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)已成為人們關注的焦點，1991年，日本科學家飯島Iijima發(fā)現了一種針狀的管形碳單質碳納米管。1992年Ebbesn等提出了實驗室規(guī)模合成碳納米管的方法。宏觀量碳納米管的合成和提純，給碳納米管化學性質的研究提供了可能性。此后，許多國家的科學家投入大量的精力對碳納米管的制備、性質、應用進展了一系列的研究，并獲得了可喜的成果。1構造碳納米管，又名巴基管，是一種具有特殊構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成數層到數十層的同軸圓管圖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)域出現凸凹現象，這是由于在六邊形編織過程中出現了五邊形和七邊形。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。當六邊形逐漸延伸出現五邊形時，由于張力的關系而導致納米管凸出。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。當出現七邊形時，納米管那么凹進。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掃描顯微光度計準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，到目前為止，仍不失為一種好的制備方法。Colbert等認為該法所產生的碳納米管缺陷較多，究其原因是電弧溫度高達300070000C，形成的碳納米管被燒結于一體，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，這樣產物的形貌和構造大為改觀，使電弧法再次煥發(fā)了青春。圖22氣相熱解法該法的產率較高，但含管狀構造的產物比例不高，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，但因為受原料的限制，使其消費不能上規(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，但由于設備上的原因，限制了它的規(guī)模。3單層碳納米管的發(fā)現為了檢測碳納米管的電子構造和機械強度，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造，但在進展碳納米管的有關計算時，人們最為關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)現存在有直徑12nm的單層碳納米管。日本三重大學的Saito用鎳或稀土元素充填陰極棒，合成了現有報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，這一點與在惰性氣氛中生成富勒烯非常相似。4碳納米管的應用碳納米管具有與富勒烯分子相似的性質其端面有碳五元環(huán)的存在。由于它獨特的電子構造及物理化學

6、特性，它在各個領域中的應用已引起各國科學家的普遍關注。1高強度碳纖維材料決定增強型纖維強度的一個關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復合材料碳納米管復合材料的基體可用樹脂、炭、金屬和無機材料等。用碳納米管材料增強的塑料，不僅力學性能優(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，它們還具有導電、耐蝕、屏蔽電波

7、和X射線透過性好等優(yōu)點?；炷?、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，拉伸強度，抗彎強度，以及沖擊強度都比較低。為了改善其力學性能，人們很早就研究、開發(fā)了一系列增強材料，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。碳納米管增強陶瓷復合材料具有較高強度，機械沖擊性能、熱沖擊性能都得以改善，斷裂韌性也大幅度進步。碳納米管的端面由于碳五元環(huán)的存在，增強了它的反響活性，在外界高溫和其他反

8、響物質存在的條件下，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合材料。這種材料具有高比強度、高比模量、耐高溫、熱膨脹系數小和抵抗熱變性能強等一系列優(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線。本法可進一步地縮小微電子技術的尺寸，從而到達納米的尺度。理論計算說明，碳納米管的電導取決于它們的直徑和晶體構造。某些管徑的碳納米管是良好的導體，而另外一些管徑的那么可能是半導體。如今日本NEC公司的研究人員證

9、實巴基管具有比普通石墨材料更好的導電性，因此碳納米管不僅可用于制造納米導線的模具，而且還可以用來制造導線本身。物理學家BroughtonJQ認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極，使電池壽命增長，充放電性能好。此外碳納米管被認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)和石油化工中應用的重要的催化劑氧化釩灌注進或涂覆在碳納米管上，氧化釩有時可以到達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。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展過濾，從而使超濾膜進入一個嶄新的天地。5展望碳納米管這一固體碳的發(fā)現，以及其本身所擁有的