碳纳米管-cnt

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1、碳纳米管CarbonNanotubes,CNTs太空电梯－未来的地球-太空班车“太空电梯”工作原理图CNT-basedCable力学性能beforetestaftertest杨氏模量1~5TPa，与石墨片层相当(1.06TPa)，比碳纤维高一个数量级，约为钢的100倍，而密度仅为钢的1/6拉伸强度10~150GPa，石墨片层为36.5GPa，是高强钢的20倍韧性拉伸形变至40％无明显脆性行为、塑性形变和断裂MWNTtensiletestSWNTtensiletestbeforetestaftertestE15GPaE=120±10GPaσ=11

2、6±10MPa简史~1985Bacon和Endo在碳纤维合成过程中，可能已经制备出并观察到了碳纳米管，但研究不够系统和深入1985Kroto,Smalley和Curl(1996年NobelPrize)发现并系统研究了富勒烯，从而激励了对碳纳米材料的系统研究，直接促进了碳纳米管的发现1991Iijima(NEC,Japan)利用HRTEM观察到了碳纳米管状结构－多壁碳纳米管（MWNT）1992前苏联科学家也独立发现了碳纳米管，但结果发表在俄语杂志上1993Iijima(NEC,Japan)和Bethune(IBM,USA)的研究组各自独立发现了单壁

3、碳纳米管（SWNT）结构SWNT管壁由单石墨片层卷绕而成，两侧由富勒烯半球封端根据卷绕方式（n,m）的不同，SWNT可分为armchairn=mzigzagn=0chiraln≠m,m≠0根据电子结构的不同，SWNT可分为金属性(n-m)/3为整数半导体性(n-m)/3为非整数单石墨片层armchair型SWNTzigzag型SWNTchiral型SWNTMWNT可视为“同轴多层碳圆柱体的组装体”–Russiandoll层间距~0.34nm(石墨片层间距0.335nm)多层碳圆柱体间由弱的VandeWaals力提供绑缚力结构（续）SWN

4、TMWNTSTM照片TEM照片合成方法电弧放电法（Arc-Discharge）以掺有过渡金属（如Fe,Co,Ni,Mo等）或其氧化物的石墨为电极，在惰性气体环境中，电弧放电，消耗阳极石墨，在阴极上生成碳纳米管电压－12~25V;电流－50~120A;电极间隙－~1mm最早应用的碳纳米管合成方法可生产SWNT和MWNT简单、快速，制得的碳纳米管直而管径较细碳纳米管易烧结成束，难于分离和提纯，收率较低合成方法（续）激光烧蚀法（LaserAblation）惰性气氛中，利用激光的高能量蒸发石墨靶（含金属催化剂）来合成碳纳米管可生产SWNT和MWNT所得碳

5、纳米管品质高，结构完整，缺陷较少，适合生长SWNT成本高，收率低合成方法（续）典型的化学气相沉积工艺化学气相沉积法（ChemicalVaporDeposition,CVD）利用纳米尺度的过渡金属或其氧化物为催化剂，在相对较低的温度(500-1200℃)下热解碳源气体(甲烷、乙炔、乙烯、丙烯、苯和一氧化碳等)来合成碳纳米管可生产SWNT和MWNT成本低，收率高，可大量生产碳纳米管的管径在很大程度上依赖于催化剂颗粒的成分和尺寸，分布较宽；较多的结晶缺陷，石墨化程度较低，常发生弯曲和变形，管端和管壁上包有催化剂颗粒等离子体增强化学气相沉积工艺(Plas

6、ma-enhancedCVD,PECVD)高压一氧化碳合成工艺（High-pressurecarbonmonoxidesynthesis，HiPCO）CNTsbeingsynthesizedbyPECVD分离与提纯碳纳米管在进行结构表征、性能测试和应用之前，通常须进行分离与提纯CVD碳纳米管，根据应用需要，有时须进行高温石墨化处理以提高其结构完整性合成产物中，常伴有大量杂质，如无定型碳、富勒烯、金属催化剂等常用的分离与提纯方法－氧化法利用碳纳米管与杂质的氧化性差异将产物中的杂质氧化除去具体实施方法包括空气氧化法、二氧化碳氧化法、酸氧化法、电化

7、学氧化法等气体氧化法的选择性较差，碳纳米管的收率降低幅度较大常用的酸氧化法具有较高的选择性，但会在碳纳米管管端和管壁上引入较多缺陷高温热处理（annealingininertatmosphere）金属催化剂在高温下会发生汽化石墨化碳纳米管，有利于其结构更完美直接合成的SWNT提纯后的SWNT性能超高的长径比准一维量子线直径纳米级，长度微米至毫米甚至厘米级，长径比可高达28,000,000理想的复合材料增强填料经填充、包裹和空间限制反应可用于制备其它一维纳米材料CNT力学性能性能（续）beforetestaftertest杨氏模量1~5TP

8、a，与石墨片层相当(1.06TPa)，比碳纤维高一个数量级，约为钢的100倍，而密度仅为钢的1/6拉伸强度10~150GPa，石墨片层为