對碳納米管的初步認(rèn)識

1、班級本碩141班學(xué)號 5702114005作者彭臣對碳納米管的初步認(rèn)識摘要：碳納米管是由石墨層卷曲而成的中空管道，可分為單壁碳納米管和多壁碳納米管，隨著 直徑的不同，碳納米管可表現(xiàn)出金屬性，半金屬性和半導(dǎo)體性，這種性質(zhì)使得了碳納米管在 半導(dǎo)體等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。目前，化學(xué)氣相沉積法是可控生長碳納米管的主要方法，由于 其反應(yīng)中包含復(fù)雜的氣相反應(yīng)和固相反應(yīng)，所以化學(xué)氣相沉積法生長碳納米管的機(jī)理及參數(shù) 最優(yōu)化是人們研究的要點(diǎn)?，F(xiàn)在的碳納米管主要用于制備高壓抗沖擊材料和理想的氫氣儲備 材料等。關(guān)鍵詞：碳納米管、特性、制備方法、應(yīng)用碳納米管又被稱作巴基管，可分為單壁碳納米管和多壁碳納米管，其中，多壁碳納

2、米管 在開始形成的時候，層與層之間很容易成為陷阱中心而捕獲各種缺陷，因而多壁管的管壁上 通常布滿小洞樣的缺陷。與多壁管相比，單壁管直徑大小的分布范圍小，缺陷少，具有更高 的均勻一致性。由于個人知識不足，及單壁碳納米管的典型性，因此將圍繞單壁碳納米管進(jìn) 行討論。特性：單壁管典型直徑在0.6-2nm，最粗可達(dá)數(shù)百納米，但典型管徑為2-100nm。熔點(diǎn)高，大 概能打到3550攝氏度，硬度較大，相當(dāng)于等體積鋼鐵的一百倍，而質(zhì)量只相當(dāng)于其1/6到 1/7之間，因此，碳納米管又被稱作“超級纖維”。碳納米管的碳原子雜化方式和石墨類似，采取sp2和sp3雜化類型，單壁彎曲卷折成無 縫、中空的管狀體，一般由六邊

3、形所構(gòu)成，同時還有一些五邊形和七邊形對稱存在于碳納米 管的彎曲部位。類似于石墨，碳納米管既表現(xiàn)出自身獨(dú)特的性質(zhì)，還有類似于金屬的導(dǎo)電性 和導(dǎo)熱性。關(guān)于碳納米管的導(dǎo)電性，因?yàn)殡娮幽軒ЫY(jié)構(gòu)比較特殊，電子在碳納米管徑向運(yùn)動受到限 制，而在軸向可自由運(yùn)動，表現(xiàn)出典型的量子限制效應(yīng)。并且由于其直徑不同，導(dǎo)電性也有 差別，從而表現(xiàn)出導(dǎo)體和半導(dǎo)體的特點(diǎn)。當(dāng)碳納米管用作電線時，傳導(dǎo)的電流可以比性質(zhì)優(yōu) 異的硅芯片小一百倍。導(dǎo)電性優(yōu)于銅，儲電量是銅導(dǎo)線的一千倍。關(guān)于其導(dǎo)熱性，碳納米管具有很好的熱穩(wěn)定性，沿著其長度方向的熱交換性能很高，相 對的其垂直方向的熱交換性能較低，通過合適的取向，碳納米管可以合成高各向異性的

4、熱傳 導(dǎo)材料。另外，碳納米管有著較高的熱導(dǎo)率，只要在復(fù)合材料中摻雜微量的碳納米管，該復(fù) 合材料的熱導(dǎo)率將會可能得到很大的改善。另外，在力學(xué)性能上，因?yàn)樘继兼I是自然界已知的強(qiáng)化學(xué)鍵之一，并且碳納米管的結(jié)構(gòu) 是比較完整的石墨烯網(wǎng)絡(luò)，理想的單壁碳納米管的強(qiáng)度可以達(dá)到1.0Tpa以上，是高強(qiáng)度的 材料。因?yàn)槠溆歇?dú)特的一維結(jié)構(gòu)，（即中空的管狀單壁結(jié)構(gòu)）可以為電子提供有效的通道，因 此，在光電化學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)，在一定強(qiáng)度的光束照耀條件下，碳納米管壁表面的電子可以發(fā) 生電離，并且能夠在中空的管道中做相對定向的移動。制備方法：1、石墨電弧法石墨電弧法又被稱作直流電弧法，最初被用于富勒烯（C60、C70等）的制備

5、，也是制 備碳納米管最初的方法。大概過程為：在真空反應(yīng)室中充滿一定壓力的惰性氣體或氫氣，以 較粗大的石墨棒為陰極，較細(xì)的石墨棒為陽極。通電之后，兩電極之間總保持著1mm左右 的間隙，摻雜少量的金屬催化劑（如：鎳，鐵等）在電弧放電時陰極的石墨不斷被消耗，同 時在陽極沉積出碳納米管（類似于在非活潑金屬便面鍍上活潑金屬）。優(yōu)點(diǎn)：生產(chǎn)速度快，工藝簡單，生成的管道較直，而且結(jié)晶度較高。缺點(diǎn)：電弧溫度高（可達(dá)30003700攝氏度，超過了碳納米管的溫度）這樣就會使管 道燒結(jié)成束，同時，由于催化劑的存在，管道中含有雜質(zhì)。同時，由于陰極被不斷消耗，這 就要求不斷更換石墨棒，對制備有較大的影響。此類方法多用于制

6、作單壁碳納米管。2、化學(xué)氣相沉積法又被稱作催化裂解法，原理是通過烴類物質(zhì)（如：甲烷、乙烯、丙烯和苯等）或是含 碳氧化物在催化劑的催化下高溫裂解而成。其中，催化劑多使用過渡金屬元素（如：Fe、Ni、Co、Cu等），碳源主要選用乙炔、 甲烷、乙烯、丙烯，因?yàn)椴煌奶荚礆怏w活性不同（不飽和烴比飽和烴的氣體活性大）， 因此得到的碳納米管結(jié)構(gòu)和特性也不同。不同的烴所需要的裂解溫度也不同，這也就決定 了裂解溫度是影響碳納米管產(chǎn)量和形貌的最大工藝參數(shù)。以鐵為催化劑，單載在Sio2上， 將乙炔在700攝氏度的條件下裂解可以得到較好的效果。若以多空Sio2為載體，用四乙 氧硅烷溶解硝酸鐵，浸在Sio2上，然后在

7、H2-N2氦中在550攝氏度下進(jìn)行還原處理，得 到的碳納米管與Sio2孔的直徑基本相同（即直徑較?。﹥?yōu)點(diǎn)：操作簡單，工藝參數(shù)更易控制，易于大規(guī)模生產(chǎn)，并且產(chǎn)量較高。缺點(diǎn)：因?yàn)閷訑?shù)較多，產(chǎn)生彎曲，含有許多雜質(zhì)，發(fā)生纏繞形成微米級團(tuán)狀物，需要 進(jìn)一步分散處理。此類方法多用于制造多壁碳納米管。3、低溫固態(tài)熱解法此類方法通過制備中間體來制備碳納米管首先，先制備亞穩(wěn)定狀態(tài)的納米級氮化碳硅，（Si-C-N，一類陶瓷中間體）然后將此 中間體放在氮化硼坩堝中，在石墨電阻爐中加熱分解，同時通入氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)性氣體， 大約加熱一小時左右，納米中間體粉末開始熱解，碳原子向表面遷移。表層熱解產(chǎn)物中 可以獲得高比例的碳納

8、米管和高硅氮化硅粉末。優(yōu)點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)重復(fù)生產(chǎn)，原料易得，要求的條件較低。缺點(diǎn)：雜質(zhì)含量較大并且難以剔除。4、其他方法此外，還有熱解聚合物法、離子輻射法、電解法等多種方法。應(yīng)用1作為存儲材料因?yàn)樘技{米管的中空結(jié)構(gòu)和較高的硬度，因此經(jīng)常被作為存儲材料。例如，被認(rèn)為 是未來能源的氫氣，由于其密度較小，熔點(diǎn)沸點(diǎn)都比較低，無論是壓縮成液體或者是固 體都比較困難。但是利用碳納米管的中空結(jié)構(gòu)和極小的直徑，則可以進(jìn)行氫氣的儲備和 運(yùn)輸，在提取氫氣時，利用碳納米管的高熔點(diǎn)和氫氣的低沸點(diǎn)，只需要進(jìn)行稍微加熱即 可使氫氣逸出。目前，將氫氣存入碳納米管正成為制備理想的便捷攜氫材料的主要方法。 但是，由于成本較高，氫氣在

9、長距離運(yùn)輸過程中也會過早逸出，而將碳納米管末端燒結(jié) 成束效果也不理想，因此，儲氫材料依然處于實(shí)驗(yàn)階段。除此之外，在碳納米管內(nèi)部填充金屬、氧化物等物質(zhì)，可以制備理想的模具，方法 與制造較大型模具時基本相同，將金屬或者氧化物的溶液倒入碳納米管中，等到冷卻后， 腐蝕掉碳層，就可以得到內(nèi)部的金屬和氧化物質(zhì)。這樣，可以制作出納米級的導(dǎo)線，或 者是全新的一維材料。將一維材料運(yùn)用到硅芯片上，可以制造出更加復(fù)雜精確的電路。 但是，如何將溶液注入碳納米管，需要較高的技術(shù)和較大的成本，這種方法依然沒有得 到推廣。2、合成復(fù)合材料將碳納米管與塑膠等整合，可以增加塑膠的硬度和柔韌性。使用水泥做基體的碳納米管 抗壓抗沖

10、擊能力極大增強(qiáng)，并且不易對環(huán)境造成影響。由于碳納米管上存在五元環(huán)的缺陷， 增強(qiáng)了反應(yīng)活性，在高溫和其他物質(zhì)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(fù)合材料。這樣的材料強(qiáng)度高、模量高、耐高溫、 熱膨脹系數(shù)小、抵抗熱變性能強(qiáng)。在光復(fù)合材料和半導(dǎo)體復(fù)合材料和其他應(yīng)用中，碳納米管 正在逐步受到重視。3、其他方面在科學(xué)研究方面，碳納米管還給物理學(xué)家提供了研究毛細(xì)現(xiàn)象機(jī)理最細(xì)的毛細(xì)管，給 化學(xué)家提供了進(jìn)行納米化學(xué)反應(yīng)最細(xì)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(diǎn)，1999年，巴西和美國科學(xué)家發(fā)明了精度在 10-17mg精度的“納米秤”，能夠稱量單個病毒的質(zhì)量。隨后德國科學(xué)家研制出能稱量單個原子的“納米秤”。參考文獻(xiàn)陳曦.碳納米管及其復(fù)合材料的力學(xué)特性D.上海交通大學(xué),2013.顏浩然.石墨烯與碳納米管的物理特性比較研究D.江南大學(xué),2009.孫曉剛，曾效舒，程國安.碳納米管的特性及應(yīng)用J.中國粉體技術(shù),2001,06:29-33.張春山，邵曼君.碳納米管及其研究進(jìn)展J.化工新型材料,2004,07:1-5.劉華，李春艷,陳建超，楊曉峰.碳納米管及其應(yīng)用進(jìn)展J.廣州化工,2011,04:20-21+72.