納米碳管的制備【文獻綜述】

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1、畢業(yè)論文文獻綜述高分子材料與工程納米碳管的制備納米碳管(Carbonnanotube)是1991年才被發(fā)現(xiàn)的一種碳結(jié)構(gòu)。理想納米碳管是由碳原子形成的石墨烯片層卷成的無縫、中空的管體。石墨烯的片層一般可以從一層到上百層，含有一層石墨烯片層的稱為單壁納米碳管(Singlewalledcarbonnanotube，SWNT)，多于一層的則稱為多壁納米碳管(Multi2walledcarbonnanotube，MWNT)。SWNT的直徑一般為1～6nm，最近的研究發(fā)現(xiàn)納米碳管的最小直徑為0.4nm和直徑為0.36nm的碳管，但是很不

2、穩(wěn)定，同樣直徑大于6nm的SWNT也不穩(wěn)定，會發(fā)生SWNT管的塌陷。納米碳管長度則可達幾百納米到幾個微米。因為SWNT的最小直徑與富勒烯分子類似，故也有人稱其為巴基管或富勒管。MWNT的層間距約為0.34nm，直徑在幾個納米到幾十納米，長度一般在微米量級，最長者可達數(shù)毫米。由于納米碳管具有較大的長徑比，所以可以把其看成為準(zhǔn)一維納米材料。納米碳管中的碳原子以sp2雜化，但是由于存在一定曲率，所以其中也有一小部分碳屬sp3雜化。在不考慮手性的情況下，SWNT可以由兩個參量完全確定(直徑和螺旋角或兩個表示石墨烯的指數(shù)(n，m)或者

3、螺旋向量Cn和垂直向量T)，MWNT則需要三個以上的參數(shù)表示。納米碳管研究是富勒烯(C60，C70...)的繼續(xù)，1991年，理論預(yù)計納米碳管具有許多的奇特電學(xué)性能，幾乎同時NEC公司SIijima在高分辨電子顯微鏡下觀察采用電弧法制備的富勒烯中發(fā)現(xiàn)了一種管狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)過研究表明它們是同軸多層富勒管，被稱為多壁納米碳管，隨后NEC公司的TWEbbesen和PMAjayan通過改進實驗條件獲得較多MWNT。實際上早在70年代已開始MWNT的研究，當(dāng)時科學(xué)家在研究氣相熱解碳的過程中，經(jīng)觀察到這種納米結(jié)構(gòu)的碳，然而沒有引起足夠的重視

4、和深入研究。1993年S.Iijima和IBM公司同時報道了觀察到SWNT。在早期實驗中，電弧法制備SWNT產(chǎn)率很低，而且雜質(zhì)較多。所以在Rice大學(xué)的RichardSmalley研究小組發(fā)現(xiàn)激光蒸發(fā)方法可以得到極高產(chǎn)率的SWNT以后，開始了SWNT的物理性質(zhì)的研究。此后，法國Montpellier大學(xué)的Bernier研究小組采用電弧法也可以得到高產(chǎn)率的SWNT。1998年，中國科學(xué)院金屬研究所成會明研究小組采用催化熱解碳?xì)浠衔锏姆椒ǖ玫捷^高產(chǎn)率的SWNT。由于SWNT結(jié)構(gòu)比較簡單，理論研究也比較容易，所以開始了對納米碳管

5、的廣泛研究。4　中國科學(xué)家也在納米碳管研究的國際競爭中，作出了巨大的貢獻，目前國內(nèi)納米碳管的研究水平處于世界前列。國內(nèi)開展了納米碳管的研究單位很多，其中幾個主要的研究小組有:中國科學(xué)院金屬研究所先進炭材料研究小組在成會明研究員的領(lǐng)導(dǎo)下，主要從事先進炭材料(如納米碳管、納米碳纖維、復(fù)合材料)的研究。目前，主要研究工作集中于準(zhǔn)一維納米碳材料的制備、表征和應(yīng)用研究，包括納米碳管、納米碳纖維、螺旋型碳纖維等。已經(jīng)取得了一系列進展:采用有機物催化熱解法制備單壁納米碳管、氫電弧法大量制備單壁納米碳管，采用有機物催化熱解法制備多壁納米碳管

6、、納米碳纖維和螺旋碳纖維，已經(jīng)完成公斤級納米碳管生產(chǎn)設(shè)備的研制，同時進行這些材料的儲能、電極材料和復(fù)合材料等應(yīng)用研究。中國科學(xué)院物理研究所謝思深研究員領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，主要從事納米碳管的理論研究，開展了納米碳管定向和組裝的研究，制備了納米碳管陣列，得到了超長碳納米管，并且測量了它們的拉伸強度。清華大學(xué)的范守善教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，主要進行納米碳管制備和物性研究，制備出定向排列的MWNT束。此外還有中國科學(xué)院成都有機化學(xué)所、浙江大學(xué)、西安交通大學(xué)等也開展了納米碳管的制備和應(yīng)用研究。為了獲得產(chǎn)量高、管徑均勻、結(jié)構(gòu)缺陷少、雜質(zhì)含量低、

7、成本相對低廉、操作方便的制備方法，人們進行了多方面的研究并發(fā)現(xiàn)了許多制備CNTs的新方法歸納起來主要有電弧法、激光蒸發(fā)(燒蝕)法、化學(xué)氣相沉積法（CVD）等。電弧放電法是傳統(tǒng)的生產(chǎn)富勒烯的方法[7]。該方法是在真空反應(yīng)室中充滿一定壓力的惰性氣體，采用面積較大的石墨棒做陰極，面積較小的石墨棒做陽極。在電弧放電過程中，兩石墨電極間總保持一定的間隙。陽極石墨棒不斷被消耗，在陰極上沉積有納米碳管、富勒烯、石墨顆粒、無定形碳和其他形式的碳微粒；同時在電極室的壁上沉積有由富勒烯、無定形碳等碳微粒組成的煙灰。此法特點：生長快速，工藝參數(shù)較

8、易控制，但生長溫度相對高，制備裝置相對復(fù)雜，純度和產(chǎn)率都較低，不適合在基片的表面直接生長定向納米碳管，且不宜批量生產(chǎn)。激光蒸發(fā)(燒蝕)法是制備單壁納米碳管的一種有效方法。其機理與電弧放電法類似，主要是通過激光轟擊碳靶使其蒸發(fā)，然后從經(jīng)過水冷沉積的碳產(chǎn)物中獲得納米碳管。激光蒸發(fā)(燒蝕)法的主