低維材料之碳納米管

低維材料

之碳納米管

一、碳納米管簡介碳納米管，又名巴基管，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)（徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級，管子兩端基本上都封口）的一維量子材料。碳納米管主要由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管。層與層之間保持固定的距離，約0.34nm，直徑一般為2~20nm。并且根據(jù)碳六邊形沿軸向的不同取向可以將其分成鋸齒形、扶手椅型和螺旋型三種。其中螺旋型的碳納米管具有手性，而鋸齒形和扶手椅型碳納米管沒有手性。碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有許多異常的力學、電學和化學性能。近些年隨著碳納米管及納米材料研究的深入其廣闊的應(yīng)用前景也不斷地展現(xiàn)出來。

二、碳納米管1991年，日本NEC公司基礎(chǔ)研究實驗室的電子顯鏡專家Iijima發(fā)現(xiàn)了多壁碳納米管（MultiWalledCarbonNanotubes，MWNTs），直徑為4-30nm，長度為1um。，最初稱之為“Graphitetubular”。1993年單壁碳納米管也被發(fā)現(xiàn)（Single-WalledCarbonNanotubes，SWNTs），直徑從0.4nm到3-4nm，長度可達幾微米。碳納米管的發(fā)現(xiàn)碳納米管

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：單壁碳納米管和多壁碳納米管，多壁管在開始形成的時候，層與層之間很容易成為陷阱中心而捕獲各種缺陷，因而多壁管的管壁上通常布滿小洞樣的缺陷。與多壁管相比，單壁管直徑大小的分布范圍小，缺陷少，具有更高的均勻一致性。單壁管典型直徑在0.6-2nm，多壁管最內(nèi)層可達0.4nm，最粗可達數(shù)百納米，但典型管徑為2-100nm。碳納米管依其結(jié)構(gòu)特征可以分為三種類型：碳納米管的手性指數(shù)（n，m）與其螺旋度和電學性能等有直接關(guān)系，習慣上n>=m。當n=m時，碳納米管稱為扶手椅形納米管，手性角（螺旋角）為30o；當n>m=0時，碳納米管稱為鋸齒形納米管，手性角（螺旋角）為0o；當n>m≠0時，將其稱為手性碳納米管。根據(jù)碳納米管的導電性質(zhì)可以將其分為金屬型碳納米管和半導體型碳納米管：當n-m=3k(k為整數(shù))時，碳納米管為金屬型；當n-m=3k±1，碳納米管為半導體型。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。碳納米管的分類(1）石墨電弧法：基本原理：

電弧室充惰性氣體保護，兩石墨棒電極靠近，拉起電弧，再拉開，以保持電弧穩(wěn)定。放電過程中陽極溫度相對陰極較高，所以陽極石墨棒不斷被消耗，同時在石墨陰極上沉積出含有碳納米管的產(chǎn)物。理想的工藝條件：氦氣為載氣，氣壓60—50Pa，電流60A～100A，電壓19V～25V，電極間距1mm～4mm，產(chǎn)率50％。Iijima等生產(chǎn)出了半徑約1nm的單層碳管。三、碳納米管的制備使用這一方法制備碳納米管技術(shù)上比較簡單，但是生成的碳納米管與C60等產(chǎn)物混雜在一起，很難得到純度較高的碳納米管，并且得到的往往都是多層碳納米管，而實際研究中人們往往需要的是單層的碳納米管。此外該方法反應(yīng)消耗能量太大。有些研究人員發(fā)現(xiàn)，如果采用熔融的氯化鋰作為陽極，可以有效地降低反應(yīng)中消耗的能量，產(chǎn)物純化也比較容易。發(fā)展出了化學氣相沉積法，或稱為碳氫氣體熱解法，在一定程度上克服了電弧放電法的缺陷。這種方法是讓氣態(tài)烴通過附著有催化劑微粒的模板，在800~1200度的條件下，氣態(tài)烴可以分解生成碳納米管。這種方法突出的優(yōu)點是殘余反應(yīng)物為氣體，可以離開反應(yīng)體系，得到純度比較高的碳納米管，同時溫度亦不需要很高，相對而言節(jié)省了能量。但是制得的碳納米管管徑不整齊，形狀不規(guī)則，并且在制備過程中必須要用到催化劑。這種方法的主要研究方向是希望通過控制模板上催化劑的排列方式來控制生成的碳納米管的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)取得了一定進展。(2)激光蒸發(fā)法：影響因素：催化劑保護壓強（3.0x104一4.5x104Pa）氣體（氦氣、氬氣）激光脈沖時間間隔（間隔越短，產(chǎn)率越高）激光脈沖功率（功率↑，直徑↓）具體過程是：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)。當爐溫升至一定溫度時，將惰性氣體沖入管內(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CNTs。碳納米管具有優(yōu)異的力學性能，高強度，韌性，伸長率，低密度，理想的增強體熱學性能，理論導熱率達6600k/（Km）實驗達3000電學性能，近金屬的電導率，可以做為半導體材料磁學性能，吸波性能顯著，頻帶寬儲氫性能，碳納米管的中空結(jié)構(gòu)，理論儲氫量可達10％（重量比）四、碳納米管物理化學性能

由于碳納米管中碳原子采取SP2雜化，相比SP3雜化，SP2雜化中S軌道成分比較大，使碳納米管具有高模量和高強度。碳納米管具有良好的力學性能，CNTs抗拉強度達到50～200GPa,是鋼的100倍,密度卻只有鋼的1/6，至少比常規(guī)石墨纖維高一個數(shù)量級；它的彈性模量可達1TPa，與金剛石的彈性模量相當，約為鋼的5倍。對于具有理想結(jié)構(gòu)的單層壁的碳納米管，其抗拉強度約800GPa。碳納米管的結(jié)構(gòu)雖然與高分子材料的結(jié)構(gòu)相似，但其結(jié)構(gòu)卻比高分子材料穩(wěn)定得多。碳納米管是目前可制備出的具有最高比強度的材料。若將以其他工程材料為基體與碳納米管制成復合材料,可使復合材料表現(xiàn)出良好的強度、彈性、抗疲勞性及各向同性，給復合材料的性能帶來極大的改善。碳納米管的硬度與金剛石相當，卻擁有良好的柔韌性，可以拉伸。在工業(yè)上常用的增強型纖維中，決定強度的一個關(guān)鍵因素是長徑比，即長度和直徑之比。材料工程師希望得到的長徑比至少是20:1，而碳納米管的長徑比一般在1000:1以上，是理想的高強度纖維材料。長徑比一般在1000:1以上，強度高，是理想的高強度纖維材料。碳納米管的熔點是目前已知材料中最高（預計3652-3697℃）。碳納米管上碳原子的P電子形成大范圍的離域π鍵，由于共軛效應(yīng)顯著，碳納米管具有一些特殊的電學性質(zhì)。理論預測當CNTs的管徑大于6nm時，導電性能下降；當管徑小于6nm時，CNTs可以被看成具有良好導電性能的一維量子導線。導電性能取決于其管徑和管壁的螺旋角。碳納米管具有良好的傳熱性能，CNTs具有非常大的長徑比，因而其沿著長度方向的熱交換性能很高，相對的其垂直方向的熱交換性能較低，通過合適的取向，碳納米管可以合成高各向異性的熱傳導材料。理論熱導率很高，達6600W/（m.K）12可以與金屬，無機陶瓷材料，有機高聚物復合，應(yīng)用廣泛結(jié)構(gòu)復合材料：碳納米管復合材料基于納米碳管的優(yōu)良力學性能可將其作為結(jié)構(gòu)復合材料的增強劑。

研究表明，與無機復合明顯提高韌性，有機聚合物復合提高強度。環(huán)氧樹脂和納米管之間可形成數(shù)百MPa的界面強度。功能復合材料：基于碳納米管優(yōu)良的導電，導熱，吸波，介電，儲氫功能五、碳納米管復合材料六、碳納米管應(yīng)用碳納米管可以制成透明導電的薄膜，用以代替ITO（氧化銦錫）作為觸摸屏的材料。先前的技術(shù)中，科學家利用粉狀的碳納米管配成溶液，直接涂布在PET或玻璃襯底上，但是這樣的技術(shù)至今沒有進入量產(chǎn)階段；目前可成功量產(chǎn)的是利用超順排碳納米管技術(shù)；該技術(shù)是從一超順排碳納米管陣列中直接抽出薄膜，鋪在襯底上做成透明導電膜，就像從棉條中抽出紗線一樣。儲氫應(yīng)用：納米碳管是一種很有發(fā)展前途的儲氫材料。單壁納米碳管的吸氫過程研究發(fā)現(xiàn)，氫以很大密度填充到單壁納米碳管的管體內(nèi)部以及單壁納米碳管束之間的孔隙，因此單壁納米碳管具有極佳的儲氫能力，據(jù)推測單壁納米碳管的儲氫量可達10％（重量比）。催化劑載體：納米材料比表面積大，具有特殊的電子效應(yīng)和表面效應(yīng)。如氣體通過納米碳管的擴散速度為常規(guī)催化劑顆粒的上千倍，擔載上催化劑后可極大地提高催化劑的活性和選擇性，使其在加氫、脫氫和擇型催化等反應(yīng)中具有很大的應(yīng)用潛力。納米器件：納米碳管的電學性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。就其導電性而言，由于納米碳管直徑和螺旋角不同，可以是金屬性的，也可以是半導體性的，甚至在同一根納米碳管上的不同部位，由于結(jié)構(gòu)的變化，也可以呈現(xiàn)出不同的導電性。納米碳管中存在大量未成對電子，但其在納米碳管中的徑向運動卻受到限制，表現(xiàn)出典型的量子限域效應(yīng)；而電子在軸向的運動不受任何限制。因此，可以認為納米碳管是一維量子導線。

納米秤：碳納米管還給物理學家提供了研究毛細現(xiàn)象機理最細的毛細管，給化學家提供了進行納米化學反應(yīng)最