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引言碳納米管材料的結構、性能碳納米管材料的制備碳納米管材料的應用參考文獻引言碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結構連接完美[2]

，具有許多異常的力學、電學和化學性能。最早在1991年，日本NEC公司基礎研究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石墨電弧設備中產生的球狀碳分子時，意外發現了由管狀的同軸納米管組成的碳分子[2]，這就是現在的碳納米管。近些年隨著碳納米管及納米材料研究的深入其廣闊的應用前景也不斷地展現出來[3]

。碳納米管材料的結構單壁碳納米管多壁碳納米管又稱富勒管(Fullerenestubes)，由一層石墨烯片組成，直徑和長度分別為0.75～3nm和1～50μm。含有多層石墨烯片，層數從2～50不等，層間距為0.34±0.01nm。典型的直徑和長度分別為2～30nm和0.1～50μm。Creativity碳納米管(CNTS)又稱巴基管，是一種有特殊結構和性質的新型材料。管的外徑尺寸一般在幾納米到幾十納米，內徑更小，有的只有1納米左右[4]。相對而言，碳納米管的長度和直徑的比非常大，管的長度一般在微米量級，可達103～106，因此，碳納米管被認為是一種典型的一維納米材料[5]。碳納米管材料的結構

碳納米管管壁由類石墨微晶的碳原子SP2

雜化與周圍三個碳原子完全鍵合而成的六邊形碳環構成，五邊形和七邊形的碳環組成彎曲部位。當六邊形逐漸延伸出現五邊形時碳納米管就會凸出，七邊形出現則會使其凹進。[6]。如果五邊形出現在碳納米管的頂端則成為碳納米管的封口。碳納米管材料的結構DescriptionofthecontentsDescriptionofthecontents碳納米管材料的結構DescriptionofthecontentsDescriptionofthecontents碳納米管材料的結構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性能其他性能電學性能儲氫性能熱學性能碳納米管材料的性能

力學性能

金剛石是我們所知道的自然界中最為堅硬的物質。而作為金剛石的同素異形體，碳納米管具有良好的力學性能。硬度：碳-碳共價鍵是自然界中最穩定的化學鍵，而碳納米管的強度接近于碳-碳鍵的強度[9]，因此單壁碳納米管的抗拉強度達到50～200GPa，楊氏模量與金剛石相當，強度是鋼的100倍。碳納米管材料的性能

力學性能彈性：與金剛石的三維結構不同，碳納米管作為一維納米材料可彎可拉具有相當好的彈性[18]。通常碳納米管發生很大的拉伸變形，只要不發生原子共價鍵發生斷裂，通常碳納都能完全恢復到原來的狀態[19]。實驗表明碳納米管在拉升達原來長度的136%時仍然可以恢復到原來的樣子[20]。而且即使受到了很大的外加應力，碳納米管也不會發生脆性斷裂。碳納米管材料的性能

電學性能碳納米管在電學性能上也有很大的發展空間。實驗表明不同類型的碳納米管，導電性能也不相同，例如，單壁納米管總是金屬性的，鋸齒形納米管和手性形納米管中則部分為半導體性，部分為金屬性的[22]。有報道說Huang通過計算認為直徑為0.7nm的碳納米管具有超導性，盡管其超導轉變溫度只有1.5×10-4K，但是預示著碳納米管在超導領域的應用前景。碳納米管材料的性能

電學性能但是目前人們在制備碳納米管時，目前還無法按照所需的要求制備出具有特定電學特性的碳納米管[23]。僅這一點，就使得碳納米管在納米電子學的應用中仍然存在著一些必須盡早解決的問題。為了改變這種狀況，人們正采用半導體材料改性的同樣方法，通過化學摻雜的方式來制備n型或p型的碳納米管，以求控制和改變碳納米管的電子學特性。碳納米管材料的性能

熱學性能碳納米管具有良好的傳熱性能，由于是一維材料，其在徑向上的導熱性能優越，我們甚至可以在復合材料中摻雜微量的碳納米管,使得復合材料的熱導率得到很大的改善。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，其儲氫量遠遠大于傳統材料的儲氫量，因此被認為是良好的存儲材料。

其他性能碳納米管還具有光學和毛細，化學等其他良好的性能，也正是這些特性使得碳納米管成為許多新材料的基礎。碳納米管材料的制備

為了對碳納米管進行觀察、研究及其應用，碳納米管的制備是對其進行研究的第一個步驟，也是最基本的環節。從1991年，日本NEC筑波基礎研究所的教授飯島澄男(S．Iijima)對真空電弧蒸發石墨電極的副產品——陰極沉積物用高分辨電鏡進行高分辨像觀察時發現了多層碳納米管以來，科學家們就持續地對碳納米管的生長工藝以及生長機理進行了大量的研究工作，也總結出了碳納米管制各的多種方法。碳納米管材料的制備Titleinhere激光蒸發法Titleinhere太陽能法Titleinhere電解法其中制備碳納米管最為主要的有三種方法，分別為：電弧放電法、激光蒸發法和化學氣相沉積法(CVD)。其他還有熱解聚合物法、電解法、太陽能法。Titleinhere化學氣相沉積法TextinhereTextinhereTitleinhere熱解聚合物法Titleinhere石墨電弧法制備碳納米管材料的制備最早制備CNTs的工藝方法是石墨電弧法，電弧實質上是一種氣體放電現象，其主要工藝是在真空反應室中充惰性氣體(He、NH4)，采用較細石墨棒作為陽極，粗大的石墨棒作為陰極，在電弧放電的過程和高溫的條件下，固體碳源蒸發并進行結構重排，陽極石墨被蒸發消耗的同時陰極石墨上會沉積CNTs，從而生產出CNTs。Iijima在1991年就是利用此法制各出的CNTs：石墨電弧法具有簡單快速的特點，而且所制各的CNTs管直，石墨化程度高，但該法所產生的CNTs缺陷較多，而且CNTs燒結成束，束中夾雜很多非晶態雜質。1石墨電弧法碳納米管材料的制備1石墨電弧法碳納米管材料的制備

化學氣相沉積法具有成本低、產量大、實驗條件易于控制等很多優點，是最有希望大量制各高質量多壁CNTs的方法，化學氣相沉積法的主要機理是使含有碳源的氣體(如乙炔乙烯等石油氣)流經金屬催化劑(如鐵、鉆、鎳等)表面時分解，從而產生出CNTs，產生出的CNTs的直徑取決于催化劑顆粒的大小，選擇適當的催化劑能優先生長單壁CNTs，化學氣相沉積法制備CNTs的工藝要求的溫度大約為800°Ｃ，并且生產成本相對比較低，生產設備相對較簡單，生產工藝便于控制，而且產品質量相對較穩定，所以化學氣相沉積法是目前己知的最具商業開發價值和能夠大規模工業化生產CNTs的生產工藝。2化學氣相沉積法碳納米管材料的制備2化學氣相沉積法碳納米管材料的制備3激光蒸發法這種方法制備CNTs的基本裝置是把一根金屬催化劑和石墨混合的石墨靶放到一個長形的石英管中間，然后把該管置于加熱爐內，當溫度升到1473K時，就迅速把惰性氣體沖入管內，然后將一束激光聚焦于石墨靶上，石墨靶在激光照射下會生成氣態碳，氣流把這些氣態碳和催化劑粒子高溫區帶向低溫區，氣態碳在催化劑的作用下生長成單壁CNTs，激光蒸發法主要用于生產單壁CNTs。激光蒸發法可以得到較高產率CNTs，但由于成本太高，產物雜質多并難以分離提純，所以應用較少。碳納米管材料的制備4熱解聚合物法熱解聚合物法是通過熱解某些聚合物或有機金屬化合物的方法來制備CNTs的方法，已經有人先用檸檬酸和甘醇聚脂化，然后把得到的聚合物在400攝氏度左右韻空氣中連續加熱8個小時，最后將這些物質冷卻到室溫，就得到了CNTs，這種方法中的一個至關重要的影響因素是熱處理溫度。碳納米管材料的制備5電解法電解法是將石墨陰極浸于融解的無機鹽溶液中，然后在電流的作用下，使石墨陰極發生氧化還原反應，從而生成多壁CNTs，但是這種方法的制備工藝條件相當難以控制，而且產物的質量和產物的產量都相對較低，以熔融的堿金屬化合物為電解液，以石墨棒為電極，在氫氣氣氛中Hsu等用電解方法也合成了CNTs。碳納米管材料的制備6太陽能法另一種比較新型的制備CNTs的方法是太陽能法，這種方法是將陽光聚焦在一個石墨樣品上，使石墨樣品上的碳原子蒸發，這些蒸發的碳原子將會沉積在反應器的無太陽光聚焦的低溫區，太陽能法的設置主要是：用一平透鏡收集太陽光，然后反射到一個拋物柱鏡面上，并將此拋物柱鏡面把太陽光直接聚焦在石墨靶上，聚焦的太陽光可達的最高溫度大概為3000K，石墨靶被置于反應爐的中心，碳升華后被氬氣或氧氣吹到反應器的低溫區沉積，C．Jourent在1998年，用功率為2KW反應爐，通過調整各種反應條件，得到了單壁CNTs。碳納米管材料的應用新型碳纖維材料及增強材料

儲氫材料場致發射.用作超級電容器電極材料碳納米管應用碳納米管材料的應用儲氫材料利用氫能的障礙是氫氣的規模化存儲和運輸。按5人座的轎車行使500公里計算，需要3.1Kg的氫氣，以正常的油箱體積計算，氫氣的存儲密度應有6.5wt%或62Kg/m3，目前的儲氫材料都不能滿足這一要求。碳納米管由于其管道結構及多壁碳管之間的類石墨層空隙，使其成為最有潛力的儲氫材料，并是當前研究的熱點，國外學者證明在室溫和不到1bar的壓力下，單壁碳管可以吸附氫氣5-10wt%，有人認為在80K下，C/H比可達1/1（即8.25wt%）。有人認為多壁碳納米管儲氫可達14wt%。我們用NO反滴定法測定的多壁碳納米管的儲氫量在5wt%左右。目前，根據理論推算和近期反復驗證，大家普遍認為可逆儲/放氫量在5wt%左右，即使5wt%，也是迄今為止最好的儲氫材料。己經證實，堿金屬嵌入碳納米管會極大地提高其儲氫性能。碳納米管材料的應用儲氫材料碳納米管材料的應用儲氫材料美國通用汽車公司液氫為能源的燃料電池概念車－氫動一號碳納米管材料的應用場致發射

碳納米管具有極好的場致電子發射性能，這一性能可用于制作平面顯示裝置,取代體積大、重量重的陰極電子管技術。加州大學的研究人員證明碳納米管具有穩定性好和抗離子轟擊能力強等良好性能，可以在10-4Pa真空環境下工作，電流密度達到0.4A/cm3。將碳納米管沉積在一種高分子膜的陣列上，制成的顯示器，在200V的工作電壓下工作了200小時，電流密度可達10-2A/cm3。日本已制出該類技術的彩色電視機樣機，其圖象分辨率是目前已知其它技術所不可能達到的,他們在2001年將該種電視機推向市場。將單壁碳納米管在晶態金膜上組成陣列，可提供高達106A/cm3的電流密度。用碳納米管制成的電子槍與傳統的相比，不但具有在空氣中穩定、易制作的特點，而且具有較低的工作電壓和大的發射電流，適用于制造大的平面顯示器。碳納米管材料的應用碳納米管材料的應用場致發射韓國三星公司采用納米碳管作的平板顯示器碳納米管材料的應用新型碳纖維材料及增強材料碳納米管由于納米中空管及螺旋度的共同作用，具有極高的強度和理想的彈性，楊氏模量甚至可達1.3TPa，在內外層承受了16%的應變的情況下，碳納米管沒有斷裂，證明其具有非凡的韌性和恢復能力。碳納米管長徑比在1萬以上，強度比鋼高100倍，但重量不及鋼的1/6。

碳納米管具有如此優秀的力學性能，是一種絕好的纖維材料，它的性能優于當前的任何纖維，它既具有碳纖維的固有性質，又具有金屬材料的導電導熱性，陶瓷材料的耐熱耐蝕性，紡織纖維的柔軟可編性，以及高分子材料的輕度易加工性，是一種一材多能和一材多用的功能材料和結構材料，可望應用于材料領域的多個方面。尤其在汽車、飛機及其它飛行器的制造上帶來革命性的突破。

碳納米管材料的應用新型碳纖維材料及增強材料

碳納米管作為復合材料的纖維增強體表現出極好的強度、彈性、抗疲勞性以及各向同性。用激光合金化淬火工藝制出的碳納米管/45#鋼復合材料，硬度可達HRC69，抗磨性質比在同樣的工藝條件下合成的石墨/45#鋼復合材料提高40%。用碳納米管做增強纖維的銅基復合材料其耐磨性遠大于銅軸承。碳納米管又具有石墨的潤滑性和導電性，所以碳納米管在摩擦技術方面一定有很大的前途，特別是在航空、航天領域里的特殊制造業上有無可比擬的優勢。碳納米管作為水泥系列材料的增強材料，在水泥中具有極高的穩定性，對環境也無不良影響。耐沖擊性也得到了改善，制成的物件尺寸穩定，同時還防靜電、耐磨耗。碳納米管材料的應用新型碳纖維材料及增強材料這種新型碳納米管“橡膠”其實是一種名為粘彈性物質傳統材料，它的外表看起來很像泡沫耳塞，又像普通的橡皮擦。這種材料無論被怎樣扭曲、拉伸，彎曲，甚至被穿透，到最后都會恢復到原始狀態。它能抗低溫，例如木星最大衛星“泰坦”上的低溫；耐高溫，例如在宇宙中近距離接近太陽時的高溫，如果將它作為宇宙飛船的制作材料，那么人類的宇宙飛船將會“所向披靡”。任何極端溫度下都不會損壞的特殊的“鋼筋鐵骨橡膠”碳納米管材料的應用新型碳纖維材料及增強材料這種材料可以像橡膠一樣拉伸延展，最大可以延展至原始尺寸的1.7倍，而不會影響任何的性能。這款材料的奧秘在于其中整合了新型的碳納米管聚合物。這種材料還可以被應用于機器人領域，用來制造電子皮膚，從而使機器人獲得更為敏感的觸覺。可延展的電路板

碳納米管材料的應用用作超級電容器電極材料

碳納米管結晶度高、導電性好、比表面積大、微孔大小可通過合成工藝加以控制，比表面利用率可達100%，具備理想的超級電容器電極材料的所有要求。

超級電容器（supercapacitor）又叫電化學電容器，雙電層電容器，是一種新型的電容器，它的出現使得電容器的極限容量驟然上升了3-4個數量級，達到了千F/g級以上的大容量。由于雙電層電容器的工作原理是基于電極與電解液界面形成所謂的雙電層的空間電荷層，在這種雙電層中積蓄電荷，從而來實現儲能之目的。它不同于傳統意義上的電容器，類似于充電電池，但比傳統的充電電池具有更高的比功率和更長的循環壽命，循環壽命在萬次以上。因此電化學super-capacitor在移動通訊、信息技術、電動汽車、航空航天和國防科技等方面具有極其重要和廣闊的應用前景。碳納米管材料的應用用作超級電容器電極材料大功率的超級電容器對于電動汽車的啟動、加速和上坡行駛具有極其重要的意義，在汽車啟動和爬坡時快速提供大電流及大功率電流，在正常行駛時由蓄電池快速充電；在剎車時快速存儲發電機產生的大電流，這可減少電動車輛對蓄電池大電流充電的限制，大大延長蓄電池的使用壽命，提高電動汽車的實用性；對于燃料電池電動汽車的啟動更是不可少的。若其容量能進一步提高，可望取代電池使用。鑒于電化學超級電容器的重要性，各工業發達國家都給予了高度重視，成為國家重點的戰略研究和開發項目。參考文獻[1]

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