碳納米管和石墨烯簡介.ppt

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1、Abriefintroductionof應(yīng)化0902張一恒石墨烯&碳納米管碳納米管碳納米管是在1991年1月由日本筑波NEC實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家飯島澄男使用高分辨率分析電鏡從電弧法生產(chǎn)的碳纖維中發(fā)現(xiàn)的。它是一種管狀的碳分子，管上每個碳原子采取SP2雜化，相互之間以碳-碳σ鍵結(jié)合起來，形成由六邊形組成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)作為碳納米管的骨架。每個碳原子上未參與雜化的一對p電子相互之間形成跨越整個碳納米管的共軛π電子云。按照管子的層數(shù)不同，分為單壁碳納米管和多壁碳納米管。管子的半徑方向非常細(xì)，只有納米尺度，幾萬根碳納米管并起來也只有一根頭發(fā)絲寬，碳納米管的名稱也因此而來

2、。而在軸向則可長達(dá)數(shù)十到數(shù)百微米。碳納米管不總是筆直的，局部可能出現(xiàn)凹凸的現(xiàn)象，這是由于在六邊形結(jié)構(gòu)中混雜了五邊形和七邊形。出現(xiàn)五邊形的地方，由于張力的關(guān)系導(dǎo)致碳納米管向外凸出。如果五邊形恰好出現(xiàn)在碳納米管的頂端，就形成碳納米管的封口。出現(xiàn)七邊形的地方碳納米管則向內(nèi)凹進(jìn)。碳納米管的制備電弧法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作電極，面積較小的石墨棒作陽極。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，陰極上沉積有碳納米管、富勒烯、石墨顆粒、無定形碳和其他形式的炭顆粒。缺點(diǎn)：溫度不易控制導(dǎo)致碳納米管

3、缺陷多；副產(chǎn)物多不易后期的分離提純。激光蒸發(fā)這種方法是制備單壁納米碳管的一種有效方法。用高能CO2激光或Nd/YAG激光蒸發(fā)摻有Fe、Co、Ni或其他合金的碳靶制備單壁納米碳管。管徑可以由激光脈沖來控制。研究發(fā)現(xiàn)，激光脈沖間隔時(shí)間越短，得到的單壁碳納米產(chǎn)量越高，而且單壁碳納米管的結(jié)構(gòu)并不受激光脈沖間隔時(shí)間的影響。而且用這種CO2激光蒸發(fā)法，在室溫下就可以得到單壁碳納米管。缺點(diǎn)：單壁碳納米管的純度較低、易粘結(jié)。有機(jī)氣體催化裂解催化裂解法是目前應(yīng)用最廣、最易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的一種制備方法。在此法中化學(xué)氣相沉積法應(yīng)用最廣。一般采用鐵、鈷、鎳及合金做催化劑，粘土

4、、硅酸鹽、氧化鋁做載體，低碳烴如乙炔、甲烷、丙烯等做碳源、氮?dú)?、氫氣、氨氣等做稀釋氣在高溫的氣流爐中進(jìn)行，有時(shí)候還采用等離子加強(qiáng)或微波輔助的方法來保持碳原子的均勻分布。缺點(diǎn)：其制得的CNTs抗拉強(qiáng)度不如上兩種方法好；存在催化劑失活的現(xiàn)象。碳納米管的性能優(yōu)異的力學(xué)性能：碳納米管的硬度與金剛石相當(dāng)，卻擁有良好的柔韌性，可以拉伸。碳納米管的長徑比一般在1000:1以上，是理想的高強(qiáng)度纖維材料。美國賓州州立大學(xué)的研究人員稱，碳納米管的強(qiáng)度比同體積鋼的強(qiáng)度高100倍，重量卻只有后者的1/6到1/7。碳納米管因而被稱“超級纖維”。碳納米管置于1000Pa的水壓下,

5、碳納米管被壓扁,撤去壓力后，碳納米管像彈簧一樣立即恢復(fù)了形狀，表現(xiàn)出良好的韌性。奇異的導(dǎo)電性能：碳納米管上碳原子的P電子形成大范圍的離域π鍵，由于共軛效應(yīng)顯著，碳納米管具有一些特殊的電學(xué)性質(zhì)。理論預(yù)測其導(dǎo)電性能取決于其管徑和管壁的螺旋角。日本在全球首次成功開發(fā)了將有機(jī)分子插入碳納米管內(nèi)部，從而控制其導(dǎo)電性。通過改變插入碳納米管內(nèi)部的有機(jī)分子的種類和數(shù)量，可以高精度的控制納米管上的電流和導(dǎo)電率，這種電氣性質(zhì)的改變將會對未來微電子技術(shù)帶來巨大影響。良好的熱學(xué)性能：一維管具有非常大的長徑比，因而大量熱是沿著長度方向傳遞的，通過合適的取向，這種管子可以合成高各

6、向異性材料。另外，碳納米管有著較高的熱導(dǎo)率，只要在復(fù)合材料中摻雜微量的碳納米管,該復(fù)合材料的熱導(dǎo)率將會可能得到很大的改善。優(yōu)良的儲氫性能：碳納米管的中空結(jié)構(gòu)，以及較石墨(0．335nm)略大的層間距(O．343nm)，是具有更加優(yōu)良的儲氫性能，也成為科學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)。清華大學(xué)吳德海教授所領(lǐng)導(dǎo)的碳納米材料研究小組，近日發(fā)現(xiàn)將碳納米管制成電極，進(jìn)行恒流充放電電化學(xué)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明,混銅粉定向多壁碳納米管電極的儲氫量是石墨電極的10倍,是非定向多壁碳納米管電極的13倍,比電容量高1625?mAh/g,單位體積儲氫密度為39.8kg/m3,具有優(yōu)異的電化學(xué)儲氫性

7、能。碳納米管的應(yīng)用碳納米管的應(yīng)用這種新型碳納米管“橡膠”其實(shí)是一種名為粘彈性物質(zhì)傳統(tǒng)材料，它的外表看起來很像泡沫耳塞，又像普通的橡皮擦。這種材料無論被怎樣扭曲、拉伸，彎曲，甚至被穿透，到最后都會恢復(fù)到原始狀態(tài)。它能抗低溫，例如木星最大衛(wèi)星“泰坦”上的低溫；耐高溫，例如在宇宙中近距離接近太陽時(shí)的高溫，如果將它作為宇宙飛船的制作材料，那么人類的宇宙飛船將會“所向披靡”。任何極端溫度下都不會損壞的特殊的“鋼筋鐵骨橡膠”碳納米管的應(yīng)用這種材料可以像橡膠一樣拉伸延展，最大可以延展至原始尺寸的1.7倍，而不會影響任何的性能。這款材料的奧秘在于其中整合了新型的碳納米

8、管聚合物。這種材料還可以被應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域，用來制造電子皮膚，從而使機(jī)器人獲得更為敏感的觸覺。