什么是碳纳米管 什么是碳纳米管

碳纳米管的发现是人类纳米技术研究的重要成果 就在十多年前，人们普遍认为晶体碳只有两种同素异形体:石墨和金刚石 1985年，苏塞克斯大学的克罗托教授和莱斯大学的斯马利教授进行了合作研究，用激光轰击石墨靶，试图通过人工方法在宇宙中合成一些长碳链分子 他们意外地在获得的产物中发现了一种新的碳原子排列 六十个碳原子排列在一个截头二十面体的六十个顶点上，形成一个与现代足球形状相同的中间空球。这个直径只有0的球形分子。7纳米被称为碳60分子 这是碳晶体的第三种形式 1991年，碳晶体家族的另一个新成员出现了，那就是碳纳米管 日本NEC公司基础研究实验室的饭岛康夫教授在给《自然》杂志的一封信中宣布了一种新碳结构的合成 它由一些相同轴套的圆柱形碳管组成，直径约为1至30纳米，长度可达1 μ m。 进一步分析表明，这种管完全由碳原子组成，可视为单层石墨六角网以一定方向为轴卷曲360°形成的无缝介质空管。 相邻管之间的距离约为0。34nm，这类似于石墨层中碳原子之间的距离为0。335nm，所以这种结构一般称为碳纳米管。 这是继C60之后发现的又一个碳的同素异形体，是碳团簇领域的又一项重要科研成果 1992年，Ebbsen等人提出了在实验室规模上合成断裂纳米管的方法，使碳纳米管的性质研究向前迈出了一大步。碳纳米管因其良好的电子、机械和化学性质而受到物理、化学、材料和电子领域专家的极大关注，并在世界范围内掀起了碳纳米管的浪潮 碳纳米管(CNTS)，也被称为布基管，是一种具有特殊结构和性质的新材料 由于其特殊的物理性质，碳纳米管被认为是具有重要理论和应用研究价值的材料 目前，碳纳米管的特性和制备方法的研究取得了很大进展，研究重点正在转向大规模生产和应用 碳纳米管的结构碳纳米管的径向尺寸较小，管的外径一般在几纳米到几十纳米；管子的内径较小，有些只有1纳米左右 碳纳米管的长度一般在微米量级，长径比很大，可以达到103 ~ 106。因此，碳纳米管被认为是典型的一维纳米材料 管壁由六边形碳环组成，这些六边形碳环是由类石墨微晶的碳原子P2杂化和周围三个碳原子的完全结合形成的 碳纳米管的弯曲部分由五角和七角碳环组成 当六边形逐渐向五边形延伸时，碳纳米管会凸出，七边形会使其凹入 如果五边形出现在碳纳米管的顶部，它就成了碳纳米管的封口 碳纳米管分为单壁和多壁两种:1)单壁碳纳米管:含有多层石墨烯片 形状像同轴电缆 层数从2到50不等，层间间距为0.34±0.01纳米，相当于石墨层间间距(0.34纳米) 多壁管的典型直径和长度分别为2 ~ 30纳米和0.1 ~ 50微米 在多壁管形成之初，各层很容易成为陷阱中心并捕获各种缺陷，因此多壁管的管壁通常覆盖有小孔状缺陷 与多壁管相比，单壁管由单层圆柱形石墨层组成，直径分布范围小，缺陷少，均匀性高 多壁碳纳米管由几个到几十个单壁碳纳米管组成，管间距约为0。34 nm，略大于单晶石墨的层间间距0。335 nm，层之间的排列是无序的 碳原子的六方排列和碳间距的出现反映了碳纳米管具有类似石墨的单晶结构 然而，单壁碳纳米管的结构接近理想的富勒烯，并且在两端之间有单层的同圆柱形密封 1991年合成的碳纳米管是单壁碳纳米管 目前，单壁碳纳米管有三种类型，分为扶手碳纳米管、锯齿形碳纳米管和手性碳纳米管，分别如图2 (a)、(b)和(c)所示 这些类型的碳纳米管的形成取决于碳原子的六方晶格二维石墨片是如何“卷曲”形成圆柱体的 碳纳米管的物理性能1)力学性能碳纳米管的拉伸强度达到50 ~ 200 GPA，是钢的100倍，但密度只有钢的1/6，比常规石墨纤维至少高一个数量级 它是最强的纤维，这种纤维在强度重量比方面是最理想的 如果绳子是由碳纳米管制成的，它是唯一一根可以从月球悬挂到地球表面而不会被自身重量折叠的绳子。如果做成地月载人电梯，将方便人们往返月球和地球 用这种轻软结实的材料做防弹背心比较理想 此外，其高弹性和抗弯刚度估计可通过杨氏模量超过兆帕的热振幅测量来确认 对于结构理想的单壁碳纳米管，其拉伸强度约为800 GPA [6，7，8]；对于多层墙体，理论计算过于复杂，无法给出一个确定的数值 虽然碳纳米管的结构与高分子材料相似，但其结构比高分子材料稳定得多 在大气氧化条件下，碳纳米管在973K的失重很小，结构基本不变 长时间浸泡在酸和碱中，碳纳米管的结构基本不被破坏 还预测碳纳米管只会在非常高的应变(15%-20%)下被破坏 在动态模拟中，它们的行为就像“超级字符串” 纳米管可以抵抗扭力造成的扭曲。在许多情况下，纳米管可以在卸载时恢复其原始横截面，这与石墨纤维不同，后者在压缩时容易损坏 压缩的纳米管形成波浪形的结，卸载后可以弹性松弛 纳米管的这一特性使其在制造高强度复合材料和纺织原料中极具吸引力 碳纳米管是目前可以制备的比强度最高的材料 如果将碳纳米管等工程材料制成复合材料，可以增强基体 2)热性质一维管具有非常大的纵横比，因此大量热量沿长度方向传递。通过适当的定向，该管可以合成为高度各向异性的材料 尽管在管轴的平行方向上的热交换性能高，但是在垂直方向上的热交换性能低 从室温到150℃，纳米管的横向尺寸比大多数电介质的振动波长大一个数量级，这使得分散的纳米管有效地形成了分散的声子界面，降低了热导率 通过适当排列碳纳米管可以获得非常高的各向异性导热材料 3)光学碳纳米管的拉曼散射光谱结果表明，主要由(9，9)和(10，10)单壁碳纳米管组成的束具有多种拉曼活性模式，其中大量频率在1580cm- 1左右的振动模式与碳纳米管直径无关，而频率在168cm- 1左右的强振动模式与直径密切相关 在拉曼散射光谱中，对于径向呼吸振动峰，单壁碳纳米管的峰位与半径的关系为 ω= A/R，其中ω为径向呼吸振动峰的峰位(cm- 1)，R为单壁碳纳米管的半径(nm)，A和A为比例参数(cm- 1 nm) 扶手椅型单壁碳纳米管的α= 118，锯齿形单壁碳纳米管的α= 116 上述公式表明，径向呼吸振动峰值的频率与单壁碳纳米管的半径成反比 类似的数学关系也有报道 4)电学性质碳纳米管的性质与其结构密切相关 由于碳纳米管的结构与石墨的层状结构相同，因此具有良好的电性能 理论上，预测其电导率取决于其管径和管壁螺旋角 当CNTS直径大于6mm时，电导率下降。当管径小于6mm时，CNTS可视为一维量子线，具有良好的导电性 碳纳米管具有独特的电学性质，这是由电子的量子限制引起的。电子的有效运动只能沿单层石墨片中碳纳米管的轴向进行，径向运动受限，所以它们的波矢是沿轴向的 计算表明，单壁碳纳米管的电学性质与其手性向量有关。当公式(1)中的m和n满足| m-n | = 3 k (k = 0，1，2)时...)，碳纳米管是金属的，而其他类型的单壁碳纳米管是半导体的[12，13] 因为碳纳米管的尖端具有纳米级的曲率，所以它们是极好的发射电极 碳纳米管在取代钼针作为发射电极时，只有较低的发射电压和较高的发射电流密度 由于碳纳米管在物理性质上具有明显的量子特性，它们有可能成为下一代微电子和光电器件的基本单元 根据该公式，碳纳米管可以是金属的或半导体的，甚至同一碳纳米管的不同部分也可以由于结构变化而表现出不同的导电性 此外，电子在碳纳米管中的径向运动受到限制，表现出典型的量子限制效应；虽然电子在轴向上的运动完全不受限制 因此，碳纳米管可以被认为是一维量子线 作为一种典型的一维量子传输材料，金属碳纳米管在低温下表现出典型的库仑阻塞效应 当外部电子注入到碳纳米管的微小电容中时(电压变化为δ V = Q/C，其中Q为注入功率，C为碳纳米管的电容)，如果电容足够小，只注入一个电子，就会产生足够高的反向电压来阻断电路 当注入的电子穿过碳纳米管时，反向阻断电压消失，电子可以再次注入