性差的缺點 處理過程需要在真空環(huán)境下進(jìn)行 導(dǎo)致價格非常昂貴 碳納米管有望代替ITO 二者的性能非常相似 但碳納米管要便宜得多 相較之下碳有