碳納米管應用的新第1頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月

一、簡介

二、碳納米管的性能

三、碳納米管電子學的應用

四、碳納米管在信息存儲領域的應用

五、碳納米管在儲氫材料領域的應用

六、碳納米管在復合材料領域的應用

七、碳納米管的其他應用

八、結語

第2頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月簡介

在1991年日本NEC公司基礎研究實驗室的電子顯微鏡專家飯島(Iijima)在高分辨透射電子顯微鏡下檢驗石墨電弧設備中產(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,這就是現(xiàn)在被稱作的“Carbonnanotube”，即碳納米管,又名巴基管。第3頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月碳納米管的性能碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結構連接完美，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用前景也不斷地展現(xiàn)出來。第4頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月1、碳納米管的力學性能理論和實驗研究表明碳納米管具有極高的強度,理論計算值為鋼的100倍,但其密度僅為鋼的1/6。Treacy等人在透射電子顯微鏡中測定熱致振動的振幅,結果表明,碳納米管具有異常高的揚氏模量,平均值為118Tpa。同時碳納米管還具有極高的韌性,十分柔軟,它被認為是未來的“超級纖維”。第5頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月2、碳納米管的發(fā)射性能由于碳納米管具有納米尺度的尖端,有利于電子的發(fā)射,科學家們預言并證實了碳納米管具有極好的場致電子發(fā)射效應。單壁碳納米管的直徑通常僅有1～2nm,長度可以達到幾十至上百微米,長徑比很大;而且其結構完整性好,導電性很好,化學性能穩(wěn)定,具備了高性能場發(fā)射材料的基本結構特征。第6頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月3、碳納米管的電磁性能碳納米管不同的直徑和螺旋度可以使其呈現(xiàn)金屬導電性或半導體特性。碳納米管具有獨特的導電性、很高的熱穩(wěn)定性和本征遷移率,比表面積大,微孔集中在一定范圍內(nèi),滿足理想的超級電容器電極材料的要求。第7頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月4、碳納米管的吸附性能由于碳納米管具有較大的比表面積、特殊的管道結構以及多壁碳納米管之間的類石墨層隙,使其成為最有潛力的儲氫材料,在燃料電池方面有著重要的作用。另外碳納米管也是一種超強的二惡烷吸附劑,比活性碳高10倍,可用來除去水中的二惡烷。第8頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月5.碳納米管的化學性能在催化研究方面,碳納米管已被用于分散和穩(wěn)定納米級的金屬小顆粒。由碳納米管制得的催化劑可以改善多相催化的選擇。第9頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月碳納米管電子學的應用碳納米電子管(cNTs)是一種具有顯著電子、機械和化學特性的獨特材料。其導電能力不同于普通的導體。性能方面的區(qū)別取決于應用，也許是優(yōu)點，也許是缺點，也許是機會。在一理想納米碳管內(nèi)，電傳導以低溫漂軌道傳播的，如果電子管能無縫交接，低溫漂是計算機芯片的優(yōu)點。諸如電連接等的混亂極大地修改了這—行為。對十較慢的模擬信號的處理速度，四周環(huán)繞著平向球分子的碳納米管充當傳播者已被實驗讓實。第10頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月在后門將有碳的納米管穿過兩根金導線證明了場效應分子晶體管，近來證實邏輯電路的難題遇到了靜電摻雜碳納米管。碳納米管的摻雜質可使用化學方法來完成。CMOS類型變極器有n型和p型摻雜兩種。這項工作用達到10^5的開關比率且具有高增益的晶體管電阻邏輯以實驗證明了變極器和或非電路的性能。顯然，通過適當?shù)嘏帕刑技{米管晶體管順序可實現(xiàn)與、或、與非和異或功能。盡管這些成果代表巨大成就，許多問題仍然存在。在碳納米管的內(nèi)部可以填充金屬、氧化物等物質，這樣碳納米管可以作為模具，首先用金屬等物質灌滿碳納米管，再把碳層腐蝕掉，就可以制備出最細的納米尺度的導線，或者全新的一維材料，在未來的分子電子學器件或納米電子學器件中得到應用。有些碳納米管本身還可以作為納米尺度的導線。這樣利用碳納米管或者相關技術制備的微型導線可以置于硅芯片上，用來生產(chǎn)更加復雜的電路。第11頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月碳納米管在信息存儲領域的應用信息技術的進步是晶體管不斷縮小的結果，晶體管主要應用于信息收集與處理的各個方面。信息技術能力的不斷發(fā)展取決于更加強大的計算硬件制造業(yè)的不斷進步。摩爾定律(集成電路的功能按指數(shù)增長的規(guī)律)一直延續(xù)到今天。盡管在這一范圍內(nèi)有潛在的局限性，半導體工業(yè)路標ITRs根據(jù)應用良好達40年的大型設備縮放比例預見了當前摩爾定律可持續(xù)成為2016年的路標，那時器件密度也相應地增長了32倍。達到和超越這一密度的障礙如下：平版印刷術、漏電流、電路連接需求和熱問題。這些挑戰(zhàn)己激發(fā)了無數(shù)的科學研究，這些科學研究既致力十傳統(tǒng)的有硅系統(tǒng)的問題，也想找到突破這些屏障的替代產(chǎn)品。納米技術引起了人們極大的興趣，多種材料以納米級的精度應用于這一領域。第12頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月碳納米管在制備過程中大多數(shù)都使用了過渡金屬粒子作為催化劑，在生長的過程中，許多碳納米管的頂部和底部都封有直徑為幾個納米到幾十個納米數(shù)量級的催化劑顆粒。根據(jù)磁學理論可以知道，這些粒子是單磁疇粒子，可以穩(wěn)定地記錄信息。單根碳納米管在垂直方向上可以存在多個鐵磁粒子。因此碳納米管將具有實現(xiàn)新型的大規(guī)模信息存儲的可能性。用分子制作邏輯電路的熱情正空前高漲，碳納米電子管和分子層晶體管的力分離技術己成功應用十實際制作晶體管甚至簡單的邏輯電路。在2001年所取得的進步被科學雜志認為是達—年的技術突破。使用含有鐵磁納米粒子的碳納米管材料作為三維磁存儲器件具有如下的優(yōu)勢：信息存儲密度高：相對于傳統(tǒng)的磁介質存儲和光盤存儲裝置來說，利用碳納米管材料的三維磁存儲密度更高。納鐵磁粒子的信息存儲點徑可望達到5~50nm；信息存取速度快：信息存取時間可望達到2~5ns的數(shù)量級，相當于現(xiàn)有計算機上的靜態(tài)存儲器（SRAM）的水平，比任何現(xiàn)有的非易失性存儲器都快得多；材料來源廣泛：制備碳納米管所需要的原材料來源相當廣泛，制備工藝相對比較簡單，流程比較少，成本低廉，非常適合于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。第13頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月碳納米管在儲氫材料領域的應用氫氣在未來的能源方面將扮演一個很重要的角色，它在釋放能量的過程中不會引起空氣的污染和導致溫室效應，但目前仍然沒有一個實用的辦法存儲和運輸氫氣，而這對氫氣能源的實用化是十分重要的。最近的研究表明，碳納米管非常適合于作為儲氫材料。由于碳納米管具有獨特的納米級尺寸和中空結構，具有更大的表面積，相對于常用的吸附劑活性炭而言，具有更大的氫氣吸附能力。第14頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月目前，碳納米管在儲氫方面具有更加明顯的優(yōu)勢，再加之碳材料的價格低廉，化學性能穩(wěn)定，密度比較小，碳納米管儲氫的應用前景十分樂觀。目前，碳納米管儲氫應用的主要問題是進一步提高儲氫率，探索碳納米管吸放氫氣條件，研究碳納米管材料的儲氫機理以及如何在工業(yè)上大量制備碳納米管。通過制備工藝的改進、碳納米管的提純等方式，使得碳納米管的儲氫率進一步提高。研究碳納米管吸放氫氣的物理過程，確定其吸放氫氣的物理條件，才能設計出相應的儲氣、釋放系統(tǒng)，使得碳納米管在儲藏氫氣方面走向實用化。碳納米管作為一種新型的納米材料，對原有的氣體吸附理論也提出了新的挑戰(zhàn)，需要使用新的理論來描述碳納米管儲氫過程，這些問題的解決，都需要進一步開展碳納米管儲氫方面的理論研究和實驗研究。第15頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月碳納米管在復合材料領域的應用由于碳納米管的納米級尺寸，中空管狀和極高的楊氏模量，它被認為是晶須類強化相的終極形式。Wagner等人研究了高聚物基體中加入的碳納米管在拉應力條件下產(chǎn)生裂紋的情況，并與普通碳纖維進行了對比研究，結果證明碳納米管和基體間應力傳遞效果至少比普通碳纖維高一個數(shù)量級，說明碳納米管和基體間有著良好的界面。Kuzumaki等人將碳納米管與C60的復合材料封裝于銀套中，在室溫下進行拔長加工后，對其進行了結構檢測和拉伸實驗，結果碳納米管沿著復合棒的長度方向平行分布，測得的應力－應變曲線表明其斷裂應力比純C60樣提高了20多倍。將碳納米管加入功能材料中，有可能改善材料的性能指標。Ebbesen等將碳納米管加入高溫超導材料Bi2212中制成復合材料，發(fā)現(xiàn)比未加碳納米管的基體材料具有更好的超導性能。第16頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月利用碳納米管的性質可以制作出很多性能優(yōu)異的復合材料。例如，碳納米管材料增強的塑料力學性能優(yōu)良、導電性好、耐腐蝕、屏蔽無線電波。使用水泥做基體的碳納米管復合材料耐沖擊性好、防靜電、耐磨損、穩(wěn)定性高，不易對環(huán)境造成影響。碳納米管增強陶瓷復合材料強度高，抗沖擊性能好。碳納米管上由于存在五元環(huán)的缺陷，增強了反應活性，在高溫和其他物質存在的條件下，碳納米管容易在端面處打開，形成一個管子，極易被金屬浸潤、和金屬形成金屬基復合材料。這樣的材料強度高、模量高、耐高溫、熱膨脹系數(shù)小、抵抗熱變性能強。第17頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月碳納米管的其他應用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最細的試管。碳納米管上極小的微粒可以引起碳納米管在電流中的擺動頻率發(fā)生變化，利用這一點，1999年，巴西和美國科學家發(fā)明了精度在10-17kg精度的“納米秤”，能夠稱量單個病毒的質量。隨后德國科學家研制出能稱量單個原子的“納米秤”。第18頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月碳納米管具有優(yōu)良的場致發(fā)射特性，可以用于制作新型平板顯示器的場發(fā)射極。使用定向排列的碳納米管薄膜作為陰極的場致發(fā)射顯示器具有成本低、工藝簡單、可靠性高的特點，可以用來制作點陣式顯示器、數(shù)碼管等各種顯示裝置。隨著納米科學和納米技術的發(fā)展，大大的提高對來自生物化學戰(zhàn)爭和人類疾病的探測和反應。運用納米器件可以改善衛(wèi)生保健和提高人類的能力。納米裝置能從人體結構本身的分戶組成的運動功能個獲得能量，舊且也能夠探測出疾病和生物、化學的威脅。這些納米裝置也將能夠阻止來自牛物恐怖主義戰(zhàn)爭和化學戰(zhàn)爭的威