碳納米管CNT課件

碳納米管CarbonNanotubes,CNTs太空電梯－未來的地球-太空班車“太空電梯”工作原理圖CNT-basedCable力學(xué)性能beforetestaftertest

楊氏模量1~5TPa，與石墨片層相當(dāng)(1.06TPa)，

比碳纖維高一個數(shù)量級，約為鋼的100

倍，而密度僅為鋼的1/6

拉伸強(qiáng)度

10~150GPa，石墨片層為36.5GPa，是

高強(qiáng)鋼的20倍

韌性

拉伸形變至40％無明顯脆性行為、塑性

形變和斷裂MWNTtensiletestSWNTtensiletestbeforetestaftertestE=120±10GPaσ=116±10MPa簡史~1985Bacon和Endo在碳纖維合成過程中，可能已經(jīng)制備出并觀察到了碳

納米管，但研究不夠系統(tǒng)和深入1985Kroto,Smalley和Curl(1996年NobelPrize)發(fā)現(xiàn)并系統(tǒng)研究了富勒烯，

從而激勵了對碳納米材料的系統(tǒng)研究，直接促進(jìn)了碳納米管的發(fā)現(xiàn)

1991Iijima(NEC,Japan)利用HRTEM觀察到了碳納米管狀結(jié)構(gòu)－多壁碳

納米管（MWNT）

1992前蘇聯(lián)科學(xué)家也獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了碳納米管，但結(jié)果發(fā)表在俄語雜志上

1993Iijima(NEC,Japan)和Bethune(IBM,USA)的研究組各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了

單壁碳納米管（SWNT）結(jié)構(gòu)

SWNT管壁由單石墨片層卷繞而成，兩側(cè)由富勒烯半球封端根據(jù)卷繞方式（n,m）的不同，SWNT可分為

armchairn=m

zigzagn=0

chiraln≠m,m≠0

根據(jù)電子結(jié)構(gòu)的不同，SWNT可分為金屬性(n-m)/3為整數(shù)

半導(dǎo)體性(n-m)/3為非整數(shù)單石墨片層armchair型SWNTzigzag型SWNTchiral型SWNT合成方法

電弧放電法（Arc-Discharge）以摻有過渡金屬（如Fe,Co,Ni,Mo等）或

其氧化物的石墨為電極，在惰性氣體環(huán)境中，

電弧放電，消耗陽極石墨，在陰極上生成碳

納米管

電壓－12~25V;電流－50~120A;電極間

隙－~1mm

最早應(yīng)用的碳納米管合成方法

可生產(chǎn)SWNT和MWNT

簡單、快速，制得的碳納米管直而管徑較細(xì)

碳納米管易燒結(jié)成束，難于分離和提純，收

率較低合成方法（續(xù)）

激光燒蝕法（LaserAblation）惰性氣氛中，利用激光的高能量蒸發(fā)石墨靶（含金屬催化劑）來合成碳納米管可生產(chǎn)SWNT和MWNT所得碳納米管品質(zhì)高，結(jié)構(gòu)完整，缺陷較少，適合生長SWNT

成本高，收率低合成方法（續(xù)）典型的化學(xué)氣相沉積工藝

化學(xué)氣相沉積法（ChemicalVaporDeposition,CVD）利用納米尺度的過渡金屬或其氧化物為催化劑，在相對較低的溫度(500-1200℃)下熱解碳

源氣體(甲烷、乙炔、乙烯、丙烯、苯和一氧化碳等)來合成碳納米管可生產(chǎn)SWNT和MWNT成本低，收率高，可大量生產(chǎn)

碳納米管的管徑在很大程度上依賴于催化劑顆粒的成分和尺寸，分布較寬；較多的結(jié)晶

缺陷，石墨化程度較低，常發(fā)生彎曲和變形，管端和管壁上包有催化劑顆粒分離與提純碳納米管在進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征、性能測試和應(yīng)用之前，通常須進(jìn)行分離與提純CVD碳納米管，根據(jù)應(yīng)用需要，有時須進(jìn)行高溫石墨化處理以提高其結(jié)構(gòu)完整性合成產(chǎn)物中，常伴有大量雜質(zhì)，如無定型碳、富勒烯、金屬催化劑等常用的分離與提純方法－氧化法利用碳納米管與雜質(zhì)的氧化性差異將產(chǎn)物中的雜質(zhì)氧化除去

具體實施方法包括空氣氧化法、二氧化碳氧化法、酸氧化法、電化學(xué)氧化法等

氣體氧化法的選擇性較差，碳納米管的收率降低幅度較大

常用的酸氧化法具有較高的選擇性，但會在碳納米管管端和管壁上引入較多缺陷

高溫?zé)崽幚?/p>

（annealingininertatmosphere）

金屬催化劑在高溫下會發(fā)生汽化

石墨化碳納米管，有利于其結(jié)構(gòu)更完美直接合成的SWNT提純后的SWNT性能超高的長徑比準(zhǔn)一維量子線

直徑納米級，長度微米至毫米甚至厘米級，長徑比可高達(dá)28,000,000

理想的復(fù)合材料增強(qiáng)填料

經(jīng)填充、包裹和空間限制反應(yīng)可用于制備其它一維納米材料CNT力學(xué)性能性能（續(xù)）beforetestaftertest

楊氏模量1~5TPa，與石墨片層相當(dāng)(1.06TPa)，

比碳纖維高一個數(shù)量級，約為鋼的100

倍，而密度僅為鋼的1/6

拉伸強(qiáng)度

10~150GPa，石墨片層為36.5GPa，是

高強(qiáng)鋼的20倍

韌性

拉伸形變至40％無明顯脆性行為、塑性

形變和斷裂MWNTtensiletestSWNTtensiletestbeforetestaftertest熱性能性能（續(xù)）

熱穩(wěn)定性真空環(huán)境可耐溫至2800oC，空氣中700oC

熱導(dǎo)率理論值6000W.(m.K)-1；實驗值3000W.(m.K)-1單根MWNT（直徑14nm）的熱導(dǎo)性測試結(jié)果插圖為用于熱導(dǎo)性測試的微器件，標(biāo)尺為10μm碳納米管在鐵磁性基底表面沿長度方向（如藍(lán)色箭頭所示）的磁化過程示意圖其它優(yōu)異性能性能（續(xù)）

低密度可低至1.33-1.40g/cm3，而鋁的密度為2.70g/cm3

高場發(fā)射效率電極間距為1μm時，1~3V電壓即可激發(fā)出熒光，而鉬針尖需50~100V電

電壓，且壽命有限

奇異的光學(xué)性能

能夠吸收光波，而后散發(fā)還原光波（即碳納米管材料具有傳輸、儲存

和恢復(fù)光波信號的性能）

磁學(xué)性能在磁場中，能被磁化，磁化率各向異性

……1234AFMimageof150nm-thicknessfilm大面積、透明碳納米管薄膜：厚度50~150nm，直徑~10cm儲氫材料應(yīng)用領(lǐng)域室溫、1bar壓力下，SWNT可儲氫5-10wt%，MWNT則為14wt%

可逆儲/放氫量~5wt%，迄今為止最好的儲氫材料嵌入堿金屬后，能極大地提高儲氫性能分子（納米）器件催化劑載體比表面積大，表面原子與總原子比率可高達(dá)50％

氣體通過碳納米管的擴(kuò)散速度為通過常規(guī)催化劑顆粒的上千倍擔(dān)載后，催化劑的反應(yīng)活性和選擇性指數(shù)級上升，對傳統(tǒng)的化學(xué)合成工業(yè)將產(chǎn)生革命性的影響復(fù)合材料填料僅就使用量而言，復(fù)合材料用填料是碳納米管目前最大的應(yīng)用領(lǐng)域可用于制備高性能化和多功能性兼?zhèn)涞募{米復(fù)合材料小尺寸特點(diǎn)決定了其聚合物復(fù)合材料可通過通用型聚合物加工設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)生物、醫(yī)藥領(lǐng)域利用其高強(qiáng)度和柔韌性制備人造肌肉、人造骨骼等藥物輸運(yùn)(drugdelivery)……應(yīng)用舉例（續(xù)）納米秤(Nanobalance)vi－碳管的振動頻率

D－碳管直徑

L－碳管長度ρ

－碳管密度Eb

－碳管彎曲模量利用碳納米管的力學(xué)特性實現(xiàn)對納米顆粒質(zhì)量的稱量：a)納米顆粒黏附至碳納米管表面時的初始(v0)狀態(tài)b)第一諧波共振(v1

=0.968MHz)狀態(tài)測量原理：根據(jù)碳納米管在納米顆粒黏附后共振頻率的變化，由下式計算出碳管的密度變化；同時，假設(shè)納米顆粒為近似球狀，從而計算出其質(zhì)量(~2.2×10-14g)納米鑷子(Nanotweezer)應(yīng)用舉例（續(xù)）納米鑷子的尖部2μm納米鑷子用于納米顆粒的搬移2μm納米鑷子在電壓驅(qū)動下的序列動作1μm平板顯示器應(yīng)用舉例（續(xù)）A碳納米管基平板顯示器示意圖；B由分離的碳納米管構(gòu)成的電子發(fā)射極；C韓國Samsung公司制造的5-inch碳納米管基顯示器顯示的畫面PDMS/MWNT復(fù)合材料的壓阻特性PDMS/MWNTPDMS/CBPDMS/MWNT及PDMS/CB復(fù)合材料的壓阻特性機(jī)理主要供應(yīng)商（續(xù)）美國－Unidym,Inc.

網(wǎng)站主要產(chǎn)品

HiPCO單壁碳納米管高品質(zhì)碳納米管的代表，高附加值~2,000US$/g美國－SouthwestNanotechnologies,Inc.

網(wǎng)站http://主要產(chǎn)品

CoMoCAT工藝單壁碳納米管高品質(zhì)碳納米管，高附加值~500US$/g英國－ThomasSwan

網(wǎng)站主要產(chǎn)品

單壁碳納米管

多壁碳納米管

工業(yè)級單壁碳納米管工業(yè)級多壁碳納米管挑戰(zhàn)與展望

與10年前相比，碳納米管的價格有了顯著降低，但仍顯過高，特別是用于復(fù)合材料填

料時，與其它填料相比性價比偏高

品質(zhì)和產(chǎn)量間存在矛盾，如CVD技術(shù)能用來大量生產(chǎn)碳管，但所得產(chǎn)品石墨化程度

低，缺陷多，