新型碳纳米材料的制备、性质及应用研究

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1、摘要富勒烯和纳米碳管是1985年和1991年发现的新型碳纳米材料，因其独特的结构特点和优异的性能而引起广泛的重视，成为纳米科技中的重要分支。本文主要研究纳米碳材料富勒烯和纳米碳管的结构、合成、萃取、提纯、分离、性质及其应用。本文分为七章，在第一章中综述了碳纳米材料富勒烯和纳米碳管的结构特点、一般性质、研究方法及其应用前景，综述了国内外在富勒烯和纳米碳管的研究方面的最新进展。第二章给出了用阳极弧蒸发石墨法合成及用甲苯萃取富勒烯Cso和C70的技术、并用高效液相色谱法分离ceo和C，o的技术，研究了影响制备Cso和C，o的产率的各种因素，诸如工作气体种类、弧电流大小、气压、电弧

2、稳定性、阴阳极石墨的纯度等，得到其最佳制备条件，用自己研制的装置得到产率高达17％的制备宏观量的c60和c70。第三章研究了C60的衍生物和掺S薄膜的性质。合成了c60的内修饰衍生物La@C60、外修饰衍生物C60Br24及水溶性多羟基富勒醇ceo(OH)。，并研究了它们的结构性质和质谱、红外吸收谱、核磁共振谱、高效液相色谱等波谱性质。制备了掺s的c。。薄膜，并研究其电学性质，发现了其半导体特性。在第四章给出了用阳极弧等离子体蒸发内含金属催化剂(Fe，co，Ni)的石墨棒合成单壁纳米碳管的技术及其最佳实验条件，同时用化学气相沉积法合成了纯度高、定向排列单壁纳米碳管阵列，并用

3、TEM、sEM、TGA、xRD和Raman谱技术对所合成的纳米碳管进行了多方面的表征，表明用阳极弧等离子体法合成的纳米碳管是结构缺陷少、准直、可广泛应用于探针和纳米电子器件的优质单壁纳米碳管及其管束，但是粗产物内含大量无定型碳和金属碳化物等杂质粒子。用气相氧化法、强酸氧化法和分部提纯法对电弧放电法合成的产物进行了提纯，得到了高收率、高纯度的单壁纳米碳管。研究了催化剂种类和含量、弧电流大小、缓冲气体种类、气压等诸多因素对纳米碳管产率和质量的影响，得到最佳的制各条件。提出弧电流的磁致收缩效应是生成高质量准直单壁纳米碳管及其管束的主要原因。第五章巾研究了富勒烯和纳米碳管的一般结构

4、特点，并探讨了其形成机理。提出碳笼的稳定性与碳笼的对称性相关，对称性越高，稳定性越高，同时其产率越高的理论。理论计算了单壁纳米碳管的结构，并理论推导和数值计算了单壁纳米碳管及其管束的密度与杨氏模量随碳管卣径变化的关系。第六章研究了纳米碳管复合材料，用拉伸法合成了单壁纳米碳管均匀分布并延拉伸方向定向排列的SwNT／PMMA复合村料，其电学性质和力学性质具有各1门异性。含3wt％纳米碳管的复合材料的电导率比纯PMMA提高了8个数量级，拉伸率从3500提高到5000，碳管的加入使复合材料的热学稳定性明显提高。研究，纳米碳管

5、￡内定向排列技术，提出了在流速梯度场巾和用拉伸法定向排列

6、纳米碳管的技术。用阳极弧等离子体蒸发寓含磁性材料粉末的石墨棒合成r碳纳米管包覆磁性纳米材料。研究了具有分叉结构、异质结结构等结构缺陷的纳米碳管。第七章展望了以后有关纳米碳材料的研究方向，主要包括：(1)研究以C60及其衍生物和纳米碳管为n型材料的有机太阳能电池的结构、制备和性质。(2)研究以水溶性富勒醇c。o(OH)。为高二次电子发射材料的用于空间相锁定扫描电子束刻蚀技术的基准网格，并测量C。o膜及其它材料膜的二次电子发射本领。在以上两个方面已经作了一些前期研究。关键词：富勒烯，纳米碳管。合成，性质，复合材料，应用AbstractThenewcarbonnanomateri

7、alsfhllereneC60，C70andcarbonnanotubeswerediscoVeredin1985and199lrespectjvely．0wetotheiridiographjcstructureanduniquepropenies，fullereneandcarbonnanotubeshavebeenthemostfocusedresearchingfieldandbecomenewnanomaterialsscienceandtechnology．Thetechniquesofsynthesis，purification，extraction，ands

8、eparationofC60，C：70andcarbonnanotubesarepresented，thestructures，characterizationandtheapplicationsofC60andcarbonnanOtubesarealsosludiedaswellinthisthesis．Thereare7chaptersinthjsthesis．Inchapter1，theresearchjngprogressoffu¨ereneandcarbonnanotubesa11overtheworld