碳納米管及其應(yīng)用課件

碳納米管及其應(yīng)用碳納米管及其應(yīng)用碳納米管的發(fā)現(xiàn)碳納米管的結(jié)構(gòu)碳納米管結(jié)構(gòu)的表征碳納米管的生產(chǎn)方法獨特性質(zhì)應(yīng)用前景主要內(nèi)容碳納米管的發(fā)現(xiàn)主要內(nèi)容一、碳納米管的發(fā)現(xiàn)碳納米管（CNTs）1991年，日本科學(xué)家飯島（Iijima）發(fā)現(xiàn)，在《Nature》發(fā)表文章《Helicalmicrotubulesofgraphiticcarbon》公布了他的發(fā)現(xiàn)成果，這是碳的又一同素異型體。一、碳納米管的發(fā)現(xiàn)碳納米管（CNTs）二、碳納米管的結(jié)構(gòu)1、按形態(tài)分普通封口型變徑型洋蔥型海膽型竹節(jié)型念珠型紡錘型螺旋型其他異型二、碳納米管的結(jié)構(gòu)1、按形態(tài)分普通封口型變徑型洋蔥型海膽型竹2、按手性分非手性achiral手性chiral碳納米管鋸齒型zigzag扶椅型armchai其他二、碳納米管的結(jié)構(gòu)2、按手性分非手性手性碳納米管鋸齒型扶椅型其他二、碳納米管的3、按照石墨烯片的層數(shù)分單壁碳納米管SWNTs碳納米管多壁碳納米管MWNTs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)。含有多層石墨烯片。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0.1～50μm。

二、碳納米管的結(jié)構(gòu)3、按照石墨烯片的層數(shù)分單壁碳納米管碳納米管多壁碳納米管由一三、碳納米管結(jié)構(gòu)的表征掃描隧道顯微鏡X射線衍射孔結(jié)構(gòu)及比表面積電子衍射拉曼光譜三、碳納米管結(jié)構(gòu)的表征掃描隧道顯微鏡四、碳納米管的生產(chǎn)方法石墨電弧法化學(xué)氣相沉積法（CVD）激光蒸汽法燃燒火焰法四、碳納米管的生產(chǎn)方法石墨電弧法四、碳納米管的生產(chǎn)方法基本原理：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。1、石墨電弧法四、碳納米管的生產(chǎn)方法基本原理：四、碳納米管的生產(chǎn)方法化學(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、烯和苯等)或含碳氧化物(如CO)在催化劑的催化下裂解而成?；瘜W(xué)氣相沉積法主要用于多壁碳納米管的制備,適合于多壁碳納米管的批量化加工?；瘜W(xué)氣相沉積法的特點是操作簡單,工藝參數(shù)更易控制、易于進行大規(guī)模生產(chǎn),且產(chǎn)率高。目前，此法具備了工業(yè)化的條件。2、化學(xué)氣相沉積法由于其制備的碳納米管層數(shù)多,彎曲,含有許多雜質(zhì),需要進一步純化,且碳納米管纏繞成微米級大團,還需要進一步進行分散處理。四、碳納米管的生產(chǎn)方法化學(xué)氣相沉積法又名催化裂解法，其原理是四、碳納米管的生產(chǎn)方法利用激光束照射至含有金屬的石墨靶上，將其蒸發(fā)，同時結(jié)合一定的反應(yīng)氣體，在基底和反應(yīng)腔壁上沉積出碳納米管。激光蒸汽法合成的單壁納米碳管純度高，但所用設(shè)備比較昂貴，合成單壁納米碳管的量極其有限且容易纏結(jié)，因而難以推廣。3、激光蒸汽法四、碳納米管的生產(chǎn)方法利用激光束照射至含有金屬的石墨靶上，將四、碳納米管的生產(chǎn)方法4、燃燒火焰法利用液體（乙醇、甲醇等）、氣體（乙炔、乙烯、甲烷等）和固體（煤炭、木炭）等產(chǎn)生火焰分解其碳-氫化合物獲得游歷碳原子，為合成碳納米管提供碳源；然后將基板材料做適當(dāng)處理，最后將基板的一面向下，面向火焰放入火焰中，燃燒一段時間后取出?；迳系淖睾郑ê冢┥仁翘技{米管或碳納米纖維。產(chǎn)生碳納米管或碳納米纖維的過程主要決定于基板的性質(zhì)。基板的選擇和處理、燃料的選擇等是本方法的關(guān)鍵技術(shù)。

優(yōu)點有：合成過程無需真空、保護氣氛；無需催化劑；可以在大的表面上合成，特別適合于在一個平面上形成一層均勻的碳納米管或碳納米纖維薄膜；

成本較低，對環(huán)境的污染也非常小?？梢詫崿F(xiàn)大批量合成。四、碳納米管的生產(chǎn)方法4、燃燒火焰法利用液體五、碳納米管的獨特性質(zhì)1、力學(xué)性能碳納米管的抗拉強度達到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。它是最強的纖維，在強度與重量之比方面，這種纖維是最理想的。五、碳納米管的獨特性質(zhì)1、力學(xué)性能碳納米管五、碳納米管的獨特性質(zhì)2、電學(xué)性能由于碳納米管的結(jié)構(gòu)與石墨的片層結(jié)構(gòu)相同，所以具有很好的電學(xué)性能。理論預(yù)測其導(dǎo)電性能取決于其管徑和管壁的螺旋角。當(dāng)CNTs的管徑大于6mm時，導(dǎo)電性能下降；當(dāng)管徑小于6mm時，CNTs可以被看成具有良好導(dǎo)電性能的一維量子導(dǎo)線。五、碳納米管的獨特性質(zhì)2、電學(xué)性能由于碳納米五、碳納米管的獨特性質(zhì)3、熱學(xué)性能一維管具有非常大的長徑比，因而大量熱是沿著長度方向傳遞的，通過合適的取向，這種管子可以合成高各向異性材料。雖然在管軸平行方向的熱交換性能很高，但在其垂直方向的熱交換性能較低。納米管的橫向尺寸比多數(shù)在室溫至150℃電介質(zhì)的品格振動波長大一個量級，這使得彌散的納米管在散布聲子界面的形成中是有效的，同時降低了導(dǎo)熱性能。適當(dāng)排列碳納米管可得到非常高的各向異性熱傳導(dǎo)材料。五、碳納米管的獨特性質(zhì)3、熱學(xué)性能一維管具有五、碳納米管的獨特性質(zhì)4、儲氫性能碳納米管的中空結(jié)構(gòu)，以及較石墨(0.335nm)略大的層間距(0.343nm)，是否具有更加優(yōu)良的儲氫性能，也成為科學(xué)家們關(guān)注的焦點。1997年，A.C.Dillon對單壁碳納米管(SWNT)的儲氫性能做了研究，SWNT在0℃時,儲氫量達到了5%。DeLuchi指出:一輛燃料機車行駛500km,消耗約31kg的氫氣，以現(xiàn)有的油箱來推算，需要氫氣儲存的重量和體積能量密度達到65%和62kg/m3。這兩個結(jié)果大大增加了人們對碳納米管儲氫應(yīng)用前景的希望。五、碳納米管的獨特性質(zhì)4、儲氫性能碳納米管的六、碳納米管的應(yīng)用前景碳納米管可能的利用領(lǐng)域引自：曹風(fēng)雷,納米管材料的化學(xué)修飾及其導(dǎo)電性質(zhì)的理論研究,2010,中山大學(xué).六、碳納米管的應(yīng)用前景碳納米管可能的利用領(lǐng)域引自：曹風(fēng)雷,六、碳納米管的應(yīng)用前景碳納米管比表面積大、結(jié)晶度高、導(dǎo)電性好，微孔大小可通過合成工藝加以控制，是一種理想的電雙層電容器電極材料。由于碳納米管具有開放的多孔結(jié)構(gòu)，并能在與電解質(zhì)的交界面形成雙電層，從而聚集大量電荷，功率密度可達8000W/kg。碳納米管超級電容器是已知的最大容量的電容器。1、超級電容器六、碳納米管的應(yīng)用前景碳納米管比表面積大、結(jié)六、碳納米管的應(yīng)用前景2、鋰離子電池

碳納米管的層間距為0.34nm,略大于石墨的層間距0.335nm,這有利于Li+的嵌入與遷出,它特殊的圓筒狀構(gòu)型不僅可使Li+從外壁和內(nèi)壁兩方面嵌入,又可防止因溶劑化Li+嵌入引起的石墨層剝離而造成負極材料的損壞。碳納米管摻雜石墨時可提高石墨負極的導(dǎo)電性,消除極化。在鋰離子電池中加入碳納米管,也可有效提高電池的儲氫能力,從而大大提高鋰離子電池的性能。根據(jù)實驗,多壁碳納米管鋰電池放電能力達到385mA·h/g,單壁管則高達640mA·h/g,而石墨的理論放電極限為372mA·h/g。六、碳納米管的應(yīng)用前景2、鋰離子電池碳納米管的六、碳納米管的應(yīng)用前景3、碳納米管復(fù)合材料基于納米碳管的優(yōu)良力學(xué)性能可將其作為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的增強劑。研究表明，環(huán)氧樹脂和納米碳管之間可形成數(shù)百MPa的界面強度。除做結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的增強劑外，納米碳管還可做為功能增強劑填充到聚合物中，提高其導(dǎo)電性、散熱能力等如：在共軛發(fā)光聚合物中添加納米碳管后，不但其導(dǎo)電率大大提高，強度也得到了改善。同時，由于納米碳管在納米尺度散熱，避免了局部形成的熱積累，可防止共軛聚合物中鏈的斷裂，從而抑制聚合物的光褪色作用。六、碳納米管的應(yīng)用前景3、碳納米管復(fù)合材料基六、碳納米管的應(yīng)用前景4、電磁干擾屏蔽材料及隱形材料

碳納米管是一種有前途的理想微波吸收劑,可用于隱形材料、電磁屏蔽材料或暗室吸波材料。碳納米管對紅外和電磁波有隱身作用的主要原因有兩點:一方面由于納米微粒尺寸遠小于紅外及雷達波波長,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,這就大大減少波的反射率,使得紅外探測器和雷達接收到的反射信號變得很微弱,從而達到隱身的作用;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,這就使得紅外探測器及雷達得到的反射信號強度大大降低,因此很難發(fā)現(xiàn)被探測目標(biāo),起到了隱身作用。由于發(fā)射到該材料表面的電磁波被吸收,不產(chǎn)生反射,因此而達到隱形效果。六、碳納米管的應(yīng)用前景4、電磁干擾屏蔽材料及隱形材料六、碳納米管的應(yīng)用前景5、催化劑載體納米材料比表面積大,表面原子比率大(約占總原子數(shù)的50%),使體系的電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)明顯改變,表現(xiàn)出特殊的電子效