固體碳的新形態(tài)碳納米管

1、.固體碳的新形態(tài)碳納米管隨著C60及富勒烯化合物的合成，尋找碳可能存在的同素異形體業(yè)已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，1991年，日本科學(xué)家飯島Iijima發(fā)現(xiàn)了一種針狀的管形碳單質(zhì)碳納米管。1992年Ebbesn等提出了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模合成碳納米管的方法。宏觀量碳納米管的合成和提純，給碳納米管化學(xué)性質(zhì)的研究提供了可能性。此后，許多國家的科學(xué)家投入大量的精力對碳納米管的制備、性質(zhì)、應(yīng)用進(jìn)展了一系列的研究，并獲得了可喜的成果。1構(gòu)造碳納米管，又名巴基管，是一種具有特殊構(gòu)造徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級、管子兩端根本上都封口的一維量子材料。它主要由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管圖1。層與層之

2、間保持固定的間隔 ，約0.34nm，直徑一般為220nm。碳納米管不總是筆直的，而是部分區(qū)域出現(xiàn)凸凹現(xiàn)象，這是由于在六邊形編織過程中出現(xiàn)了五邊形和七邊形。除六邊形外，五邊形和七邊形在碳納米管中也扮演重要角色。當(dāng)六邊形逐漸延伸出現(xiàn)五邊形時，由于張力的關(guān)系而導(dǎo)致納米管凸出。假如五邊形正好出如今碳納米管的頂端，即形成碳納米管的封口。當(dāng)出現(xiàn)七邊形時，納米管那么凹進(jìn)。兩根毗鄰的碳納米管不是直接粘在一起的，而是保持一定間隔 ，Ruff等用Jarrel-Ash掃描顯微光度計(jì)準(zhǔn)確測量了兩根非常接近的碳納米管間的間隔 。圖12碳納米管的制備目前，大量的碳納米管主要采用以下方法來制備：1電弧法其原理為石墨電極在電

3、弧產(chǎn)生的高溫下蒸發(fā)，在陰極沉積出納米管。這種方法具有簡單快速的特點(diǎn)，到目前為止，仍不失為一種好的制備方法。Colbert等認(rèn)為該法所產(chǎn)生的碳納米管缺陷較多，究其原因是電弧溫度高達(dá)300070000C，形成的碳納米管被燒結(jié)于一體，造成較多的缺陷。所以他們把一般陰極大石墨電極改成一個可以冷卻的銅電極，再在上面接石墨電極圖2，這樣產(chǎn)物的形貌和構(gòu)造大為改觀，使電弧法再次煥發(fā)了青春。圖22氣相熱解法該法的產(chǎn)率較高，但含管狀構(gòu)造的產(chǎn)物比例不高，管徑不整齊，形狀不規(guī)那么，且在制備過程中必須使用催化劑。3固相熱解法固相熱解法是采用常規(guī)固相熱解含碳亞穩(wěn)固體生長碳納米管的新的方法。本法具有過程穩(wěn)定、不需催化劑、原

4、位生長等多種優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)槭茉系南拗?，使其消費(fèi)不能上規(guī)模和連續(xù)化。4離子或激光濺射法此法易于連續(xù)消費(fèi)，但由于設(shè)備上的原因，限制了它的規(guī)模。3單層碳納米管的發(fā)現(xiàn)為了檢測碳納米管的電子構(gòu)造和機(jī)械強(qiáng)度，人們希望得到具有較好的形貌，長度較長，厚度較薄，嵌套層數(shù)較少的碳納米管。雖然通常采用電弧法合成的碳納米管多為多層構(gòu)造，但在進(jìn)展碳納米管的有關(guān)計(jì)算時，人們最為關(guān)注的卻是單層碳納米管。1993年，日本NEC公司在Iijima和美國的IBM公司的Bethune研究組幾乎同時發(fā)現(xiàn)了單層碳納米管的合成。Iijima在通常的電弧放電反響器中，充入總壓力為1.33×104Pa的甲烷與氬氣，陰極碳電極的一部

5、分換成鐵，鐵與碳同時蒸發(fā)那么得單層碳納米管。Bethune等那么在電弧放電法制備碳納米管過程中，發(fā)現(xiàn)存在有直徑12nm的單層碳納米管。日本三重大學(xué)的Saito用鎳或稀土元素充填陰極棒，合成了現(xiàn)有報(bào)道中最小尺寸的碳納米管，它們的平均直徑大約為1nm，最小直徑為0.7nm。應(yīng)該注意的是，用上述方法制得的單層碳納米管，不是存在于陰極堆積物中，而是在含有大量金屬碳化物飛散的碳黑中。由此可知，單層碳納米管是在Fe、Co、Ni、稀土元素等金屬催化下于氣相中生成的，這一點(diǎn)與在惰性氣氛中生成富勒烯非常相似。4碳納米管的應(yīng)用碳納米管具有與富勒烯分子相似的性質(zhì)其端面有碳五元環(huán)的存在。由于它獨(dú)特的電子構(gòu)造及物理化學(xué)

6、特性，它在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用已引起各國科學(xué)家的普遍關(guān)注。1高強(qiáng)度碳纖維材料決定增強(qiáng)型纖維強(qiáng)度的一個關(guān)鍵是長度和直徑之比。目前材料材料工程師希望得到的長度直徑比至少是201。然而，即使在如今能得到的以納米計(jì)算的長度中，納米管的長度也是直徑的幾千倍，因此號稱“超級纖維。它們的強(qiáng)度比鋼高100倍，但重量只有鋼的六分之一。它們非常微小，5萬個并排起來才有人的一根頭發(fā)那么寬。2復(fù)合材料碳納米管復(fù)合材料的基體可用樹脂、炭、金屬和無機(jī)材料等。用碳納米管材料增強(qiáng)的塑料，不僅力學(xué)性能優(yōu)良，而且抗疲勞、抗蠕變、材料尺寸穩(wěn)定；又由于磨擦系數(shù)小，故滑動性能好，與金屬相比振動衰減性好；此外，它們還具有導(dǎo)電、耐蝕、屏蔽電波

7、和X射線透過性好等優(yōu)點(diǎn)。混凝土、水泥灰漿、水泥漿等水泥系列材料價格低廉、耐火、耐熱、耐蝕性能優(yōu)良，壓縮強(qiáng)度也高，因此在土木、建筑、海洋工程工程方面被大量使用。但是它們是脆性材料，拉伸強(qiáng)度，抗彎強(qiáng)度，以及沖擊強(qiáng)度都比較低。為了改善其力學(xué)性能，人們很早就研究、開發(fā)了一系列增強(qiáng)材料，但效果均不理想。碳納米管水泥基體中有極高的穩(wěn)定性，也不對環(huán)境造成不良影響。其耐沖擊性也得到改善，由它制成的構(gòu)件尺寸穩(wěn)定，同時還具有防靜電性和耐磨耗等性能。碳納米管增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料具有較高強(qiáng)度，機(jī)械沖擊性能、熱沖擊性能都得以改善，斷裂韌性也大幅度進(jìn)步。碳納米管的端面由于碳五元環(huán)的存在，增強(qiáng)了它的反響活性，在外界高溫和其他反

8、響物質(zhì)存在的條件下，很容易在端面處被翻開，形成一個管子，極易被金屬浸潤，和金屬形成金屬基復(fù)合材料。這種材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、熱膨脹系數(shù)小和抵抗熱變性能強(qiáng)等一系列優(yōu)異性能。3納米電子器件由于碳納米管壁能被某些化學(xué)反響所“溶解，因此它們可以作為易于處理的模具。只要用金屬灌滿碳納米管，然后把碳層腐蝕掉，即可得到納米尺度的導(dǎo)線。目前，除此之外無其他可靠的方法來得到納米尺度的金屬導(dǎo)線。本法可進(jìn)一步地縮小微電子技術(shù)的尺寸，從而到達(dá)納米的尺度。理論計(jì)算說明，碳納米管的電導(dǎo)取決于它們的直徑和晶體構(gòu)造。某些管徑的碳納米管是良好的導(dǎo)體，而另外一些管徑的那么可能是半導(dǎo)體。如今日本NEC公司的研究人員證

9、實(shí)巴基管具有比普通石墨材料更好的導(dǎo)電性，因此碳納米管不僅可用于制造納米導(dǎo)線的模具，而且還可以用來制造導(dǎo)線本身。物理學(xué)家BroughtonJQ認(rèn)為將來可以采用碳納米管制造出分子程度的線圈筒、活塞和泵等微型零件來組裝成微型引擎或其他裝置，來恢復(fù)病體功能。利用碳納米管的電子特性，可用來制作晶體管開頭電路或微型傳感器元件。它還可以做為鋰離子電池的正極和負(fù)極，使電池壽命增長，充放電性能好。此外碳納米管被認(rèn)為是制造新一代平面顯示屏極有希望的材料。4催化纖維和膜工業(yè)畔梁及其研究組將硫酸工業(yè)和石油化工中應(yīng)用的重要的催化劑氧化釩灌注進(jìn)或涂覆在碳納米管上，氧化釩有時可以到達(dá)納米管管壁的石墨層的間隙中。用氧把碳管氧化掉，就只剩下全部由氧化釩組成的超小型纖維，形狀頗似納米管。這種被制成納米纖維的氧化釩，因其有極高的外表積，催化效果大大加強(qiáng)。除氧化釩外，碳納米管還可作為其他金屬和金屬氧化物催化劑的載體，最大限度地進(jìn)步催化劑的效率。碳納米管“列陣制成的取向膜，可被用作場發(fā)射器件，也可被制成濾膜，由于膜也為納米級，可對某些分子和病毒進(jìn)展過濾，從而使超濾膜進(jìn)入一個嶄新的天地。5展望碳納米管這一固體碳的發(fā)現(xiàn)，以及其本身所擁有的