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文檔簡介
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,
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