碳纳米材料的性能及应用
Z09016114 蔡排枝
摘要:纳米材料被誉为21 世纪的重要材料,而作为新型纳米材料的碳纳米材料因其本身所拥有的潜在优越性,在化学、物理学及材料学领域具有广阔的应用前景。本文依据目前碳纳米材料的研究发展现状,阐述了碳纳米材料碳60、碳纳米管及石墨烯的结构性能,并对其应用特性进行了初步探讨和分析。
.引言
碳纳米材料是指材料微观结构在0-3 维内其长度不超过100nm;由碳原子组成, 材料中至少有一维处于纳米尺度范围0-100nm;具有纳米结构。它有四种基本类型:a. 纳米粒子原子团如 C 60 (零维 b. 碳纳米纤维和碳纳米管(1维 c. 碳纳米层或膜材料石墨烯(2 维 d.块体纳米材料如金刚石(3 维。
由于碳纳米材料的独特结构,使其具有不同于常规材料和单个分子的性质如量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等,从而导致了碳纳米材料的力学性能、电磁性能、光学性能、热学性能等的改变,并使之在电子学、光学、化工陶瓷、生物、医药、日化诸多方面有重要价值,得到广泛的应用。由于石墨,金刚石并不是常用的碳纳米材料。
碳纳米材料中,目前应用最成熟的就是碳纳米管。碳纳米管是一种具有独特结构的一维量子材料,由石碳原子层卷曲而成,管直径一般为几纳米到几十纳米,管厚度仅为几纳米,长度可达数微米。由于拥有潜在的优越能,碳纳米管无论在物理、化学还是在材料科学领域都将有大发展前景。比如在材料科学领域,碳纳米管的长度是直的几千倍,被称为“超级纤维”其,性质随直径和螺旋角的同有明显变化。近年来,美国、日本、德国和中国等国家相成立了纳米材料研究机
构,使碳纳米管的研究进展随之加快并在制备及应用方面取得了突破性进展。
.碳纳米材料的性能
2.1C60的主要性质及应用
C60具有缺电子烯的性质,同时它又兼备给电子能力,六元环间的
6:6 双键为反应的活性部位,可发生诸如氢化、卤化、氧化还原、环加成、光化与催化及自由基加成等多种化学反应,并可参与配合作用。
C60 在超导、磁性、光学、催化、材料及生物等方面表现出优异的性能,对它的研究已广泛开展。
(1超导体
超导现象是大约10 年前第一次在一种电子搀杂的富勒烯C60 中发现的。C60 分子本身是不导电的绝缘体,但当碱金属嵌人C60分子之间的空隙后,C60 与碱金属的系列化合物将转变为超导体如K3C60即为超导体,且具有很高的超导临界温度。
(2光学特性
由于C60 分子中存在的三维高度非定域(电子共轭结构使得它具有良好的光学及非线性光学性能。C60 光激发后很容易形成电子一空穴对从而产生光电子转移,C60 还具有较大的非线性光学系数和高稳定性等特点,可以预计C60 将是很好的光电导材料、新型非线性光学材料,有望在光计算、光记忆、光信号处理及控制等方面有所应用。
(3 功能材料的制备
由于C60 特殊笼形结构及功能,将C60作为新型功能基团引入高分子体系,得到具有优异导电、光学性质的新型功能高分子材料。将富勒烯丰富的电子和电化学性质与富电子的过渡金属配合物Ru—bipy,Ru —
terpy,二茂铁等电活性物种结合可用于新型分子电子器件的制备。华中科技大学刘晓国等人将纳米富勒烯与丙烯酸(酯单体在引发剂作用下共聚,用该聚和物与有机胺中和成盐使其水性化,制得水溶性纳米富勒烯一丙烯酸(酯高分子成膜材料,发现富勒烯对丙烯酸(酯聚和物具有独特的成膜改性功能。
(4新型催化剂
C60分子的电子亲和力较高(2.6—2.8 ev易于通过分子内或分子间的电子授受作用而发生氧化还原反应,
因此多数富勒烯或其衍生物的金属配合物均具有良好的催化性能,如C60Pdn 可在常温下催化苯乙炔的氢化, C60Pt(H h32、C60Pm 对端烯烃的硅氢加成有良好的催化活性。
(5生物活性材料
Friedman 等人报道了水溶性二氨基二酸二苯基C60衍生物的合成方法,并证明它有抑制HIVP 活性的功效,而艾滋病研究的关键是有效抑制的活性。Nakajima 等人将他们合成的带聚乙二醇的C60~t 生物与HelaS3 细胞共同培养并用光照射,结果呈现细胞毒性。
2.2碳纳米管的结构性能及应用
由碳原子形成的石墨烯片层围成的一种管状结构,而且它们的直径很小,基本都在纳米尺度,所以称其为纳米碳管。在理想情况下,仅仅包含一层石墨烯的纳米碳管称为单壁纳米碳管。包含两层以上石墨烯片层的纳米碳管称为多壁纳米碳管,片层之间的距离为0.34-0.36nm。
碳纳米管是指由类似石墨的六边形网格组成的管状物,可以看作是石墨片层绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成。管子一般由单层或多层组成
,相应的纳米碳管就
称为单壁纳米碳管(SWNT 和多壁纳米碳管(MWNT 。碳纳米管的直径在几微米到几十纳米之间,长度可达数微米,因此有较大的管径比。资料表明:碳纳米管的晶体结构为密排六方( hcp , a = 0. 24568nm, c = 0. 6852nm, c / a = 2. 786与,石墨相比,a 值稍小而 c 值稍大, 预示着同一层碳管内原子间有更强的键合力, 碳纳米管有极高的同轴向强度。多壁碳纳米管存在三种类型的结构,分别称为单臂纳米管、锯齿形纳米管和手性纳米管。
碳纳米管具有很高的杨氏模量和抗拉强度,杨氏模量估计可高达
5TPa ;同时碳纳米管还具有极高的韧性,十分柔软。碳纳米管的导电性与本身的直径和螺旋度有关,随着这些参数的变化可表现出导体或半导体性质.碳纳米管管壁在生长过程中有时会出现五边形和七边形缺陷,使其局部区域呈现异质结特性.不同拓扑结构的碳纳米管连接在一起会出现非线性结效应,有近乎理想的整流效应.在室温条件下,碳纳米管能够吸收较窄频谱的光波,能以新的频谱发射光波,还能发射与原来频谱完全相同的光波。可以有以下的应用。
(1纳米电子学方面
作为典型的一维量子输运材料,用金属性单层碳纳米管制成的三极管在低温下表现出典型的库仑阻塞和量子电导效应.碳纳米管既可作为最细的导线被用在纳米电子学器件中,也可以被制成新一代的量子器件.碳纳米管还可用作扫描隧道显微镜或原子力显微镜的探针。碳纳米管还为合成其它一维纳米材料的控制生长提供了一种模板或框架,碳纳米管在高温下非常稳定,利用碳纳米管的限制反应可制备其它材料的一维纳米结构.这一方法用于制备多种金属碳化物一维纳米晶体和制备氮化物的一维纳米材料。在硅衬底上生长碳纳米管阵列的工艺与现行的微电子器件的制备工艺完全兼容,这就为碳纳米管器件与硅器件的集成提供了可能。美国IBM 公司于2001 年用单分子碳纳米管成功制成了当时世界上最小的逻辑电路。美国IBM 于2002 年成功开发出了当时最高性能的碳
纳米管晶体管,比当时用硅制成的最先进的晶体管的速度还要快.
(2 信息科学方面
碳纳米管可制作碳纳米管场致发射显示器碳纳米管的顶端很细,有利于电子的
发射,它可用做电子发射源,推动场发射平面显示发展.实验证明在硅衬底上可生长规则的碳纳米管阵列,采用蒸发和掩膜技术在硅表面形成铁的薄膜微观图形,利用乙烯做反应气体,在适当的反应条件下,碳纳米管可垂直于衬底表面生长,形成规则的阵列阵列的形状由衬底上铁膜的微观图形决定.这种碳纳米管阵列的一个可能的直接应用是场发射平面显示.西安交通大学朱长纯教授领导的研究小组采用新的技术,引导碳纳米管有序、定向地生长在导电的硅片衬底上引,并且进一步研制出功能完备的场发射像素管0 训,由于其纯度高、有序性好,场发射性能也大为提高。和传统显示器比,这种显示器不仅体积小,重量轻,大大省电,显示质量好,而且响应时间仅为几微秒,从零下45℃到零上85℃都能正常工作.
(3能源方面
由于碳纳米管具有独特的纳米级尺寸和空心结构,有较大的比表面积,比常用的吸附剂活性炭有更大的氢气吸附能力,非常适合作为储氢的材料.碳纳米管在储氢率方面有明显的优势,加之碳材料的价格低廉,化学性能稳定,密度较小,CNT 储氢的应用前景很好。中科院金属研究所青年研究员成会明博士研究小组,
在单壁纳米碳管的储氢研究方面取得显著成果,他们采用等离子体氢电弧法半连续大量制备出高质量单壁纳米碳管,其纯度高,纳米碳管的直径较粗.在室温下获得优异储氢性能,储氢量达4Wt%以上,其中约四分之三的储量可在室温和常压下放出
(4 材料方面应用
碳纳米管的强度约比钢高100多倍,而比重却只有钢的1/6;同时碳纳米管还具有极高的韧性,十分柔软。它被认为是未来的“超级纤维”是,复合材料中极好的加强材料。目前已经用于纳米结构复合材料和混凝土的强化.对碳纳米管可控制生长技术、表征技术和应用的深入研究将会促进纳米科学和技术的发展,有助于发现新的效应,发展新的器件,以至于形成新的产业。
(5 制备纳米材料的模板
一维纳米中空孔道赋予了纳米碳管独特的吸附、储气和浸润特性。根据理论计算,中空的纳米碳管具有毛细作用,纳米碳管为模板制备其它纳米线的研究工作。以纳米碳管为基础,利用它的中空结构和毛细作用可制备其它纳米结构。对纳米碳管进行B、N 等元素掺杂已获得了一系列新型纳米管。以纳米碳管为母体,通过气相反应方法可以制备出SiC、GeO2、GaN 等多种纳米棒以及各种金属的
纳米线。这些新的一维纳米材料的出现,必将对纳米材料的研究和发展产生积
极的影响
(6 催化剂载体
纳米材料比表面积大,具有特殊的电子效应和表面效应。如气体通过纳米碳管的扩散速度为常规催化剂颗粒的上千倍,担载上催化剂后可极大地提高催化剂的活性和选择性,使其在加氢、脱氢和择型催化等反应中具有很大的应用潜力。
(7复合材料增强相
碳纳米管还有非凡的力学性质。理论计算表明,碳纳米管应具有极高的强度和极大的韧性。由于碳纳米管中碳原子间距短、单层碳纳米管的管径小,使得结构中的缺陷不易存在,因此单层碳纳米管的杨氏模量据估计可高达 5 太帕,其
强度约为钢的100倍,而密度却只有钢的1/6。因此,碳纳米管被认为是强化相的终级形式,人们估计碳纳米管在复合材料中的应用前景将十分广阔。
(8纳米器件
纳米碳管的电学性质与其结构密切相关。就其导电性而言,由于纳米碳管直径和螺旋角不同,可以是金属性的,也可以是半导体性的,甚至在同一根纳米碳管上的不同部位,由于结构的变化,也可以呈现出不同的导电性。纳米碳管中存在大量未成对电子,但其在纳米碳管中的径向运动却受到限制,表现出典型的量子限域效应;而电子在轴向的运动不受任何限制。因此,可以认为纳米碳管是一维量子导线。利用催化热解法成功地制备了纳米碳管-硅纳米线,测试表明,这种金属-半导体异质结具有二极管的整流作用。当一个金属性单层纳米碳管与一个半导体性单层纳米碳管同轴套构而形成一个双层纳米碳管时,两个单层管仍分别保持原来的金属性和半导体性,利用这一特性可制造具有同轴结构的金属-半导体器件。
纳米碳管的电学性能和所处气氛有关,在不同气体气氛下,其电阻会发生改变,根据这一现象有可能把纳米碳管用作体积很小而灵敏度极高的化学传感器。纳米碳管具有优异的场发射性能,而且在空气中稳定同时具有较低工作电压和大的发射电流等优点,直径细小的纳米碳管可以用来制作极细的电子枪,在室温及低于80伏的偏置
电压下,即可获得0.1~1微安的发射电流。有望在新一代冷阴极平面显示器中得到应用。
2.3石墨烯的主要性质及应用
石墨烯除了有特殊的结构外,还具有一系列独特的性质。最显著的是它的导热性和机械强度。石墨烯本身就是一个良好的导热体,可以很快地散发热量,而电子穿过石墨烯几乎没有任何阻力,所产生的热量也非常少;而它的强度可以和碳纳米管相媲美,理想强度可达110--130 GPa[6j。理想的单层石墨烯具有超大的比表面积(2 630m2/g17j,是很有潜力的储能材料;同时石墨烯又是一种非常优异的半导体材料,具有比硅高很多的载流子迁移率(2 ×105cm2/V,因为即使在室温下载流子在石墨烯中的平均自由程和相干长度也可为微米级。石墨烯还是目前已知在常温下导电性能最优秀的材料,电子在其中的运动速度远远超过了一般导体,达到了光速的1/300;这一特性使其在纳电子元件、传感器、晶体管及电池中有着巨大的应用前
景。石墨烯还具有良好的透光性,是传统IT0 膜潜在替代产品。石墨烯可应用在以下方面。
(1锂离子电池中的应用
石墨烯作为电池电极材料以提高电池效率有着诱人的应用前景。单层或者多层石墨烯在锂离子电池里的应用潜力引起了各国学者的极大关注。Yoo 等人对应用于锂离子二次电池负极材料中石罢烯的性能进行了研究,发现其比容量可以达到540 mAh/g。如果在其中掺入C60 和碳纳米管后,负极的比容量分别可达784mAh /g和730mAh/g,Khan ~tha 等人通过理论计算讨论了石墨烯的储锂机理。
(2计算机芯片材料中的应用
马里兰大学物理学家的研究表明,未来的计算机芯片材料中石墨烯可
能取代硅。石墨烯具有远高于硅的载流子迁移率,并且从理论上说,它的电子迁移率和空穴迁移率两者相等.因此其n 型场效应晶体管和P 型场效应晶体管是对称的,因为其还具有零禁带特性,即使在室温下载流子在石墨烯中的平均自由程和相干长度也可为微米级,所以它是一种性能非常优异的半导体材料.专家指出硅基芯片在室温条件下的速度是有限的,很难再大幅提高;而电子穿过石墨烯几乎没有任何阻力,所产生的热量也非常少,且石墨烯本身就是一个良好的导热体,可以很快地散发热量,由石墨烯制造的集成电路运行的速度将要快得多.据估计用石墨烯器件制成的计算机的运行速度可达到lT(1012Hz ,即比现在常见的1G(109的计算机快1000 倍.
(3 减少纳米元件噪声领域的应用
普通的纳米元件随着尺寸越来越小,电噪声(电荷在材料中反弹导致各种各样的干涉,会变得越来越大,这种关系被称为“豪格规则Hogue'Slaw因”此. ,如何减小噪声成为实现纳米元件的关键问题之一。美国蚴司[25-27J 宣布,通过一层叠加在另一层上面的双层石墨烯来构建晶体管时,发现可大幅降低纳米元件特有的噪声。虽然这离其商品化生产还甚遥远,还有不少难题要克服,但降低噪声是石墨烯晶体管研制过程中迈出的重要一步。
三、总结
随着研究的不断深入,碳纳米材料的优异性能和潜在价值被逐步发掘出来,而其在复合材料、纳米器件、储氢材料,量子计算机以及超灵敏传感器等领域也受到了越来越多的关注。当前碳纳米材料的研究还主要集中在基础研究方面,如何大规模制备碳纳米材料如碳纳米管,石墨烯人是未来的一个研究重点。相信在不远的将来, 碳纳米材料会给人类的生活,生产实践带来巨大的变化。
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纳米碳材料的特性及应用 纳米碳材料是指由碳原子组成的材料，在纳米尺度下具有特殊的物理、化学和电子性质。常见的纳米碳材料包括纳米管、纳米颗粒和石墨烯等。纳米碳材料具有以下特性： 1. 巨大的比表面积：纳米碳材料具有极高的比表面积，使其具有优异的吸附性能和催化性能。比表面积的增大有助于提高材料的活性。 2. 准一维或二维结构：纳米碳材料常常具有准一维或二维结构，例如碳纳米管是一种具有管状结构的材料，石墨烯是一种单层碳原子排列成二维平面结构的材料。这种结构使纳米碳材料具有特殊的电子和光学性质。 3. 高导电性和高机械强度：纳米碳材料具有优异的导电性和机械强度。其中，碳纳米管具有优异的导电性和力学性能，是一种理想的导电材料。石墨烯也具有较高的导电性和机械强度，具有广泛的应用前景。 4. 优异的光学特性：纳米碳材料具有优异的光学特性，例如碳纳米管具有独特的吸收和发射光谱特性，可以应用于光电器件和生物标记。 纳米碳材料在许多领域具有广泛的应用，包括以下几个方面： 1. 电子学应用：由于纳米碳材料具有优异的导电性和机械强度，常用于制备导
电材料和电子器件。碳纳米管和石墨烯等纳米材料可用于制备柔性电子器件、场发射材料和导电粘合剂等。 2. 催化应用：纳米碳材料具有较大的比表面积和良好的催化性能，可用作催化材料。纳米碳材料在催化剂的设计和开发中起到重要的作用，特别是碳纳米管在应用于催化反应中具有较高的活性和选择性。 3. 吸附材料：纳米碳材料具有巨大的比表面积和优异的吸附性能，可用作吸附剂。纳米碳材料对有机物质和重金属离子等具有良好吸附能力，可应用于环境污染物的吸附和处理。 4. 生物医学应用：纳米碳材料在生物医学领域具有广泛的应用。纳米碳材料具有较好的生物相容性和生物活性，可以用于生物传感器、药物传递、组织工程和生物成像等方面。 5. 能源存储和转换：纳米碳材料在能源领域具有重要的应用价值。碳纳米管和石墨烯等纳米材料具有较高的电导率，可用于制备电池电极材料、超级电容器和燃料电池等。 总之，纳米碳材料具有独特的物理、化学和电子特性，广泛应用于电子学、催化、吸附、生物医学和能源领域等。随着纳米技术的进一步发展，纳米碳材料的研究
碳纳米管的性能及应用领域 碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有很多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料讨论的深入其广阔的应用前景也不断地呈现出来。 一、碳纳米管的性能 1.1力学性能 不同类型的碳纳米管 碳纳米管具有良好的力学性能，碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，可以拉伸。碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相像，但其结构却比高分子材料稳定得多。碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。若将以其他工程材料为基体与碳纳米管制成复合材料，可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗疲乏性及各向同性，给复合材料的性能带来极大的改善。 1.2导电性能 碳纳米管制成的透亮导电薄膜 碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域键，由于共轭效应显著，碳纳米管具有一些特别的电学性质。 碳纳米管具有良好的导电性能，由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。对于一个给定的纳米管，在某个方向上表现出金属性，是良好的导体，否则表现为半导体。对于这个的方向，碳纳米管表现出良好的导电性，电导率通常可达铜的1万倍。 1.3传热性能 采纳了碳纳米管涂层的热水器内胆 碳纳米管具有良好的传热性能，碳纳米管具有特别大的长径比，因而其沿着长度方向的热交换性能很高，相对的其垂直方向的热交换性
能较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合成高各向异性的热传导材料。另外，碳纳米管有着较高的热导率，只要在复合材料中掺杂微量的碳纳 米管，该复合材料的热导率将会可能得到很大的改善。 二、碳纳米管的应用 2.1电子领域 碳纳米电子管（CNTS）是一种具有显著电子、机械和化学特性的 独特材料。其导电本领不同于一般的导体。性能方面的区分取决于应用，或许是优点，或许是缺点，或许是机会。在一理想纳米碳管内，电传导 以低温漂轨道传播的，假如电子管能无缝交接，低温漂是计算机芯片的 优点。诸如电连接等的混乱极大地修改了这行为。对十较慢的模拟信号 的处理速度，四周环围着平向球分子的碳纳米管充当传播者已被试验证明。 碳纳米管光纤导电性能是铜电缆的4倍 在碳纳米管的内部可以填充金属、氧化物等物质，这样碳纳米管 可以作为模具，首先用金属等物质灌满碳纳米管，再把碳层腐蚀掉，就 可以制备出最细的纳米尺度的导线，或者全新的一维材料，在将来的分 子电子学器件或纳米电子学器件中得到应用。有些碳纳米管本身还可以 作为纳米尺度的导线。这样利用碳纳米管或者相关技术制备的微型导线 可以置于硅芯片上，用来生产更加多而杂的电路。 2.2信息存储领域 信息技术的进步是晶体管不断缩小的结果，晶体管重要应用于信 息收集与处理的各个方面。信息技术本领的不断进展取决于更加强大的 计算硬件制造业的不断进步。摩尔定律（集成电路的功能按指数增长的 规律）一直延续到今日。尽管在这一范围内有潜在的局限性，半导体工 业路标ITRs依据应用良好达40年的大型设备缩放比例预见了当前摩尔 定律可持续成为2023年的路标，那时器件密度也相应地增长了32倍。 达到和超越这一密度的障碍如下：平版印刷术、漏电流、电路连接需求 和热问题。这些挑战己激发了极多的科学讨论，这些科学讨论既致力十
碳纳米管在能源与环保领域的应用碳纳米管是一种具有很高热导率、电导率和机械强度的纳米材料，也是当前材料学领域内最具潜力的材料之一。在能源和环保领域，碳纳米管的应用前景非常广阔，例如燃料电池、太阳能电池、二氧化碳减排和环境污染治理等。下面，我们将从不同角度来探讨碳纳米管在能源与环保领域的应用。 一、燃料电池领域 燃料电池是一种利用氢气或者可再生能源转化为电能的装置，具有环保优势和高能量密度等优点。其中，碳纳米管的应用主要是在燃料电池的电极材料上。碳纳米管具有高电导率和大比表面积等特性，可以提高电极材料的导电性和电催化活性。同时，碳纳米管还可以作为载体材料，制备纳米复合材料，进一步提高燃料电池的性能。因此，碳纳米管的应用可以有效地提高燃料电池的效率和稳定性。 二、太阳能电池领域
太阳能电池是一种利用太阳能转化为电能的装置，具有可再生 和无污染的特性。在太阳能电池中，碳纳米管主要应用在电极材 料和导电薄膜上。由于碳纳米管具有高电导率和良好的光电性能，可以增强电极材料的导电性和光催化活性。同时，碳纳米管还可 以作为导电薄膜材料，提高太阳能电池的光吸收效率和稳定性。 三、二氧化碳减排领域 二氧化碳是一种导致全球气候变化的温室气体，减少二氧化碳 的排放量已经成为全球共同的目标。碳纳米管的应用可以有效地 促进二氧化碳的吸附和催化还原。一方面，碳纳米管的大比表面 积和极性表面可以增强其与二氧化碳的吸附能力。另一方面，碳 纳米管还具有很高的催化活性，可以参与二氧化碳的还原反应， 生成有利于环境的化学物质。因此，碳纳米管的应用可以为二氧 化碳减排提供可行的途径。 四、环境污染治理领域 环境污染治理是一个全球性的难题，其中空气和水污染的治理 是当前最为紧迫的任务。碳纳米管在环境污染的治理中也有着广 泛的应用。例如，碳纳米管可以作为一种高效的吸附材料，用于
碳纳米材料的性能及应用 Z09016114 蔡排枝 摘要:纳米材料被誉为21 世纪的重要材料,而作为新型纳米材料的碳纳米材料因其本身所拥有的潜在优越性,在化学、物理学及材料学领域具有广阔的应用前景。本文依据目前碳纳米材料的研究发展现状,阐述了碳纳米材料碳60、碳纳米管及石墨烯的结构性能,并对其应用特性进行了初步探讨和分析。 .引言 碳纳米材料是指材料微观结构在0-3 维内其长度不超过100nm;由碳原子组成, 材料中至少有一维处于纳米尺度范围0-100nm;具有纳米结构。它有四种基本类型:a. 纳米粒子原子团如 C 60 (零维 b. 碳纳米纤维和碳纳米管(1维 c. 碳纳米层或膜材料石墨烯(2 维 d.块体纳米材料如金刚石(3 维。 由于碳纳米材料的独特结构,使其具有不同于常规材料和单个分子的性质如量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等,从而导致了碳纳米材料的力学性能、电磁性能、光学性能、热学性能等的改变,并使之在电子学、光学、化工陶瓷、生物、医药、日化诸多方面有重要价值,得到广泛的应用。由于石墨,金刚石并不是常用的碳纳米材料。 碳纳米材料中,目前应用最成熟的就是碳纳米管。碳纳米管是一种具有独特结构的一维量子材料,由石碳原子层卷曲而成,管直径一般为几纳米到几十纳米,管厚度仅为几纳米,长度可达数微米。由于拥有潜在的优越能,碳纳米管无论在物理、化学还是在材料科学领域都将有大发展前景。比如在材料科学领域,碳纳米管的长度是直的几千倍,被称为“超级纤维”其,性质随直径和螺旋角的同有明显变化。近年来,美国、日本、德国和中国等国家相成立了纳米材料研究机
构,使碳纳米管的研究进展随之加快并在制备及应用方面取得了突破性进展。 .碳纳米材料的性能 2.1C60的主要性质及应用 C60具有缺电子烯的性质,同时它又兼备给电子能力,六元环间的 6:6 双键为反应的活性部位,可发生诸如氢化、卤化、氧化还原、环加成、光化与催化及自由基加成等多种化学反应,并可参与配合作用。 C60 在超导、磁性、光学、催化、材料及生物等方面表现出优异的性能,对它的研究已广泛开展。 (1超导体 超导现象是大约10 年前第一次在一种电子搀杂的富勒烯C60 中发现的。C60 分子本身是不导电的绝缘体,但当碱金属嵌人C60分子之间的空隙后,C60 与碱金属的系列化合物将转变为超导体如K3C60即为超导体,且具有很高的超导临界温度。 (2光学特性 由于C60 分子中存在的三维高度非定域(电子共轭结构使得它具有良好的光学及非线性光学性能。C60 光激发后很容易形成电子一空穴对从而产生光电子转移,C60 还具有较大的非线性光学系数和高稳定性等特点,可以预计C60 将是很好的光电导材料、新型非线性光学材料,有望在光计算、光记忆、光信号处理及控制等方面有所应用。 (3 功能材料的制备 由于C60 特殊笼形结构及功能,将C60作为新型功能基团引入高分子体系,得到具有优异导电、光学性质的新型功能高分子材料。将富勒烯丰富的电子和电化学性质与富电子的过渡金属配合物Ru—bipy,Ru —
碳纳米管材料的研究与应用碳纳米管材料是一种具有特殊性质和广泛应用前景的材料。近年来，随着科技的发展和人们对材料性质的深入研究，碳纳米管材料的研究也越来越受到人们的关注。 一、碳纳米管的基本概念 碳纳米管是由碳原子构成的一种纳米管状材料，其直径只有几纳米到几十纳米，长度可达数厘米。它们的构造形式主要有单壁碳纳米管和多壁碳纳米管两种。 单壁碳纳米管是由一层碳原子组成的管状结构，直径通常在1-2纳米之间。多壁碳纳米管是由多个层状的碳纳米管从内向外套在一起形成的管状结构，每个碳纳米管之间的壁厚度约在0.34纳米左右。 碳纳米管具有许多优异的物理、化学和力学性质。例如，碳纳米管具有极高的比表面积和导电性能、极高的机械强度和柔性、以及超强的化学稳定性和生物相容性等优异性质，这些性质使它们成为一种功能材料，可广泛用于纳米电子学、生物医学、能源存储、环境治理等领域。
二、碳纳米管的制备 目前，碳纳米管的制备方法主要有化学气相沉积、电弧放电法、激光烧蚀法、等离子体增强化学气相沉积法等几种方法。 化学气相沉积是将含有碳源气体的气氛通过加热后在催化剂表 面沉积碳纳米管。这种方法具有工艺简单、制备工艺可控等优点，已经成为制备碳纳米管最常用的方法之一。 电弧放电法则是通过在含有碳粉、金属催化剂的惰性气氛中加 热电极，使电弧在电极之间放电产生高能量的离子，从而在金属 催化剂表面上形成碳纳米管。这种方法虽然易于操作，但产量较 低且产品质量不稳定，因此在工业生产中很少使用。 激光烧蚀法是通过使用激光让石墨材料产生碳蒸发，然后在惰 性气氛中沉积成碳纳米管。这种方法制备的碳纳米管质量较高， 但相应的设备成本也较高。
碳纳米管的功能 碳纳米管是一种由碳原子排列而成的纳米材料，具有高强度、高导电性、高热导性等 特点，应用领域广泛。下面将从各方面介绍碳纳米管的功能。 1. 电子学领域：碳纳米管是一种理想的纳米导体，在微电子器件、半导体照明等领 域得到广泛应用。它具有良好的电子传输性能，传输速度快，抗干扰性强，特别适合在高 速电子器件中应用。碳纳米管晶体管、电路板等元件已经被广泛应用于电脑、手机等各种 电子设备中。 2. 新型材料领域：碳纳米管具有极高的强度和韧性，比钢铁更为坚固，是一种理想 的新型材料。碳纳米管可以用于制造高强度、高韧性的材料，如碳纳米管增强塑料、碳纳 米管复合材料、碳纤维增强复合材料等。这些材料在飞机、汽车、船舶、建筑等领域有广 泛的应用。 3. 催化剂领域：碳纳米管可以作为催化剂载体，提高反应速率和选择性，从而在催 化剂领域得到广泛应用。碳纳米管与金属或金属氧化物复合可以用于氧化还原反应、制备 化学品等。此外，碳纳米管还可与DNA等生物大分子结合，用于生物催化反应等应用。 4. 生物医学领域：碳纳米管具有良好的生物相容性，可以用于生物医学领域中的诊 断和治疗。比如，将碳纳米管表面修饰成靶向特定癌细胞的分子后，可以用作肿瘤靶向治疗。此外，还可以将药物包裹在碳纳米管内，可以减少药物的毒性和副作用，提高药物的 疗效性。 5. 传感器领域：碳纳米管可以用作传感器的探针，具有高灵敏度和高选择性。比如，利用碳纳米管的电导率随吸附分子量的变化，可以将其应用于气体、溶液等分子的检测。 碳纳米管还可以用于传感器的导电元件，提高了传感器的灵敏度和精度。 综上所述，碳纳米管具有多种功能，并在各个领域都有广泛的应用前景。随着科技的 不断发展，碳纳米管的应用将会越来越广泛，也将会带来更多的前沿研究和技术突破。
碳纳米管材料的性质及应用近年来，碳纳米管作为一种神奇的新材料，逐渐成为了科学研究及工程应用中备受瞩目的材料之一。碳纳米管具有非常出色的力学、电学和光学性能，因此被广泛地应用于电子器件、太阳能电池以及生物医学领域等高新技术领域。本文将探讨碳纳米管材料的性质及应用领域。 一、碳纳米管的基本结构和性质 1. 碳纳米管的结构和尺寸 碳纳米管是由由单层或多层石墨烯卷曲而成的纳米管。相对于传统的纤维素和聚酯纤维，碳纳米管的直径非常小，一般在1-50纳米之间，长度通常为数百微米到几毫米，甚至达到厘米级别。 2. 碳纳米管的力学性质 碳纳米管具有很强的力学性能，其刚度可媲美钢铁，但密度仅为碳钢的四分之一。因此，碳纳米管被广泛应用于强度要求高、重量要求轻的领域，如太空探索领域和航空航天设备领域等。
3. 碳纳米管的电学性质 碳纳米管在电学特性方面表现非常突出，可以用来制作复杂的纳米电子器件。碳纳米管的电学性能非常优异，主要表现在很高的电导率、稳定性和热传导率等方面。可以将其应用于半导体器件、触控屏幕、柔性电路板等领域。 4. 碳纳米管的光学性质 碳纳米管的光学性能是其应用领域之一。由于碳纳米管的直径非常小，因此对光的吸收和散射产生了很特殊的影响。例如，碳纳米管可以用于太阳电池领域，能够将大量光线转化为电能。 二、碳纳米管的应用领域 1. 碳纳米管的生物医学应用 碳纳米管在生物医学领域中应用广泛，主要包括抗肿瘤疗法、药物载体、病菌检测，以及细胞图像学等方面。与传统的药物相
比，碳纳米管具有更好的生物相容性、渗透性和药物传递性等特性。 2. 碳纳米管在电子领域的应用 碳纳米管在电子领域的应用非常广泛，包括晶体管、纳米电路板、半导体器件等。由于碳纳米管的电导率极高，因此可以用来制作高性能的传输线路和电子器件。 3. 碳纳米管的材料增强应用 碳纳米管可以应用于增强其他材料的性能，如增强聚合物、金属基复合材料的强度和硬度等。这不仅可以提高材料的热稳定性和抗氧化性，还可以延长材料的寿命。 总之，碳纳米管作为一种极具潜力和前途的新型材料，其性质及应用十分广泛，将在人类社会的各个领域得到广泛的应用和推广。
碳纳米管的特性和应用 碳纳米管(Carbon Nanotubes)是由一层碳原子螺旋结构组成的纳米材料，是继全球领先材料硅半导体之后，最具有应用前景和研究价值的纳米材料之一。它的结构独特，具有众多突出的优异特性，广泛应用于众多领域。 一.碳纳米管的特性 1.独特的力学性能 碳纳米管比强度高达100倍，比弹性模量也高达1Tpa，其储能密度甚至比铁高出14倍。由于具有先进的力学性能，碳纳米管得以满足机械，电气等方面多样化需求的细微尺寸抗压性骨架。 2.巨大的电子输运特性 碳纳米管是一种优异的电子输运材料，其电导率接近理论值，并具有较好的场效应特性，比金属导线的传输速度快，能耗低。其特有的电学和光学性能，可以被广泛应用于电子学、纳米电子学、分子电子学及其与纳米材料、纳米生物医学的耦合等领域。
3.优秀的导热性 碳纳米管具有优异的导热性能，其导热系数高达3,000W/mK， 在能量传输方面表现的更优。由于其高导热性能，碳纳米管可以 广泛应用于海量数据中的快速计算机芯片，电子器件等领域。 4.独有的光学性能 碳纳米管的特有光学性能，可以被广泛用于纳米材料和光电器件，纳米显微学和生物医学成像领域。其长寿命和单色性有助于 提高荧光和Raman信号的稳定性和可重复性。 二.碳纳米管的应用 1.电子器件领域 由于碳纳米管具有优异的特性，所以能广泛应用于半导体行业、显示、光电和纳米电子等领域。由于其电流密度高、传输速度快、储存空间大，可以作为替代摩尔定律的新型半导体材料。
2.生物医学领域 碳纳米管已经应用于药物传递，癌症疗法，组织工程，生物传感器，成像，分离技术，等领域。由于其分子分辨率和强化荧光能力，可以作为一种检测和治疗疾病的原材料。 3.材料科学领域 由于其独特的结构和物理性质，碳纳米管可以在材料领域中应用。它们可以用作增强材料，提高塑料和金属的强度和硬度。碳纳米管还可以被用作电池电极的电介质，具有提高能量密度的特性。 4.环保领域 碳纳米管的应用也可以被用于环保领域。由于其具有优异的吸附性，可以用它们制作过滤器，以吸附空气和水中的污染物质，从而减少对环境的污染，维护环境健康。
碳纳米管复合材料性能及应用 碳纳米管(CNTs)是在一定条件下由大量碳原子聚集在一起形成的同轴空心管状的纳米级材料，它的径向尺寸为纳米数量级，轴向尺寸为微米数量级，属于碳同位素异构体家族中的一个新成员，是理想的一维量子材料。 自从1991年Iijiman发现CNTs以来，它的优良性能引起了人们广泛深入的研究。然而CNTs不溶于一般的有机溶剂，并且其表面特性接近于石墨，使其表面呈化学惰性，从而限制了其应用范围。从目前文献报道的情况看，解决这些问题的最有效的方法是对CNTs表面进行改性，增加其分散性、化学活性等。其表面改性通常采取的方法是：首先通过不同的氧化处理在CNTs的端口或缺陷处引人羧基等活性基团，然后再由酯化或酰胺化反应等对其进行进一步的接枝改性。由于CNTs具有与聚合物相似的结构，可以与之复合制成高性能的复合材料。此类复合材料在电子器件、吸波隐身材料和其它结构材料等领域具有广阔的应用前景。 CNTs/聚合物复合材料性能： （1）导电性、导热性 CNTs具有优于铜的导电性，可以取代金属填料用来制备有机复合导电材料。因为CNTs与有机物的相容性优于金属，故材料的性能更加稳定，而且质量更轻，同时CNTs高达l000的长径比可以极大地降低复合材料的渗滤阈值，这是其它填料无法达到的，可用作抗电材料。加入CNTs可使复合材料的热稳定性大幅度提高。
（2）力学性能将酸化处理以后的CNTs与高密度聚乙烯(HDPE)复合，采用机械共混法制备定向CNTs/HDPE复合材料，CNTs的加入，提高了复合材料的屈服强度和拉伸模量，但同时却降低了材料的断裂强度和断裂伸长率。利用CNTs对酚醛树脂(PF)进行改性，CNTs能够明显提高PF/CF复合材料弯曲强度、压缩强度、层间剪切强度和冲击强度。 （3）摩擦学性能以CNTs为填料制备聚四氟乙烯(PTFE)基复合材料，CNTs/PTFE复合材料的摩擦系数随着CNTs含量的增加呈降低的趋势，其耐磨性能明显优于纯PTFE，以CNTs作为填料可有效地抑制PTFE 的磨损。 （4）抗静电性能人采用共混纺丝的方法将CNTs加入到丙纶中，并且通过测量其摩擦静电荷量来研究其抗静电性能的变化。结果表明：单独添加少量CNTs难以提高聚丙烯(PP)纤维的抗静电性能；而添加含有碳纳米管的复合抗静电剂，可以有效地提高PP纤维的抗静电性能。 （5）阻燃性能利用合成的两种新型阻燃剂SPS和PTE与聚磷酸铵(APP)及MWNTs复配，并应用于低密度聚乙烯(LDPE)，得到膨胀型阻燃LDPE-MWNTs复合材料。在该膨胀型阻燃体系中，IFR与MWNTs 之问存在明显的协效阻燃作用，并且大大降低了低密度聚乙烯的可燃性和热释放速率(HRR)，而且燃烧后的残碳量大大增加。 CNTs/聚合物复合材料的应用 CNTs作为加强相和导电相在纳米复合材料领域有着巨大的应用
碳纳米管的材料特性及其应用研究 碳纳米管是由石墨烯卷曲而成的管状结构，其直径在纳米级别，长度可以达到数十微米甚至数毫米。由于碳纳米管具有独特的结构和优秀的物理和化学性质，因此在纳米科技、材料科学、电子学、光学等多个领域得到广泛的应用和研究。 碳纳米管的主要材料特性包括以下几个方面： 1. 强度和刚度高：碳纳米管是一种非常坚固和坚硬的材料，其比强度可以达到任何已知材料之中最高的水平。这使得碳纳米管可以被用于制造非常轻巧但又非常强的材料，例如航天器、高速火车、运动器材等。 2. 电和热导率高：碳纳米管具有非常好的电和热导性能，在某些情况下可以达到比铜和铝更好的水平。这种特性使得碳纳米管可以被用于研制新型的电子器件、传感器、热电材料等。 3. 柔性和弯曲性能：碳纳米管具有非常好的柔性和弯曲性能，可以在一定范围内弯曲而不会被破坏或损坏。这种特性使得碳纳米管可以应用于柔性电子学和柔性电池等领域。 4. 化学稳定性高：碳纳米管对大多数化学物质都具有良好的稳定性，可以在多种酸、碱和有机溶剂中稳定存在。这种特性使得碳纳米管可以被用于各种化学传感器、催化剂等领域。 5. 显微镜下可见：由于碳纳米管的直径是纳米级别的，因此可以通过透射电子显微镜或扫描电子显微镜来观察和研究其结构和性质。这使得碳纳米管的研究和应用更加方便和准确。 除了以上几个特性外，碳纳米管还具有其他一些特性，例如荧光性、阻隔性、吸附能力等。这些特性使得碳纳米管可以被用于各种领域，例如生物医学、环境保护、能源储存等。
在生物医学方面，碳纳米管可以被用于制造新型的药物传输载体、生物传感器、癌症治疗等。由于碳纳米管具有较小的外径和高的药物负载能力，因此可以将其作为药物传递的载体，达到针对性、长效性和减少毒副作用等目的。 在环境保护方面，碳纳米管可以被用于制造高效的污水过滤材料、气体清洁材 料等。由于碳纳米管具有较小的直径和高的表面积，因此可以通过调控其孔径和表面性质来实现对不同类型污染物的选择性吸附和去除，达到高效、低成本和环保的目的。 在能源储存方面，碳纳米管可以被用于制造新型的电池、超级电容器等能源储 存材料。由于碳纳米管具有高的比表面积和良好的导电性和导热性，因此可以提高电池和超级电容器的能量密度、循环稳定性和快速充电性能。 总之，碳纳米管是一种非常有前途的材料，具有许多优异的特性和广泛的应用 前景。随着科技的不断进步和人们对新型材料的追求，相信碳纳米管的研究和应用将会越来越广泛和深入。
碳纳米管性质及应用 摘要:碳纳米管的发现是现代科学界的重大发现之一。由于碳纳米管具有特殊的 导电性能、力学性质及物理化学性质等，故其在许多领域具有其广阔的应用前景，自问世以来即引起广泛关注。目前，国内外有许多科学家对碳纳米管进行研究，科研成果颇丰。本文简单综述碳纳米管的基本性质及应用。 关键词：碳纳米管；结构；制备；性质；应用 1 碳纳米管的发现 1991年，日本NEC科学家Lijima在制取C60的阴极结疤中首次采用高分辨隧道电子显微镜(HRTEM)发现一种外径为515nm、内径213nm、仅由两层同轴类石墨圆柱面叠合而成的碳结构。进一步的分析表明，这种管完全由碳原子构成，并看成是由单层石墨六角网面以其上某一方向为轴，卷曲360°而形成的无缝中空管。相邻管子之间的距离约为0.34nm，与石墨中碳原子层与层之间的距离0.335nm相近，所以这种结构一般被称为碳纳米管，这是继C60之后发现的碳的又一同素异形体，是碳团簇领域的又一重大科研成果[1]。 2 碳纳米管的结构 碳纳米管（CNT）又名巴基管，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口）的一维量子材料。它是由单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷绕而成的无缝、中空的“微管”，每层由一个碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形组成的圆柱面。根据形成条件的不同，碳纳米管存在多壁碳纳米管(MWNTs)和单壁碳纳米管(SWNTs) 两种形式。MWNTs一般由几层到几十层石墨片同轴卷绕构成，层间间距为0.34nm左右，其典型的直径和长度分别为 2-30nm0.1-50μm.SWNTs由单层石墨片同轴卷绕构成，其侧面由碳原子六边形排列组成，两端由碳原子的五边形封顶。管径一般从10-20nm，长度一般可达数十微米，甚至长达20cm[2]。 3碳纳米管的制备 碳纳米管的合成技术主要有：电弧法、激光烧蚀(蒸发)法、催化裂解或催化化学气相沉积法(CCVD),以及在各种合成技术基础上产生的定向控制生长法等。 3.1电弧法利用石墨电极放电获得碳纳米管是各种合成技术中研究得最早的一种。研究者在优化电弧放电法制取碳纳米管方面做了大量的工作.T. W. Ebbeseo在He保护介质中石墨电弧放电，首次使碳纳米管的合成达到了克量级。为减少相互缠绕的碳纳米管在阴极上的烧结，D.T.Collbert将石墨阴极与水冷铜阴极座连接，大大减少了碳纳米管缺陷。C. Journet等在阳极中填人石墨粉末和铱的混合物，实现了SWNTs的大量制备。研究发现，铁组金属、一些稀土金属和铂族元素或以单个金属或以二金属混合物均能催化SWNTs合成。 近年来，人们除通过调节电流、电压，改变气压及流速，改变电极组成，改进电极进给方式等优化电弧放电工艺外，还通过改变打弧介质，简化电弧装置。 综上所述，电弧法在制备碳纳米管的过程中通过改变电弧放电条件、催化剂、电极尺寸、进料方式、极间距离以及原料种类等手段而日渐成熟。电弧法得到的碳纳米管形直，壁簿(多壁甚至单壁).但产率偏低，电弧放电过程难以控制，制备
碳纳米管的物理性质和应用碳纳米管是一种由一层或多层碳原子组成的管状结构。它的直径只有几纳米，但却可以达到几毫米长。由于碳纳米管具有独特的结构和物理性质，因此它被广泛应用于电子、化学、生物和医学等领域。本文将重点介绍碳纳米管的物理性质和应用。 一、物理性质 碳纳米管是一种具有高度强度和刚度的材料。它的强度是钢的百倍以上，而其弹性模量则是钢的两倍以上。此外，碳纳米管还具有优异的导电、导热和光学性质。它的导电性能比铜好，而其导热性能则比铜好几倍。碳纳米管还可用于制备透明电极和红外传感器等。 碳纳米管还具有独特的磁性和光学性质。它可以表现出金属、半导体或半金属等不同的电子结构，并在不同颜色的光下呈现出不同的吸收和发射现象。这些特性为研究碳纳米管的物理性质提供了更多的可能。 二、应用领域
1. 电子领域 由于碳纳米管的导电性能好，因此它已被广泛应用于电子领域。碳纳米管可以被用作晶体管管道、热发电装置、场发射器、高频 电子器件和电磁屏蔽材料等。此外，碳纳米管还具有较高的电化 学反应活性，可用于电化学传感器和电池。 2. 化学领域 碳纳米管还可用于催化反应。碳纳米管可以作为高效催化剂， 可用于水的分解、制备氢气或是催化有机反应等。同时，碳纳米 管还可以用于填充或包装小分子，制备新型纳米材料。 3. 生物和医学领域 由于碳纳米管的直径趋近于细胞和大分子水平，因此它可以作 为纳米生物材料应用于生物学和医学研究中。碳纳米管可以用于 药物的传递和释放、生物成像、基因测序、组织修复和细胞治疗 等领域。
4. 环境领域 碳纳米管还可用于环境领域。在废水处理中，碳纳米管可用于吸附或催化降解废水中的化学物质。在环境检测中，碳纳米管可用于传感器的制备，用于检测有机和无机污染物质。 结论 通过对碳纳米管的物理性质和应用领域的介绍，可以发现碳纳米管是一种相当特殊的材料。尽管随着研究的深入，我们对碳纳米管的了解还有很大的提升空间，但通过不断地研究和开发，相信碳纳米管将在更多领域得到应用。
碳纳米管作业指导书 摘要： 1.碳纳米管概述 2.碳纳米管的性质和特点 3.碳纳米管的制备方法 4.碳纳米管的应用领域 5.安全操作与注意事项 正文： 一、碳纳米管概述 碳纳米管（Carbon Nanotubes，CNTs）是一种具有特殊结构和优异性能的一维纳米材料。它们由单层或多层碳原子以六角形排列构成，呈管状。碳纳米管因其独特的物理、化学和力学性能，在材料科学、能源、生物医学等领域具有广泛的应用前景。 二、碳纳米管的性质和特点 1.超高强度：碳纳米管的强度是钢铁的100 倍以上，且具有很高的韧性。 2.超轻质：碳纳米管的密度约为1.9g/cm，远低于钢铁。 3.高导电性：碳纳米管的导电性可与铜相媲美，且随着管径的减小而提高。 4.高热导性：碳纳米管的热导率是铜的3 倍左右，具有优良的传热性能。 5.大表面积：碳纳米管具有很大的比表面积，可提高催化剂活性。 三、碳纳米管的制备方法 碳纳米管的制备方法有很多种，常见的有：气相沉积法、液相沉积法、固
相法、化学气相沉积法等。各种制备方法有其优缺点，适用于不同的应用场景。 四、碳纳米管的应用领域 1.材料领域：碳纳米管可用于制备超强材料、高性能复合材料等。 2.能源领域：碳纳米管可用于储能器件、氢储存、太阳能电池等。 3.生物医学领域：碳纳米管可用于药物载体、生物成像、癌症治疗等。 4.电子器件：碳纳米管可用于场效应晶体管、传感器等。 五、安全操作与注意事项 1.在实验过程中，应佩戴防护设备，避免吸入碳纳米管粉末。 2.处理碳纳米管溶液时，应避免直接接触皮肤和眼睛。 3.实验结束后，应妥善处理废弃物，遵循实验室安全规定。 总之，碳纳米管作为一维纳米材料，具有广泛的应用前景。
碳纳米管材料的性能及其应用范围 摘要：碳纳米管作为一种新型半导体材料在制作纳米级电子元器件中有着广泛的应用。根据结构的不同，碳纳米管有金属型和半导体型两种，人们以半导体型碳纳米管制备了碳纳米管场效应晶体管，取得了良好的效果。碳纳米管导热性是铜的5倍；它的拉伸强度达到50～200GPa，是钢的100倍，密度却只有钢的1/6；其导电性根据结构的不同而异，可以是导体、绝缘体、半导体，甚至可以仅次于超导体。 关键词：碳纳米；性能及其应用范围 一、碳纳米管材料的性能 1.1力学性能 碳纳米管由C-C共价键结合而成，同时又具有管径小、长径比大的特点，使碳纳米管具有优良的电学和力学性能，其杨氏模量和剪切模量与金刚石相当，理论强度是钢的100倍，并且具有很高的韧性，而密度仅为钢的1/7。据报道[3]，在纳米碳管的拉伸过程中，当应力超过弹性变形以后，纳米碳管会通过较为特殊的塑性变形来改变形状以消除外来应力，即通过纳米碳管管壁的相邻两个六边形网格向成对的五边形和七边形转变（如图）。纳米碳管不仅具有很高的强度，而且具有良好的塑性。在透射电子显微镜观察中，还可以发现具有很大弯曲程度的纳米碳管，尽管在其截面上发生了极大的扭曲变形但仍然未发生断裂，主要原因就是纳米碳管通过其管壁外侧的拉伸和内侧的压缩塌陷甚至折叠来消除外来应力。碳纳米管通过这种网格的結构变化来释放应力，不仅可以发生弹性变形而且可以发生一定的塑性变形，同时保持相当的强度而不断裂。这种特性使之特别适宜作为复合材料，特别是聚合物基复合材料的增强相。。碳纳米管可以使镁基复合材料的微观组织晶粒得到细化，还可使力学性能也有所提高。但当碳纳米管的加入量大于1%时，复合材料的抗拉强度随碳纳米管加入的增多而降低，有人认为这是由于过多的碳纳米管发生偏聚导致的。 1.2电学性能 碳纳米管根据螺旋型构造和直径的不同，可以分为金属型和半导体型。据报道，随机取向的宏观试样电导率近似103s/m，球状的非定向电导率大约50s/m。碳纳米管由C一C链结构组成，与高分子链结构相近，因此将碳纳米管与高分子材料进行复合，可能产生有机结合、并充分发挥各自的优点的性能优异的纳米复合材料。 二、碳纳米管材料的应用范围 2.1超级电容器
碳纳米管的性质及其应用 碳纳米管的性质及其应用 【摘要】综述了碳纳米管的结构、性质及其应用，指出碳纳米管可看作是石墨烯片按照一定的角度卷曲而成的纳米级无缝管状物，根据层数不同可分为多壁碳纳米管和单壁碳纳米管。碳纳米管具备良好的电学性能、热学性能及化学与电化学性能，在各个领域应用广泛。 【关键词】碳纳米管性能应用 碳是地球上最丰富的元素之一，它以多种形态广泛存在于大气和地壳之中。自1985年Smalley用烟火法成功制得C60以来，碳纳米管、碳微米管和石墨烯等多种碳结构逐渐进入人们的视线。碳纳米管作为C60制备的副产物，较早被人们发现。 一、碳纳米管的结构 碳纳米管，又称巴基管，属于富勒碳系，是在C60不断深入研究中发现的。 碳纳米管是由单层或多层石墨片围绕同一中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管结构，两端通常被由五元环和七元环参与形成的半球形大富勒烯分子封住，每层纳米管的管壁是一个由碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形网络平面所围成的圆柱面。CNT 根据管状物的石墨片层数可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。二、碳纳米管的性能及应用 电学性能及应用 碳纳米管是优良的一维介质，由于碳纳米管的特殊管状结构，管壁上的石墨片经过了一定角度的弯曲，导致量子限域和σ-π再杂化，其中3个σ键稍微偏离平面，而离域的π轨道那么更加偏离管的外侧，这使得π电子能集中在碳纳米管管壁外外表上高速流动，但在径向上，由于层与层之间存在较大空隙，电子的运动受限，因此它们的波矢是沿轴向的，这种特殊的结构使得碳纳米管具有优异的电学性能，可用于量子导线和晶体管等。 量子导线。CNT可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线，Tang等在研究具有较小直径的SWNT磁传导特性时发现，在温度低于20K时，直径为0.4nm的CNT具有明显的超导效应，这也预示着CNT在超导领域的应用前景。 晶体管。Soh等成功制备出碳纳米管晶体管阵列，这种单分子晶体管是现有硅晶体管尺寸的1/500，可使集成电路的尺寸降低2个数量级以上。用碳纳米管做晶体管，其电流密度高，可消除短沟效应，突破硅场效应晶体管的物理极限。碳纳米管构成的纳米电子器件具有尺寸小、速度高、低功耗和低造价等优势，它将替代硅材料成为后摩尔时代的重要电子材料。热学性能及应用 碳纳米管由卷曲的石墨片构成，具有巨大长径比和石墨导热率高的特点，因而其轴向方向的热交换性能很高，相对其径向方向的热交换性能较低，通过适宜的取向，碳纳米管可以合成各向异性高的热传导材料。 化学与电化学性能及应用 碳纳米管有中空管状的特殊结构以及巨大的长径比，管壁上是石墨烯结构，管壁的层与层之间充满着空隙，因此碳纳米管具有很高的比外表积，使得大量气体分子、电子和离子等能
碳纳米材料的物性与应用 引言： 近年来，碳纳米材料因其独特的物性和广泛的应用前景备受科学界和工业界的关注。碳纳米材料主要包括石墨烯、碳纳米管和纳米金刚石等。这些材料具有高强度、高导电性和高导热性等优异的物理特性，使它们在电子器件、储能材料和生物医学领域等多个领域具有巨大的应用潜力。 一、石墨烯的物性与应用 石墨烯是一种由单层碳原子构成的二维材料。它的物理特性使其在能源领域具有各种应用前景。首先，石墨烯具有极高的电导率。这使得石墨烯在制备高性能锂离子电池和超级电容器方面具有巨大的潜力。其次，石墨烯具有良好的热导率，可用于高效的热传导材料。此外，石墨烯还具有高透过率和高吸光率，使其在太阳能电池和光电子领域有望取得突破性进展。 二、碳纳米管的物性与应用 碳纳米管是由一层或多层碳原子卷曲而成的管状结构。这种材料在纳米科学和纳米技术领域拥有广泛的应用。首先，碳纳米管具有独特的电子结构，可用于制备高性能的场效应晶体管和纳米电子器件。其次，碳纳米管具有优异的力学性能和高比表面积，可用作增强材料和吸附剂。此外，碳纳米管还可应用于材料增强、导热胶和生物传感器等领域。 三、纳米金刚石的物性与应用 纳米金刚石是由纳米晶体结构组成的碳材料。由于其独特的硬度、稳定性和导热性，纳米金刚石在各个领域都具有重要的应用价值。首先，纳米金刚石具有优异的磨擦学性能，可用于润滑材料、刀具和磨料等领域。其次，纳米金刚石具有高导
热性，在热管理和散热领域有广阔的应用前景。此外，纳米金刚石还可用于生物医学领域，如药物传递和生物传感器等。 四、碳纳米材料的制备和表征技术 为了充分发挥碳纳米材料的优异物性和应用潜力，科学家们不断探索制备和表 征技术。碳纳米管的制备方法包括化学气相沉积、电弧放电和激光热解等。对于石墨烯的制备，常用的方法有机械剥离法、化学气相沉积和热还原法等。而纳米金刚石的制备则主要采用化学气相沉积和热解碳气体的方法。同时，通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜和原子力显微镜等表征技术，可以对碳纳米材料的形貌、结构和性能进行全面的分析和评价。 结语： 碳纳米材料因其独特的物性和广泛的应用前景成为当前研究热点之一。石墨烯、碳纳米管和纳米金刚石等材料具有出色的导电性、导热性和力学性能，可应用于电子器件、储能材料和生物医学领域等多个领域。为了进一步推动碳纳米材料的应用，科学家们不断探索新的制备方法和表征技术，以期实现碳纳米材料在各个领域的商业化应用。未来，碳纳米材料必将为科学技术和工业发展带来更多的机遇和挑战。
混凝土建筑结构中碳纳米管材料的应用 随着科技的发展，碳纳米管作为一种新型材料，已经在各个领域得到 了广泛的应用。在建筑结构中，碳纳米管的应用也逐渐引起了人们的 关注。本文将探讨混凝土建筑结构中碳纳米管材料的应用。 一、碳纳米管的基本概念 碳纳米管是一种由碳原子组成的纳米级管状结构。它具有轻巧、高强度、高导电性、高导热性等优异的物理和化学性质，是一种具有广泛 应用前景的新型材料。 二、混凝土建筑结构中碳纳米管的应用 1.提高混凝土的力学性能 混凝土是一种广泛应用于建筑结构中的材料，但其强度和耐久性有限。通过添加碳纳米管，可以显著提高混凝土的力学性能，使其具有更高 的强度和更好的耐久性。研究表明，添加0.05%的碳纳米管可以将混 凝土的强度提高约20%。 2.提高混凝土的导电性能
在某些建筑结构中，需要将电力传输到不同的位置。通过添加碳纳米管，可以将混凝土的导电性能提高数倍，从而实现电力传输的目的。 此外，碳纳米管还能够吸收电磁波，对于一些特殊的建筑结构也有一 定的应用价值。 3.提高混凝土的防水性能 混凝土在长期的使用过程中，往往会出现渗水现象，影响建筑结构的 稳定性。通过添加碳纳米管，可以提高混凝土的防水性能，从而减少 渗水的发生。研究表明，添加1%的碳纳米管可以将混凝土的渗透系数降低约60%。 4.提高混凝土的耐化学性能 混凝土在长期的使用过程中，会受到酸碱等化学物质的侵蚀，影响其 力学性能和耐久性。通过添加碳纳米管，可以提高混凝土的耐化学性能，从而减少化学侵蚀的损害。研究表明，添加碳纳米管可以将混凝 土的耐化学性能提高约50%。 5.提高混凝土的抗震性能 地震是一种常见的自然灾害，对于建筑结构的稳定性有着巨大的影响。
碳纳米管的特性及其分析应用
碳纳米管的特性及其分析应用 摘要 碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。本文着重介绍碳纳米管的特性及其在仪器分析中的应用。 关键词：碳纳米管；特性；仪器分析
一、引言 碳纳米管（CNT），又名巴基管，于1991年被日本电子公司（NEC）的饭岛博士发现。是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口）的一维量子材料。由于其优异的力学、电学和光学特性，碳纳米管受到了越来越多的关注。随着时间的推移，CNT的制备与表征手段越发完善，由CNT制成的各种产品技术也趋于成熟。 二、碳纳米管的制备方法 其主要有三种制备方法：分别为电弧放电，激光蒸发法和碳氢化合物催化分解。 （一）电弧放电 电弧放电是指一般情况下由两个电极和它们之间的气体空间所组成电弧能产生高温。但又不同于一般的燃烧现象，它既没有燃料也没有伴随燃烧过程的化学反应。电弧放电实质上是一种气体放电现象，在一定条件下使两极之间的气体空间导电，是电能转化为热能和光能的的一种过程。该方法包括以下具体步骤：对碳纳米管直接施加电压和电流，进行电火花处理，去除碳纳米管表面的附着金属或氧化物催化剂和剥离沉积的非晶碳层，与此同时，切割、定向排列碳纳米管。本技术所采用的电火花处理可在空气中进行，也可在惰性气氛中进行。施加电压可为直流也可为交流，电压１０～１００伏，电流０～１０安培。本方法的优点在于能完全去除碳管表面用其它方法难以去除的非晶碳和金属杂质，达到纯化碳纳米管的目的；另外，此方法还可切割碳纳米管，获得定向排列的碳纳米管。 （二）激光蒸发法