碳納米管概述ppt課件.ppt

1、碳納米管及其應(yīng)用,1,主要內(nèi)容: 碳納米管的發(fā)現(xiàn) 碳納米管結(jié)構(gòu) 碳納米管結(jié)構(gòu)的表征 碳納米管的生產(chǎn)方法 獨(dú)特性質(zhì) 應(yīng)用前景,2,碳納米管的發(fā)現(xiàn),C60及富勒烯化合物 1985年英國(guó)Sussex大學(xué)的Kroto教授 和美國(guó)Slice大學(xué)的Smalley教授發(fā)現(xiàn),碳納米管（CNTs） 1991年，日本科學(xué)家飯島（Iijima）發(fā)現(xiàn)，在Nature發(fā)表 文章公布了他的發(fā)現(xiàn)成果，這是碳的又一同素異型體。,3,2.碳納米管結(jié)構(gòu),1)按形態(tài)分,普通封口型,變徑型,洋蔥型,海膽型,竹節(jié)型,念珠型,紡錘型,螺旋型,其他異型,4,2)按手性分,通常依照n ，m 的相對(duì)關(guān)系，將單壁碳納米管分為 achiral 和

2、chiral 兩個(gè)基本類型。 Achiral 型又分為zigzag （鋸齒型）和armchair（扶手椅型） 兩類。當(dāng)n 和m 其中之一為0 時(shí)，為zigzag 型；當(dāng)n=m 時(shí)為armchair 型；其它所有情況都稱為chiral 型( 手性管）。,Armchair (n,m)=(5,5),Zigzag (n,m)=(9,0),5,3) 按照石墨烯片的層數(shù)，可分為： 單壁碳納米管（Single-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 0.753nm和150m。又稱富勒管(Fullerenes tubes)。 2) 多壁碳納米管（M

3、ulti-walled nanotubes, MWNTs）： 含有多層石墨烯片。形狀象個(gè)同軸電纜。其層數(shù)從250不等，層間距為0.340.01nm，與石墨層間距 (0.34nm)相當(dāng)。多壁管的典型直徑和長(zhǎng)度分別為230nm和0.150m。,6,掃描隧道顯微鏡 X射線衍射 孔結(jié)構(gòu)及比表面積 電子衍射 拉曼光譜,3.納米管結(jié)構(gòu)的表征：,7,4.碳納米管的生產(chǎn)方法簡(jiǎn)介,石墨電弧法 浮動(dòng)催化法 （即碳?xì)浠衔锎呋纸夥?，又稱CVD法） 激光蒸汽法 燃燒火焰法,8,基本原理： 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

4、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。,石墨電弧法,9,燃燒火焰法,利用液體（乙醇、甲醇等）、氣體（乙炔、乙烯、甲烷等）和固體（煤炭、木炭）等產(chǎn)生火焰分解其碳-氫化合物獲得游歷碳原子，為合成碳納米管提供碳源；然后將基板材料做適當(dāng)處理，最后將基板的一面向下，面向火焰放入火焰中，燃燒一段時(shí)間后取出。基板上的棕褐（黑）色既是碳納米管或碳納米纖維。,產(chǎn)生碳納米管或碳納米纖維的過(guò)程主要決定于基板的性質(zhì)?；宓倪x擇和處理、燃料的

5、選擇等是本方法的關(guān)鍵技術(shù)。,優(yōu)點(diǎn)有：合成過(guò)程無(wú)需真空、保護(hù)氣氛；無(wú)需催化劑；可以在大的表面上合成，特別適合于在一個(gè)平面上形成一層均勻的碳納米管或碳納米纖維薄膜； 成本較低，對(duì)環(huán)境的污染也非常小。 可以實(shí)現(xiàn)大批量合成。,10,碳納米管的獨(dú)特性質(zhì),1)力學(xué)性能,碳納米管的抗拉強(qiáng)度達(dá)到50200GPa,是鋼的100倍,密度卻只有鋼的1/6，至少比常規(guī)石墨纖維高一個(gè)數(shù)量級(jí)。它是最強(qiáng)的纖維，在強(qiáng)度與重量之比方面，這種纖維是最理想的。,11,2) 電學(xué)性能,由于碳納米管的結(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的管徑大于6mm時(shí)，導(dǎo)電性能下

6、降；當(dāng)管徑小于6mm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。,12,3) 熱學(xué)性能,一維管具有非常大的長(zhǎng)徑比，因而大量熱是沿著長(zhǎng)度方向傳遞的，通過(guò)合適的取向，這種管子可以合成高各向異性材料。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。納米管的橫向尺寸比多數(shù)在室溫至150oC電介質(zhì)的品格振動(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)降低了導(dǎo)熱性能。適當(dāng)排列碳納米管可得到非常高的各向異性熱傳導(dǎo)材料。,13,4) 儲(chǔ)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(0.343nm)，是否具有更加優(yōu)良的儲(chǔ)氫性能，也成

7、為科學(xué)家們關(guān)注的焦點(diǎn)。 1997年，A. C. Dillon對(duì)單壁碳納米管(SWNT)的儲(chǔ)氫性能做了研究，SWNT在0時(shí),儲(chǔ)氫量達(dá)到了5%。 DeLuchi指出:一輛燃料機(jī)車行駛500km,消耗約31kg的氫氣，以現(xiàn)有的油箱來(lái)推算，需要?dú)錃鈨?chǔ)存的重量和體積能量密度達(dá)到65%和62kg/m3。 這兩個(gè)結(jié)果大大增加了人們對(duì)碳納米管儲(chǔ)氫應(yīng)用前景的希望。,14,碳納米管的應(yīng)用前景,1) 超級(jí)電容器,碳納米管比表面積大、結(jié)晶度高、導(dǎo)電性好，微孔大小可通過(guò)合成工藝加以控制，是一種理想的電雙層電容器電極材料。由于碳納米管具有開(kāi)放的多孔結(jié)構(gòu)，并能在與電解質(zhì)的交界面形成雙電層，從而聚集大量電荷，功率密度可達(dá)80

8、00W/kg。碳納米管超級(jí)電容器是已知的最大容量的電容器。,15,2) 鋰離子電池 碳納米管的層間距為0.34nm,略大于石墨的層間距0.335nm,這有利于Li+的嵌入與遷出,它特殊的圓筒狀構(gòu)型不僅可使Li+從外壁和內(nèi)壁兩方面嵌入,又可防止因溶劑化Li+嵌入引起的石墨層剝離而造成負(fù)極材料的損壞。碳納米管摻雜石墨時(shí)可提高石墨負(fù)極的導(dǎo)電性,消除極化。 在鋰離子電池中加入碳納米管,也可有效提高電池的儲(chǔ)氫能力,從而大大提高鋰離子電池的性能。根據(jù)實(shí)驗(yàn),多壁碳納米管鋰電池放電能力達(dá)到385 mAh/g,單壁管則高達(dá)640mAh/g,而石墨的理論放電極限為372 mAh/g。,16,3) 碳納米管復(fù)合材料

9、,基于納米碳管的優(yōu)良力學(xué)性能可將其作為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的增強(qiáng)劑。研究表明，環(huán)氧樹(shù)脂和納米碳管之間可形成數(shù)百M(fèi)Pa的界面強(qiáng)度。 除做結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的增強(qiáng)劑外，納米碳管還可做為功能增強(qiáng)劑填充到聚合物中，提高其導(dǎo)電性、散熱能力等如：在共軛發(fā)光聚合物中添加納米碳管后，不但其導(dǎo)電率大大提高，強(qiáng)度也得到了改善。同時(shí)，由于納米碳管在納米尺度散熱，避免了局部形成的熱積累，可防止共軛聚合物中鏈的斷裂，從而抑制聚合物的光褪色作用。,17,導(dǎo)電塑料(聚脂): 將碳納米管均勻地?cái)U(kuò)散到塑料中，可獲得強(qiáng)度更高并具有導(dǎo)電性能的塑料，可用于靜電噴涂和靜電消除材料，目前高檔汽車的塑料零件由于采用了這種材料，可用普通塑料取代原用的工程

10、塑料，簡(jiǎn)化制造工藝，降低了成 本，并獲得形狀更復(fù)雜、強(qiáng)度更高、表面更美觀的塑料零部件，是靜電噴涂塑料 (聚脂 )的發(fā)展方向。 由于碳納米管復(fù)合材料具有良好的導(dǎo)電性能，不會(huì)象絕緣塑料產(chǎn)生靜電堆積，因此是用于靜電消除、晶片加工、磁盤(pán)制造及潔凈空間等領(lǐng)域的理想材料。碳納米管還有靜電屏蔽功能，由于電子設(shè)備外殼可消除外部靜電對(duì)設(shè)備的干擾，保證電子設(shè)備正常工作。,18,4) 電磁干擾屏蔽材料及隱形材料 碳納米管是一種有前途的理想微波吸收劑,可用于隱形材料、電磁屏蔽材料或暗室吸波材料。 碳納米管對(duì)紅外和電磁波有隱身作用的主要原因有兩點(diǎn): 一方面由于納米微粒尺寸遠(yuǎn)小于紅外及雷達(dá)波波長(zhǎng),因此納米微粒材料對(duì)這種波的透過(guò)率比常規(guī)材料要強(qiáng)得多,這就大大減少波的反射率,使得紅外探測(cè)器和雷達(dá)接收到的反射信號(hào)變得很微弱,從而達(dá)到隱身的作用; 另一方面,納米微粒材料的比表面積比常規(guī)粗粉大34個(gè)數(shù)量級(jí),對(duì)紅外光和電磁波的吸收率也比常規(guī)材料大得多,這就使得紅外探測(cè)器及雷達(dá)得到的反射信號(hào)強(qiáng)度大大降低,因此很難發(fā)現(xiàn)被探測(cè)目標(biāo),起到了隱身作用。由于發(fā)射到該材料表面的電磁波被吸收,不產(chǎn)生反射,因此而達(dá)到隱形效果。,19,5) 催化劑載體 納米材料比表面積大,表面原子比率大(約占總原子數(shù)的 50%),使體系的電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)明顯改變,表現(xiàn)出特殊的電子效應(yīng)和表面效應(yīng)。如氣體通過(guò)碳