碳纳米管的特性及应用进展.pdf

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1、碳纳米管的特性及应用进展王茜天津滨海职业学院天津300451摘要：本文综述了碳纳米管的研究状况，介绍了碳纳米管的特点及制备方法，指出了碳纳米管在一些领域的应用及未来的发展趋势。关键字：碳纳米管制备性能应用PropertiesandApplicationsofCarbonNanotubesAbstract:TheprogressinstudiesofCarbonNanotubesisreviewed.ThecharacteristicsandpreparationofCarbonNanotubeswereintro

2、duced.TheCarbonNanotubesinsomedomainsapplicationsandthefuturedevelopmenttendencywerepointedout..Keywords:CarbonNanotubesPreparationPerformanceApplication引言1991年，日本电镜专家Iijima[1]在高分辨透射电子显微镜下检查石墨电弧设备中的产物时首次发现了碳纳米管（CarbonNanotubes,CNTs）。碳纳米管自被发现以来，由于其独有的结构和奇特的物理、

3、化学特性以及潜在的应用前景而日益受到人们的关注，引起了各国科学家的极大兴趣，目前已成为物理学、化学、材料学等领域的国际研究热点之一。1碳纳米管结构目前普遍认为，碳纳米管是由单层或多层石墨片按一定角度卷曲而成、两端封闭的无缝纳米级管，每层管的管壁由碳原子通过sp2杂化及少量sp3杂化与周围碳原子完全键合成的六边形碳环围成。朱艳秋[2]经实测认为碳纳米管属六方晶系晶体结构，其晶格常数为a=0.2457nm，c=0.6852nm。同常规石墨晶格常数比较，c值略有增大（2.27%），而a值略有减小（2.51%）。增大的c

4、值与石墨层片间的相互匹配有关，封闭的笼形结构使碳纳米管具有很好的自锁结构。减小的a值表明石墨层片内的结合更紧密，碳纳米管轴向碳原子间的C-C键结合更强，沿轴向具有更高的强度。由于制备方法和处理工艺的不同，碳纳米管的结构也多种多样。总体上来说，按照石墨片层数的不同，可将碳纳米管分为单壁碳纳米管（Single-WalledCarbonNanotubes,SWCNTs）、双壁碳纳米管（Double-WalledCarbonNanotubes,DWCNTs）和多壁碳纳米管（Multi-WalledCarbonNanotu

5、bes,MWCNTs）。其中，单壁碳纳米管层内碳原子结合方式是由卷曲的石墨管身和两端呈碳原子半球的封闭曲面构成。双壁和多壁碳纳米管则可看作由单壁碳纳米管套装而成，即由多个碳原子六方点阵的同轴圆柱面套构而成的空心小管，相邻的同轴圆柱面之间的间距与石墨的层间距相当，约为0.34nm。2碳纳米管的制备方法目前碳纳米管的制备方法主要包括三种：石墨电弧法、激光蒸发法和化学气相沉积法。一般来说，前两种方法制得的碳纳米管质量较好，但产量较低，且不能连续生产；化学气相沉积法制得的碳纳米管质量虽不如前两种，但被认为是最有可能实现工

6、业化生产的方法。2.1石墨电弧法石墨电弧法又称直流电弧法，它是在反应室中充以一定压力的惰性气体和氢气，采用较粗大的石墨棒为阴极，细石墨棒为阳极，在电弧放电的过程中阳极石墨棒不断被消耗，同时在阴极石墨棒上沉积出含有碳纳米管的沉积物。石墨电弧法制备的碳纳米管的生长原理可以描述为：碳原子或者碳团簇在阴极表面由于降温而凝聚产生；随着碳的不断提供和为了消除开口管端的悬键不断产生，碳纳米管主要是沿轴向方向生长；一旦碳的供应停止，开口端将迅速封闭以达到稳定态。石墨电弧法可用于制备单壁碳纳米管、多壁碳纳米管和单壁碳纳米管束。该方

7、法生产的碳纳米管一般较平直，石墨化程度高，缺陷相对较少，但是该法制备碳纳米管的产量和效率较低。2.2激光蒸发石墨法激光蒸发石墨法是利用激光脉冲照射预置催化剂的石墨靶上，在局部高能量的作用下生成碳纳米管的方法。在激光蒸发石墨靶的过程中发现了C60，1995年Smalley等人采用同样的方法制备出了碳纳米管。该方法可以在没有催化剂的条件下生成碳纳米管，制备出的碳纳米管的纯度更高，但是不能进行大批量生产。[3]激光蒸发法制得的碳纳米管性质均一稳定，石墨化程度较高，特别适用于制备单壁碳纳米管。其缺点在于设备较昂贵（含高能

8、激光器），且产量较少。2.3化学气相沉积法化学气相沉积法（ChemicalVaporDeposition,CVD）又称催化裂解法，其制备碳纳米管的机理与气相生长碳纤维类似：在一定的温度下，碳源气体首先在纳米级的催化剂表面裂解形成碳源，碳源通过催化剂扩散，在催化剂表面长出碳纳米管，同时推着催化剂颗粒前移，直到催化剂颗粒全部被碳层包围，碳纳米管生长结束。采用化学气相沉积可以得