納米碳管的特性及其應(yīng)用學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1納米碳管的特性納米碳管的特性(txng)及其應(yīng)用及其應(yīng)用第一頁(yè)，共42頁(yè)。金剛石石墨(shm)富勒烯碳納米管第1頁(yè)/共42頁(yè)第二頁(yè)，共42頁(yè)。1857年，法拉第制備出金納米(n m)顆粒第2頁(yè)/共42頁(yè)第三頁(yè)，共42頁(yè)。第3頁(yè)/共42頁(yè)第四頁(yè)，共42頁(yè)。(1)碳納米管碳納米管是由碳原子形成的石墨烯片層卷成的無(wú)縫(w fn)、中空的管體，一般可分為單壁碳納米管、多壁碳納米管。(2)納米碳纖維納米碳纖維是由碳組成的長(zhǎng)鏈。其直徑(zhjng)約50-200nm，亦即納米碳纖維的直徑(zhjng)介于納米碳管（小于100 nm）和氣相生長(zhǎng)碳纖維之間。(3)碳球根據(jù)尺寸大小將碳球分為：(1)富勒

2、烯族系Cn和洋蔥碳(具有封閉的石墨層結(jié)構(gòu)，直徑在220nm之間)，如C60，C70等；(2) 納米碳粉。(4)石墨烯石墨烯（graphene）是由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的一種碳質(zhì)新材料，是構(gòu)建其它維度碳質(zhì)材料的基本單元。第4頁(yè)/共42頁(yè)第五頁(yè)，共42頁(yè)。C C6060 （零維）（零維）碳納米管碳納米管 （一維）（一維）金剛石金剛石 （三維）（三維）石墨石墨(shm) （二維）（二維）石墨(shm)烯第5頁(yè)/共42頁(yè)第六頁(yè)，共42頁(yè)。碳納米管化學(xué)(huxu)紀(jì)事 “納米納米(n m)豆腐的世界豆腐的世界” 日本(r bn)電鏡學(xué)家S. Iijima在Iijima的發(fā)現(xiàn)前后及時(shí)地預(yù)

3、言了這種新的碳結(jié)構(gòu)的各種性質(zhì)，同時(shí)預(yù)言了單壁管的存在。她對(duì)碳納米管結(jié)構(gòu)的完整理解走在了世界的最前面 在制備C60的沉積物中發(fā)現(xiàn)納米管揭開(kāi)了CNTs研究的序幕美國(guó)物理學(xué)家 Mildred S. Dresselhaus96年諾貝爾獎(jiǎng)?wù)逺ichard E. Smalley發(fā)展了一種大量制備碳納米管的方法激光脈沖法(laser ablation)，并制造出了大批高質(zhì)量的單壁納米管，還組建了納米管生產(chǎn)公司 碳納米管碳納米管對(duì)納米材料的發(fā)展做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)第6頁(yè)/共42頁(yè)第七頁(yè)，共42頁(yè)。按照石墨烯片的層數(shù)，可分為：按照石墨烯片的層數(shù)，可分為： 單壁碳納米管（單壁碳納米管（Single-walled

4、nanotubes, SWNTsSingle-walled nanotubes, SWNTs）：）： 由一層石墨烯片組成。單壁管典型的直徑和長(zhǎng)度分別為由一層石墨烯片組成。單壁管典型的直徑和長(zhǎng)度分別為 0.75 0.753nm3nm和和1 150m50m。又稱富勒管。又稱富勒管(Fullerenes tubes)(Fullerenes tubes)。 2) 2) 多壁碳納米管（多壁碳納米管（Multi-walled nanotubes, MWNTsMulti-walled nanotubes, MWNTs）：）： 含有多層石墨烯片。形狀象個(gè)同軸電纜含有多層石墨烯片。形狀象個(gè)同軸電纜(tn zhu

5、 din ln)(tn zhu din ln)。其層數(shù)從。其層數(shù)從 2 25050不等，層間距為不等，層間距為0.340.340.01nm0.01nm，與石墨層間距，與石墨層間距 (0.34nm) (0.34nm)相當(dāng)。多壁管的典型直徑和長(zhǎng)度分別為相當(dāng)。多壁管的典型直徑和長(zhǎng)度分別為2 230 nm30 nm和和 0.1 0.150m50m。 單壁碳納米管多壁碳納米管第7頁(yè)/共42頁(yè)第八頁(yè)，共42頁(yè)。提高純度(chnd)、增加產(chǎn)率第8頁(yè)/共42頁(yè)第九頁(yè)，共42頁(yè)?；驹恚夯驹恚?電弧室充惰性氣體保護(hù)，兩石墨棒電極靠近，拉起電弧，再拉開(kāi)，以保持電弧室充惰性氣體保護(hù)，兩石墨棒電極靠近，拉起電弧

6、，再拉開(kāi)，以保持(boch)電弧穩(wěn)定。放電過(guò)程中陽(yáng)極溫度相對(duì)陰極較高，所以陽(yáng)極石墨棒不斷被消耗，同時(shí)在石墨陰極上沉積出含有碳納米管的產(chǎn)物。電弧穩(wěn)定。放電過(guò)程中陽(yáng)極溫度相對(duì)陰極較高，所以陽(yáng)極石墨棒不斷被消耗，同時(shí)在石墨陰極上沉積出含有碳納米管的產(chǎn)物。 理想的工藝條件：氦氣為載氣，氣壓 6050Pa，電流60A100A，電壓19V25 V，電極(dinj)間距1 mm4mm，產(chǎn)率50。Iijima等生產(chǎn)出了半徑約1 nm的單層碳管。電弧區(qū)溫度非常高，碳納米管缺陷較多電弧區(qū)溫度非常高，碳納米管缺陷較多第9頁(yè)/共42頁(yè)第十頁(yè)，共42頁(yè)?；瘜W(xué)(huxu)氣相沉積（CVD）法能大規(guī)模制備、但雜質(zhì)能大規(guī)模制

7、備、但雜質(zhì)(zzh)較多需后續(xù)處理較多需后續(xù)處理第10頁(yè)/共42頁(yè)第十一頁(yè)，共42頁(yè)。制備條件非常(fichng)寬松第11頁(yè)/共42頁(yè)第十二頁(yè)，共42頁(yè)。激光(jgung)蒸發(fā)制備碳納米管示意圖激光脈沖時(shí)間間隔 （間隔越短，產(chǎn)率越高）激光脈沖功率(gngl)（功率(gngl)，直徑）碳納米管直徑可控、純度高第12頁(yè)/共42頁(yè)第十三頁(yè)，共42頁(yè)。第13頁(yè)/共42頁(yè)第十四頁(yè)，共42頁(yè)。第14頁(yè)/共42頁(yè)第十五頁(yè)，共42頁(yè)。第15頁(yè)/共42頁(yè)第十六頁(yè)，共42頁(yè)。連續(xù)提供(tgng)表面新鮮的催化劑，區(qū)別于CVD第16頁(yè)/共42頁(yè)第十七頁(yè)，共42頁(yè)。第17頁(yè)/共42頁(yè)第十八頁(yè)，共42頁(yè)。碳納米管制備

8、方法評(píng)價(jià)碳納米管制備方法評(píng)價(jià)(pngji)的標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)純度(chnd)高、成本低管徑均勻(jnyn)且結(jié)構(gòu)可控連續(xù)批量生產(chǎn)石墨電弧放電法化學(xué)氣相沉積法激光蒸發(fā)法第18頁(yè)/共42頁(yè)第十九頁(yè)，共42頁(yè)。五 碳納米管的物理化學(xué)(w l hu xu)性質(zhì)5.1 單壁碳納米管的性能(xngnng) 超長(zhǎng)單壁碳納米管細(xì)絲(x s)(直徑50500 nm) 在90300K間，電阻率=57/m 碳納米管的結(jié)構(gòu)與石墨的片層結(jié)構(gòu)相同，所以具有很好的電學(xué)性能。 理論預(yù)測(cè)其導(dǎo)電性能取決于其管徑和管壁的螺旋角。當(dāng)CNTs的管徑較大時(shí)，導(dǎo)電性能下降；當(dāng)管徑小于某一值時(shí)，CNTs可以被看成具有良好導(dǎo)電性能的一維量子導(dǎo)線。

9、第19頁(yè)/共42頁(yè)第二十頁(yè)，共42頁(yè)。 碳納米管的抗拉強(qiáng)度(kn l qin d)達(dá)到50200GPa, 是最強(qiáng)的纖維，在強(qiáng)度與重量之比方面，這種纖維是最理想的。 天梯(tint)材料的唯一選擇5萬(wàn)個(gè)納米管并排起來(lái)才有人的一根頭發(fā)那么寬第20頁(yè)/共42頁(yè)第二十一頁(yè)，共42頁(yè)。 一維碳納米管具有非常大的長(zhǎng)徑比，雖然在管軸平行方向的熱交換性能很高，但在其垂直方向的熱交換性能較低。 因而(yn r)大量熱是沿著長(zhǎng)度方向傳遞的，通過(guò)適當(dāng)排列碳納米管，可以合成熱高各向異性材料。 納米管的橫向尺寸比多數(shù)在室溫至150oC電介質(zhì)的晶格振動(dòng)波長(zhǎng)大一個(gè)量級(jí)，這使得彌散的納米管在散布聲子界面的形成中是有效的，同時(shí)

10、降低了導(dǎo)熱性能。第21頁(yè)/共42頁(yè)第二十二頁(yè)，共42頁(yè)。第22頁(yè)/共42頁(yè)第二十三頁(yè)，共42頁(yè)。定向納米(n m)碳管的場(chǎng)發(fā)射特性 碳納米管具有優(yōu)良的場(chǎng)致發(fā)射特性（其中包括FED對(duì)陰極所要求(yoqi)的發(fā)射的一致性、穩(wěn)定性和高的發(fā)射點(diǎn)密度），尤為適于制作新型平板顯示器。 使用定向排列的CNT薄膜作為陰極的FED具有成本低，工藝簡(jiǎn)單，可靠性高的特點(diǎn)，可以用來(lái)制作點(diǎn)陣式顯示器、數(shù)碼管等各種顯示裝置。第23頁(yè)/共42頁(yè)第二十四頁(yè)，共42頁(yè)。室溫(sh wn)下碳納米管的儲(chǔ)氫量 H2物理(wl)儲(chǔ)氫由單壁碳納米管和多壁碳納米管混以銅粉或金粉制成電極，可進(jìn)行恒流充放電儲(chǔ)氫第24頁(yè)/共42頁(yè)第二十五頁(yè)，

11、共42頁(yè)。第25頁(yè)/共42頁(yè)第二十六頁(yè)，共42頁(yè)。因而號(hào)稱因而號(hào)稱“超級(jí)纖維超級(jí)纖維”。它們的。它們的強(qiáng)度比鋼高強(qiáng)度比鋼高100倍，但重量倍，但重量(zhngling)只有鋼的六分之只有鋼的六分之一。一。第26頁(yè)/共42頁(yè)第二十七頁(yè)，共42頁(yè)。碳納米管復(fù)合材料(f h ci lio)合成的可行性第27頁(yè)/共42頁(yè)第二十八頁(yè)，共42頁(yè)。氣體通過(guò)碳納米管的擴(kuò)散速度為通過(guò)常規(guī)(chnggu)催化劑顆粒的上千倍,擔(dān)載催化劑后極大提高催化劑的活性和選擇性。分子感應(yīng)器 由于碳納米管暴露在NO2 和NH3 時(shí)，電導(dǎo)發(fā)生明顯的增加或減小，因而可用在氣體化學(xué)傳感器方面。優(yōu)點(diǎn)：具有響應(yīng)速度快，靈敏度高（較常規(guī)高1

12、000倍），重現(xiàn)性好，室溫操作等。第28頁(yè)/共42頁(yè)第二十九頁(yè)，共42頁(yè)。解決目前水質(zhì)(shu zh)重金屬污染問(wèn)題第29頁(yè)/共42頁(yè)第三十頁(yè)，共42頁(yè)。 對(duì)碳納米管的端部有選擇性地進(jìn)行化學(xué)修飾，可以(ky)進(jìn)一步拓展AFM的應(yīng)用范圍。 Hafner J H在室溫下能夠清晰的觀測(cè)到G型球蛋白的Y型結(jié)構(gòu)。第30頁(yè)/共42頁(yè)第三十一頁(yè)，共42頁(yè)。電池的容量是一般(ybn)充電電池的三倍大幅度延長(zhǎng)使用壽命重量大大降低手機(jī)電池筆記本電腦電池(dinch)數(shù)碼相機(jī)電池第31頁(yè)/共42頁(yè)第三十二頁(yè)，共42頁(yè)。潛在(qinzi)應(yīng)用第32頁(yè)/共42頁(yè)第三十三頁(yè)，共42頁(yè)。第33頁(yè)/共42頁(yè)第三十四頁(yè)，共42

13、頁(yè)。第34頁(yè)/共42頁(yè)第三十五頁(yè)，共42頁(yè)。美國(guó)加利福尼亞大學(xué)羅伯特哈頓博士及其同事發(fā)現(xiàn)(fxin)，碳納米管是骨組織生長(zhǎng)的理想基體。 第35頁(yè)/共42頁(yè)第三十六頁(yè)，共42頁(yè)。第36頁(yè)/共42頁(yè)第三十七頁(yè)，共42頁(yè)。如果一根納米管位于另一根稍微大一點(diǎn)的納米管之中，那么由于靜電、范德華力和毛細(xì)力的作用，內(nèi)部管就會(huì)隨著外部管“流動(dòng)”。當(dāng)電流通過(guò)納米管的時(shí)候就會(huì)使內(nèi)部管被推著在外部管中進(jìn)出。這種壓縮動(dòng)作(dngzu)可以使內(nèi)部管與電極連接或斷開(kāi)，從而最終產(chǎn)生使用二進(jìn)制編碼保存信息所需的“1”或“0”狀態(tài)。 第37頁(yè)/共42頁(yè)第三十八頁(yè)，共42頁(yè)?；旧戏譃閮纱箢悾阂活?y li)是藥物/基因輸送；另一類(y li)便是生物分子/體系檢測(cè)。 第38頁(yè)/共42頁(yè)第三十九頁(yè)，共42頁(yè)。CNTs應(yīng)用應(yīng)用(yngyn