碳納米管應(yīng)用的新

碳納米管應(yīng)用的新第一頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三

一、簡(jiǎn)介

二、碳納米管的性能

三、碳納米管電子學(xué)的應(yīng)用

四、碳納米管在信息存儲(chǔ)領(lǐng)域的應(yīng)用

五、碳納米管在儲(chǔ)氫材料領(lǐng)域的應(yīng)用

六、碳納米管在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用

七、碳納米管的其他應(yīng)用

八、結(jié)語(yǔ)

第二頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三簡(jiǎn)介

在1991年日本NEC公司基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)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(yàn)石墨電弧設(shè)備中產(chǎn)生的球狀碳分子時(shí)，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。第三頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三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(jié)構(gòu)連接完美，具有許多異常的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)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(yīng)用前景也不斷地展現(xiàn)出來(lái)。第四頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三1、碳納米管的力學(xué)性能理論和實(shí)驗(yàn)研究表明碳納米管具有極高的強(qiáng)度,理論計(jì)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(cè)定熱致振動(dòng)的振幅,結(jié)果表明,碳納米管具有異常高的揚(yáng)氏模量,平均值為118Tpa。同時(shí)碳納米管還具有極高的韌性,十分柔軟,它被認(rèn)為是未來(lái)的“超級(jí)纖維”。第五頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三2、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(xué)家們預(yù)言并證實(shí)了碳納米管具有極好的場(chǎng)致電子發(fā)射效應(yīng)。單壁碳納米管的直徑通常僅有1～2nm,長(zhǎng)度可以達(dá)到幾十至上百微米,長(zhǎng)徑比很大;而且其結(jié)構(gòu)完整性好,導(dǎo)電性很好,化學(xué)性能穩(wěn)定,具備了高性能場(chǎng)發(fā)射材料的基本結(jié)構(gòu)特征。第六頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三3、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(dǎo)電性或半導(dǎo)體特性。碳納米管具有獨(dú)特的導(dǎo)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(jí)電容器電極材料的要求。第七頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三4、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(jié)構(gòu)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(chǔ)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(qiáng)的二惡烷吸附劑,比活性碳高10倍,可用來(lái)除去水中的二惡烷。第八頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三5.碳納米管的化學(xué)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(jí)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。第九頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三碳納米管電子學(xué)的應(yīng)用碳納米電子管(cNTs)是一種具有顯著電子、機(jī)械和化學(xué)特性的獨(dú)特材料。其導(dǎo)電能力不同于普通的導(dǎo)體。性能方面的區(qū)別取決于應(yīng)用，也許是優(yōu)點(diǎn)，也許是缺點(diǎn)，也許是機(jī)會(huì)。在一理想納米碳管內(nèi)，電傳導(dǎo)以低溫漂軌道傳播的，如果電子管能無(wú)縫交接，低溫漂是計(jì)算機(jī)芯片的優(yōu)點(diǎn)。諸如電連接等的混亂極大地修改了這—行為。對(duì)十較慢的模擬信號(hào)的處理速度，四周環(huán)繞著平向球分子的碳納米管充當(dāng)傳播者已被實(shí)驗(yàn)讓實(shí)。第十頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三在后門(mén)將有碳的納米管穿過(guò)兩根金導(dǎo)線證明了場(chǎng)效應(yīng)分子晶體管，近來(lái)證實(shí)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(zhì)可使用化學(xué)方法來(lái)完成。CMOS類型變極器有n型和p型摻雜兩種。這項(xiàng)工作用達(dá)到10^5的開(kāi)關(guān)比率且具有高增益的晶體管電阻邏輯以實(shí)驗(yàn)證明了變極器和或非電路的性能。顯然，通過(guò)適當(dāng)?shù)嘏帕刑技{米管晶體管順序可實(shí)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(wèn)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(zhì)，這樣碳納米管可以作為模具，首先用金屬等物質(zhì)灌滿碳納米管，再把碳層腐蝕掉，就可以制備出最細(xì)的納米尺度的導(dǎo)線，或者全新的一維材料，在未來(lái)的分子電子學(xué)器件或納米電子學(xué)器件中得到應(yīng)用。有些碳納米管本身還可以作為納米尺度的導(dǎo)線。這樣利用碳納米管或者相關(guān)技術(shù)制備的微型導(dǎo)線可以置于硅芯片上，用來(lái)生產(chǎn)更加復(fù)雜的電路。第十一頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三碳納米管在信息存儲(chǔ)領(lǐng)域的應(yīng)用信息技術(shù)的進(jìn)步是晶體管不斷縮小的結(jié)果，晶體管主要應(yīng)用于信息收集與處理的各個(gè)方面。信息技術(shù)能力的不斷發(fā)展取決于更加強(qiáng)大的計(jì)算硬件制造業(yè)的不斷進(jìn)步。摩爾定律(集成電路的功能按指數(shù)增長(zhǎng)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(dǎo)體工業(yè)路標(biāo)ITRs根據(jù)應(yīng)用良好達(dá)40年的大型設(shè)備縮放比例預(yù)見(jiàn)了當(dāng)前摩爾定律可持續(xù)成為2016年的路標(biāo)，那時(shí)器件密度也相應(yīng)地增長(zhǎng)了32倍。達(dá)到和超越這一密度的障礙如下：平版印刷術(shù)、漏電流、電路連接需求和熱問(wèn)題。這些挑戰(zhàn)己激發(fā)了無(wú)數(shù)的科學(xué)研究，這些科學(xué)研究既致力十傳統(tǒng)的有硅系統(tǒng)的問(wèn)題，也想找到突破這些屏障的替代產(chǎn)品。納米技術(shù)引起了人們極大的興趣，多種材料以納米級(jí)的精度應(yīng)用于這一領(lǐng)域。第十二頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三碳納米管在制備過(guò)程中大多數(shù)都使用了過(guò)渡金屬粒子作為催化劑，在生長(zhǎng)的過(guò)程中，許多碳納米管的頂部和底部都封有直徑為幾個(gè)納米到幾十個(gè)納米數(shù)量級(jí)的催化劑顆粒。根據(jù)磁學(xué)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(gè)鐵磁粒子。因此碳納米管將具有實(shí)現(xiàn)新型的大規(guī)模信息存儲(chǔ)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(shù)己成功應(yīng)用十實(shí)際制作晶體管甚至簡(jiǎn)單的邏輯電路。在2001年所取得的進(jìn)步被科學(xué)雜志認(rèn)為是達(dá)—年的技術(shù)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(chǔ)器件具有如下的優(yōu)勢(shì)：信息存儲(chǔ)密度高：相對(duì)于傳統(tǒng)的磁介質(zhì)存儲(chǔ)和光盤(pán)存儲(chǔ)裝置來(lái)說(shuō)，利用碳納米管材料的三維磁存儲(chǔ)密度更高。納鐵磁粒子的信息存儲(chǔ)點(diǎn)徑可望達(dá)到5~50nm；信息存取速度快：信息存取時(shí)間可望達(dá)到2~5ns的數(shù)量級(jí)，相當(dāng)于現(xiàn)有計(jì)算機(jī)上的靜態(tài)存儲(chǔ)器（SRAM）的水平，比任何現(xiàn)有的非易失性存儲(chǔ)器都快得多；材料來(lái)源廣泛：制備碳納米管所需要的原材料來(lái)源相當(dāng)廣泛，制備工藝相對(duì)比較簡(jiǎn)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)。第十三頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三碳納米管在儲(chǔ)氫材料領(lǐng)域的應(yīng)用氫氣在未來(lái)的能源方面將扮演一個(gè)很重要的角色，它在釋放能量的過(guò)程中不會(huì)引起空氣的污染和導(dǎo)致溫室效應(yīng)，但目前仍然沒(méi)有一個(gè)實(shí)用的辦法存儲(chǔ)和運(yùn)輸氫氣，而這對(duì)氫氣能源的實(shí)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(chǔ)氫材料。由于碳納米管具有獨(dú)特的納米級(jí)尺寸和中空結(jié)構(gòu)，具有更大的表面積，相對(duì)于常用的吸附劑活性炭而言，具有更大的氫氣吸附能力。第十四頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三目前，碳納米管在儲(chǔ)氫方面具有更加明顯的優(yōu)勢(shì)，再加之碳材料的價(jià)格低廉，化學(xué)性能穩(wěn)定，密度比較小，碳納米管儲(chǔ)氫的應(yīng)用前景十分樂(lè)觀。目前，碳納米管儲(chǔ)氫應(yīng)用的主要問(wèn)題是進(jìn)一步提高儲(chǔ)氫率，探索碳納米管吸放氫氣條件，研究碳納米管材料的儲(chǔ)氫機(jī)理以及如何在工業(yè)上大量制備碳納米管。通過(guò)制備工藝的改進(jìn)、碳納米管的提純等方式，使得碳納米管的儲(chǔ)氫率進(jìn)一步提高。研究碳納米管吸放氫氣的物理過(guò)程，確定其吸放氫氣的物理?xiàng)l件，才能設(shè)計(jì)出相應(yīng)的儲(chǔ)氣、釋放系統(tǒng)，使得碳納米管在儲(chǔ)藏氫氣方面走向?qū)嵱没?。碳納米管作為一種新型的納米材料，對(duì)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(lái)描述碳納米管儲(chǔ)氫過(guò)程，這些問(wèn)題的解決，都需要進(jìn)一步開(kāi)展碳納米管儲(chǔ)氫方面的理論研究和實(shí)驗(yàn)研究。第十五頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三碳納米管在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用由于碳納米管的納米級(jí)尺寸，中空管狀和極高的楊氏模量，它被認(rèn)為是晶須類強(qiáng)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(yīng)力條件下產(chǎn)生裂紋的情況，并與普通碳纖維進(jìn)行了對(duì)比研究，結(jié)果證明碳納米管和基體間應(yīng)力傳遞效果至少比普通碳纖維高一個(gè)數(shù)量級(jí)，說(shuō)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(fù)合材料封裝于銀套中，在室溫下進(jìn)行拔長(zhǎng)加工后，對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)檢測(cè)和拉伸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果碳納米管沿著復(fù)合棒的長(zhǎng)度方向平行分布，測(cè)得的應(yīng)力－應(yīng)變曲線表明其斷裂應(yīng)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(biāo)。Ebbesen等將碳納米管加入高溫超導(dǎo)材料Bi2212中制成復(fù)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(dǎo)性能。第十六頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三利用碳納米管的性質(zhì)可以制作出很多性能優(yōu)異的復(fù)合材料。例如，碳納米管材料增強(qiáng)的塑料力學(xué)性能優(yōu)良、導(dǎo)電性好、耐腐蝕、屏蔽無(wú)線電波。使用水泥做基體的碳納米管復(fù)合材料耐沖擊性好、防靜電、耐磨損、穩(wěn)定性高，不易對(duì)環(huán)境造成影響。碳納米管增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料強(qiáng)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(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(kāi)，形成一個(gè)管子，極易被金屬浸潤(rùn)、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)。第十七頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三碳納米管的其他應(yīng)用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?？梢砸鹛技{米管在電流中的擺動(dòng)頻率發(fā)生變化，利用這一點(diǎn)，1999年，巴西和美國(guó)科學(xué)家發(fā)明了精度在10-17kg精度的“納米秤”，能夠稱量單個(gè)病毒的質(zhì)量。隨后德國(guó)科學(xué)家研制出能稱量單個(gè)原子的“納米秤”。第十八頁(yè)，共二十頁(yè)，編輯于2023年，星期三碳納米管具有優(yōu)良的場(chǎng)致發(fā)射特性，可以用于制作新型平板顯示器的場(chǎng)發(fā)射極。使用定向排列的碳納米管薄膜作為陰極的場(chǎng)致發(fā)射顯示器具有成本低、工藝簡(jiǎn)單、可靠性高的特點(diǎn)，可以用來(lái)制作點(diǎn)陣式顯示器、數(shù)碼管等各種顯示裝置。隨著納米科學(xué)和納米技術(shù)的發(fā)展，大大的提高對(duì)來(lái)自生物化學(xué)戰(zhàn)爭(zhēng)和人類疾病的探測(cè)和反應(yīng)。運(yùn)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(jié)構(gòu)本身的分戶組成的運(yùn)動(dòng)功能個(gè)獲得能量，舊且也能夠探測(cè)出疾病和生物、化學(xué)的威脅。這些納米裝置也將能夠阻止來(lái)自牛物恐怖主義戰(zhàn)爭(zhēng)和化學(xué)戰(zhàn)爭(zhēng)的威