纳米技术课件：纳米科学与技术 第三章 碳纳米管.ppt

1、 碳纳米管专题碳纳米管专题Carbon Nano-tubes1 碳纳米管的发展背景碳纳米管的发展背景2 碳纳米管的结构碳纳米管的结构3 碳纳米管的制备与后处理方法碳纳米管的制备与后处理方法4 碳纳米管的基本性质碳纳米管的基本性质5 碳纳米管的相关应用碳纳米管的相关应用1 碳纳米管的发展背景碳纳米管的发展背景 背景背景：纳米材料的发展纳米材料的发展 1984年德国萨尔兰大学年德国萨尔兰大学Gleiter以及美国的以及美国的阿贡实验室的阿贡实验室的Sieyel相继制得了纯物质的纳米相继制得了纯物质的纳米细粉。细粉。Gleiter在高纯净真空的条件下将粒径为在高纯净真空的条件下将粒径为6nm的的Fe

2、粒子原位加压成型，烧结得到纳米微粒子原位加压成型，烧结得到纳米微晶块体，从而使纳米材料进入了一个新的阶段。晶块体，从而使纳米材料进入了一个新的阶段。1990年年7月在美国召开的第一届国际纳米科学月在美国召开的第一届国际纳米科学技术技术会议，正式宣布纳米材料科学为材料科学会议，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。的一个新分支。 发现发现：1991年，日本学者年，日本学者Ijima和美国的和美国的Bethune等人在掺加等人在掺加过渡金属催化剂的石墨电极间起弧放过渡金属催化剂的石墨电极间起弧放电，并在制备产物中分别发现了单壁纳米管。电，并在制备产物中分别发现了单壁纳米管。 研究结果研究结果

3、：理论预计该材料具有优异的力学、：理论预计该材料具有优异的力学、电学、磁学等性能，极具理论研究和实际应用价电学、磁学等性能，极具理论研究和实际应用价值，因而激起了国内外学者的极大兴趣，碳纳米值，因而激起了国内外学者的极大兴趣，碳纳米管的研究成为材料界以及凝聚态物理研究的前沿管的研究成为材料界以及凝聚态物理研究的前沿和热点。和热点。 近年来，美国，日本，德国，中国相继成近年来，美国，日本，德国，中国相继成立了纳米材料研究机构，使得碳纳米管的研究进立了纳米材料研究机构，使得碳纳米管的研究进展随之加快，在制备及应用方面都取得了突破性展随之加快，在制备及应用方面都取得了突破性的进展。的进展。 2 碳纳

4、米管的结构碳纳米管的结构 sp杂化（杂化（英语英语：sphybridization）是指一个）是指一个原子原子同一同一电子层电子层内由一个内由一个ns轨道和两个轨道和两个np轨道发生轨道发生杂化杂化的过程。原子发生的过程。原子发生sp杂化后，上述杂化后，上述ns轨道和轨道和np轨道便会转化成为三个等价的轨道便会转化成为三个等价的原子轨道原子轨道，称为，称为“sp杂化轨道杂化轨道”。三个。三个sp杂杂化轨道的化轨道的对称轴对称轴在同一条在同一条平面平面上，两两之间的上，两两之间的夹角夹角皆为皆为120。sp杂化一杂化一般发生在般发生在分子分子形成过程中。杂化发生前，原子最外层形成过程中。杂化发生

5、前，原子最外层s轨道中的一个轨道中的一个电子电子被被激发激发至至p轨道，使将要发生杂化的原子进入轨道，使将要发生杂化的原子进入激发态激发态；之后，该层的；之后，该层的s轨道与轨道与三个三个p轨道中的任意两个发生杂化。此过程中，轨道中的任意两个发生杂化。此过程中，能量能量相近的相近的s轨道和轨道和p轨道发轨道发生叠加，不同类型的原子轨道重新分配能量并调整方向。生叠加，不同类型的原子轨道重新分配能量并调整方向。sp2杂化轨道杂化轨道含含1/3 s和和2/3 p的成分。一个的成分。一个s轨道和两个轨道和两个p轨道杂化轨道杂化，形成，形成3个完全相同的个完全相同的sp2杂化轨道。其杂化轨道。其3个轨道

6、间夹角为个轨道间夹角为120，呈平面正三角，呈平面正三角形。形。例如实验测知例如实验测知BF3的的4个原子在个原子在同一平面上，键角同一平面上，键角FBF等于等于120。B原子原子的外层的外层电子构型电子构型是是2s2 2p1，成键时，成键时1个个2s电子电子激发到激发到1个空的个空的2p轨道上，与轨道上，与此同时，此同时，1个个s轨道和轨道和2个个p轨道轨道“混合混合”起来成为起来成为3个杂化轨道，个杂化轨道，分别与分别与3个个F原子成键原子成键2 碳纳米管的结构碳纳米管的结构 碳纳米管是单层或多层石墨片围绕中心碳纳米管是单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管。轴按一

7、定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管。每层纳米管是一个由碳原子通过每层纳米管是一个由碳原子通过SP2杂化与周杂化与周围围3个碳原子完全键合后所构成的六边形平面个碳原子完全键合后所构成的六边形平面组成的圆柱面。其平面六角晶胞边长为组成的圆柱面。其平面六角晶胞边长为2.46 ，最短的碳碳键长最短的碳碳键长1.42 。 分类分类：根据制备方法和条件的不同，碳纳米：根据制备方法和条件的不同，碳纳米管存在多壁碳纳米管管存在多壁碳纳米管(MWNTs)和单壁碳纳米和单壁碳纳米管管(SWNTs)两种形式。两种形式。 (MWNTs)的层间接近的层间接近ABAB堆垛，其层数堆垛，其层数从从250不等，层间距为不等，层

8、间距为0.340.01nm，与石与石墨层间距墨层间距(0.34nm)相当。相当。MWNTs的典型直径的典型直径和长度分别为和长度分别为230nm和和0.150m， SWNTs典型的直径和长度分别为典型的直径和长度分别为0.753nm和和150。 碳纳米管的高分辨电子显微镜照片，从左碳纳米管的高分辨电子显微镜照片，从左到右为到右为SWNT，MWNT（包含（包含2层、层、3层、层、4层石墨片层）层石墨片层）From Ref. 3, 63 碳纳米管的制备纯化与表面修饰碳纳米管的制备纯化与表面修饰 （1）碳纳米管的制备方法）碳纳米管的制备方法 碳纳米管的制备方法很多，到目前为止，碳纳米管的制备方法很多

9、，到目前为止，人们尝试了多种制备方法，如石墨电弧法、热人们尝试了多种制备方法，如石墨电弧法、热解法、激光蒸发法、等离子体法、化学气相沉解法、激光蒸发法、等离子体法、化学气相沉积法（催化分解法）等等。其中，电弧放电积法（催化分解法）等等。其中，电弧放电（arc discharge）、激光蒸发（）、激光蒸发（laser ablation）和化学气相沉积（和化学气相沉积（Chemical vapor deposition ,CVD）是碳纳米管的主要制备方法。）是碳纳米管的主要制备方法。 当今世界公开报道当今世界公开报道高质、高效、连续大批高质、高效、连续大批量工业化生产碳纳米管的实例量工业化生产碳纳

10、米管的实例：沸腾床催化法、：沸腾床催化法、化学气相沉积法化学气相沉积法 碳纳米管结构示意图碳纳米管结构示意图(A) 椅形单壁碳纳米管椅形单壁碳纳米管 (B) Z字形单壁碳纳米管字形单壁碳纳米管(C) 手性单壁碳纳米管手性单壁碳纳米管 (D) 螺旋状碳纳米管螺旋状碳纳米管 (E) 多壁碳纳米管截面图多壁碳纳米管截面图（A）电弧放电法电弧放电法：其方法及设备与制备其方法及设备与制备60的的方法和设备都较相似。阴极采用厚约方法和设备都较相似。阴极采用厚约10mm，直径约为直径约为30mm的高纯高致密的石墨片，阳极的高纯高致密的石墨片，阳极采用直径约为采用直径约为6mm的石墨棒，整个系统保持的石墨棒，

11、整个系统保持在气压约在气压约104Pa的氦气气氛中，放电电流为的氦气气氛中，放电电流为50左右，放电电压左右，放电电压20。通过调节阳极进给速。通过调节阳极进给速度，可以保持在阳极不断度，可以保持在阳极不断消耗和阴极不断生长消耗和阴极不断生长的同时，两电极的放电端面距离不变，从而可的同时，两电极的放电端面距离不变，从而可以得到大面积离散分布的碳纳米管，同时还可以得到大面积离散分布的碳纳米管，同时还可能产生碳纳米微粒。能产生碳纳米微粒。 特点：特点：产量很低，仅局限在实验室中应用，产量很低，仅局限在实验室中应用，不适于大批量连续生产。不适于大批量连续生产。 (B)热解法热解法：这种方法也很简单，

12、将一块基板放：这种方法也很简单，将一块基板放进加热炉里加热至进加热炉里加热至600，然后慢慢充入甲烷，然后慢慢充入甲烷一类的含碳气体。一类的含碳气体。气体分解时产生自由的碳原气体分解时产生自由的碳原子，碳原子重新结合可能形成碳纳米管。子，碳原子重新结合可能形成碳纳米管。 优点：优点：最容易实现产业化，也可能制备很长的最容易实现产业化，也可能制备很长的碳纳米管。碳纳米管。 缺点：缺点：制得的碳纳米管是多壁的，常常有许多制得的碳纳米管是多壁的，常常有许多缺陷。与电弧放点法制备的碳纳米管相比，这缺陷。与电弧放点法制备的碳纳米管相比，这种碳纳米管抗张强度只有前者的十分之一。种碳纳米管抗张强度只有前者的

13、十分之一。 （C）化学气相沉积法化学气相沉积法(催化热裂解法催化热裂解法) ) CVD法是一种发展比较成熟的制备碳纳米管特别是法是一种发展比较成熟的制备碳纳米管特别是SWNTs 的技术。通过激光等将过渡金属微粒和碳氢化合物同的技术。通过激光等将过渡金属微粒和碳氢化合物同时加热到高温而使碳氢化合物发生热解而产生的。时加热到高温而使碳氢化合物发生热解而产生的。基本原理：基本原理：以含碳气体（一般为烃类气体或以含碳气体（一般为烃类气体或CO）为给料气体）为给料气体（feedstock）供给碳源，在金属催化剂（过渡金属如）供给碳源，在金属催化剂（过渡金属如Fe、Co、Mo、Ni等及其氧化物）的作用下直

14、接在衬底表面裂解合成出等及其氧化物）的作用下直接在衬底表面裂解合成出SWNTs。特点：特点：由于制备时温度较低（一般控制在由于制备时温度较低（一般控制在5001000 )，生成，生成的的SWNTs缺陷较少，同时设备简单、产率较高、条件易控，缺陷较少，同时设备简单、产率较高、条件易控，CVD技术有着很好的工业化前景。技术有着很好的工业化前景。参数控制：参数控制：通过施加电场和控制给料的气流方向，可以对通过施加电场和控制给料的气流方向，可以对SWNTs的生长方向进行控制；而通过控制作为催化剂的纳米的生长方向进行控制；而通过控制作为催化剂的纳米颗粒尺寸大小，可以控制合成的颗粒尺寸大小，可以控制合成的

15、SWNTS的直径范围。的直径范围。机理机理:与电弧放电法类似，主要是将一根金属催化剂与电弧放电法类似，主要是将一根金属催化剂/石墨混合的石墨靶放置于一长形石英管中间，该管石墨混合的石墨靶放置于一长形石英管中间，该管则置于一加热炉内。当炉温升至则置于一加热炉内。当炉温升至1200时，将惰性时，将惰性气体充入管内，并将一束激光聚焦于石墨靶上。石气体充入管内，并将一束激光聚焦于石墨靶上。石墨靶在激光照射下将生成气态碳，这些气态碳和催墨靶在激光照射下将生成气态碳，这些气态碳和催化剂粒子被气流从高温区带向低温区，在催化剂的化剂粒子被气流从高温区带向低温区，在催化剂的作用下生长成碳纳米管。作用下生长成碳纳

16、米管。研究者：研究者：Rice大学的大学的Richard Smally和他的合作者和他的合作者产率：产率：在催化剂合适的条件下，可大量制备单层碳纳在催化剂合适的条件下，可大量制备单层碳纳米管，一般产率可达米管，一般产率可达70%。优点：优点：主产物为单层碳纳米管，通过改变反应温度可主产物为单层碳纳米管，通过改变反应温度可控制管的直径。控制管的直径。缺点：缺点：需要非常昂贵的激光器，所以此法耗费最的大。需要非常昂贵的激光器，所以此法耗费最的大。 (D)激光法激光法（E）长碳纳米管束制造新方法长碳纳米管束制造新方法 中国清华大学和美国伦塞勒理工学院的研究人中国清华大学和美国伦塞勒理工学院的研究人员

17、，员，制造出的碳纳米管束最长达到了制造出的碳纳米管束最长达到了20厘米厘米，状如，状如人的发丝。这一成果是向制造可用于电子设备的微人的发丝。这一成果是向制造可用于电子设备的微型导线等迈出的重要一步。型导线等迈出的重要一步。 中美科学家在研究中中美科学家在研究中对合成对合成碳纳米管常用的化碳纳米管常用的化学气相淀积方法进行了改进学气相淀积方法进行了改进。改进结果显示，在化。改进结果显示，在化学气相淀积过程中加入氢和另外一种含硫化合物后，学气相淀积过程中加入氢和另外一种含硫化合物后，不仅能制造出更长的碳纳米管束，而且这些碳纳米不仅能制造出更长的碳纳米管束，而且这些碳纳米管束可由单层碳纳米管通过自我

18、组装而有规律地排管束可由单层碳纳米管通过自我组装而有规律地排列组成列组成。 研究人员认为，他们的新方法作为一种更为简便研究人员认为，他们的新方法作为一种更为简便的替代工艺，也许还可以的替代工艺，也许还可以用来生产高纯度的单层碳用来生产高纯度的单层碳纳米管材料纳米管材料。（2）碳纳米管的纯化碳纳米管的纯化常用的提纯方法常用的提纯方法：氧化法、过滤法、气相沉积：氧化法、过滤法、气相沉积法、离心分离法。法、离心分离法。氧化法的基本思想氧化法的基本思想：碳纳米管两端活性较强，：碳纳米管两端活性较强，所以氧化先从端口开始，由于端口长度与纳所以氧化先从端口开始，由于端口长度与纳米杂质粒子及无定形碳的长度相

19、差几个数量米杂质粒子及无定形碳的长度相差几个数量级，因此，在相同的速度下氧化，杂质粒子级，因此，在相同的速度下氧化，杂质粒子和无定形碳先被氧化掉，最后只剩较为纯净、和无定形碳先被氧化掉，最后只剩较为纯净、甚至被打开端口的碳管。甚至被打开端口的碳管。 常用提纯方法：常用提纯方法：物理法和化学法两大类。物理法和化学法两大类。n物理法：物理法：根据碳纳米管与杂质的根据碳纳米管与杂质的物理性质的不同物理性质的不同这这特点，主要指利用超声波降解、离心、沉积和过滤特点，主要指利用超声波降解、离心、沉积和过滤而将其分离。物理法对于提纯单壁碳纳米管是一种而将其分离。物理法对于提纯单壁碳纳米管是一种有效的方法。

20、有效的方法。n化学法：化学法：主要是用碳纳米管与杂质的主要是用碳纳米管与杂质的氧化速度不同氧化速度不同而除去杂质来提纯碳纳米管。而除去杂质来提纯碳纳米管。n常用的氧化剂：常用的氧化剂：空气、硝酸、混酸、重铬酸钾等，空气、硝酸、混酸、重铬酸钾等，或几种氧化剂相结合且分步来氧化提纯碳纳米管。或几种氧化剂相结合且分步来氧化提纯碳纳米管。n基本原理：基本原理：优先氧化碳纳米管管壁周围悬挂的五元优先氧化碳纳米管管壁周围悬挂的五元环和七元环，而没有悬挂键的六元环需要较长时间环和七元环，而没有悬挂键的六元环需要较长时间才能被氧化。当碳纳米管的封口遭到破坏，由六元才能被氧化。当碳纳米管的封口遭到破坏，由六元环

21、组成的管壁被氧化的速率十分缓慢，而碳颗粒则环组成的管壁被氧化的速率十分缓慢，而碳颗粒则一层层被氧化，最后只剩下碳纳米管，从而达到提一层层被氧化，最后只剩下碳纳米管，从而达到提纯的目的。纯的目的。（A）氧气（或空气）氧化法）氧气（或空气）氧化法 该方法有该方法有Ajayan和和Ebbesen等提出等提出11。他们将电弧放电法制备的碳纳米混合物在空气他们将电弧放电法制备的碳纳米混合物在空气中加热到中加热到700以上时，重量发生损失。在以上时，重量发生损失。在850温度下加热温度下加热15min后，样品全部消失，后，样品全部消失，他们发现当样品损失率达到他们发现当样品损失率达到99%以上时，残以上时

22、，残留的样品基本上全部是碳纳米管。留的样品基本上全部是碳纳米管。 缺点：缺点：该反应的选择性较差，碳纳米颗粒被氧该反应的选择性较差，碳纳米颗粒被氧化侵蚀的过程要持续一个较长时间，而且纳米化侵蚀的过程要持续一个较长时间，而且纳米颗粒与纳米管交织在一起，当碳纳米颗粒基本颗粒与纳米管交织在一起，当碳纳米颗粒基本上全部去除时，多层碳纳米管的管壁也被氧化上全部去除时，多层碳纳米管的管壁也被氧化侵蚀掉，最后剩下单层的碳纳米管。侵蚀掉，最后剩下单层的碳纳米管。（B）CO2 氧化法氧化法 该法由英国学者该法由英国学者Tsang 等等13将电弧放将电弧放电法所得的阴极沉积物放入一个两端有塞子的电法所得的阴极沉积

23、物放入一个两端有塞子的石英管中，在石英管中，在850下通入下通入CO2 (20mL/ min) ，持续，持续5h 后，约有后，约有10(wt)%损失，此损失，此时碳纳米管的封口被打开。继续加热，碳纳米时碳纳米管的封口被打开。继续加热，碳纳米颗粒、碳纳米球、无定形炭将被氧化烧蚀，被颗粒、碳纳米球、无定形炭将被氧化烧蚀，被氧化除去。而且当氧化时间足够时，氧化除去。而且当氧化时间足够时，MWNTs的管壁会受到侵蚀，从而变成的管壁会受到侵蚀，从而变成SWNTs。 （C）浓硝酸氧化法）浓硝酸氧化法n将碳纳米管加入到浓硝酸中搅拌，超声波分散将碳纳米管加入到浓硝酸中搅拌，超声波分散后加热回流处理。自然冷却后

24、用蒸馏水稀释、后加热回流处理。自然冷却后用蒸馏水稀释、洗涤至中性，经真空干燥、研磨后既得到纯化洗涤至中性，经真空干燥、研磨后既得到纯化处理的碳纳米管处理的碳纳米管14。n优点：优点：经过适当浓度硝酸氧化处理一定时间的经过适当浓度硝酸氧化处理一定时间的CNTs，其基本结构未发生本质变化，而表面，其基本结构未发生本质变化，而表面活性基团显著增加，在乙醇中分散浓度、均匀活性基团显著增加，在乙醇中分散浓度、均匀性、稳定性得到提高，在复合材料中的分散均性、稳定性得到提高，在复合材料中的分散均匀性及与树脂的结合性能也得到相应提高。硝匀性及与树脂的结合性能也得到相应提高。硝酸氧化处理是酸氧化处理是CNTs表

25、面活化的有效方法。表面活化的有效方法。（D）混酸氧化法）混酸氧化法 杨占红等杨占红等 15 以碱为分散剂对电弧法所以碱为分散剂对电弧法所得产物进行预处理，以混酸为氧化剂对得产物进行预处理，以混酸为氧化剂对CNTs进行纯化，结果发现浓硫酸和硝酸的混合物可进行纯化，结果发现浓硫酸和硝酸的混合物可以较快地将碳纳米管纯化。以较快地将碳纳米管纯化。（E）重铬酸钾氧化法）重铬酸钾氧化法 杨占红等杨占红等16研究了酸性重铬酸钾溶液研究了酸性重铬酸钾溶液对电弧放电法所制备对电弧放电法所制备CNTs的纯化，他们考察的纯化，他们考察了硫酸用量、反应温度、时间等对碳纳米管纯了硫酸用量、反应温度、时间等对碳纳米管纯度

26、的影响，发现当硫酸浓度为度的影响，发现当硫酸浓度为50 (vol)%，硫酸用量过量硫酸用量过量50%，反应温度，反应温度140，反应，反应时间时间2h，为最佳实验条件。，为最佳实验条件。 （3）碳纳米管的表面修饰）碳纳米管的表面修饰定义定义：碳纳米管的修饰是指通过溴水、重铬酸钾、混：碳纳米管的修饰是指通过溴水、重铬酸钾、混酸等氧化剂氧化碳纳米管的端口和侧壁，在其上引酸等氧化剂氧化碳纳米管的端口和侧壁，在其上引进一些基团，从而克服碳纳米管间的短程作用力。进一些基团，从而克服碳纳米管间的短程作用力。分类：分类： 按修饰部位按修饰部位：端头修饰、侧壁修饰；：端头修饰、侧壁修饰； 端头修饰是化学修饰中

27、最常见的一种。碳纳米管可端头修饰是化学修饰中最常见的一种。碳纳米管可以被视为线性富勒烯分子，其端头是由碳的五元环以被视为线性富勒烯分子，其端头是由碳的五元环和六元环组成的半球形，具有球形富勒烯的凸起结和六元环组成的半球形，具有球形富勒烯的凸起结构，强氧化剂可将端头打开而氧化成羧基，从而与构，强氧化剂可将端头打开而氧化成羧基，从而与其它的化学试剂反应，引入增溶基。同时，碳纳米其它的化学试剂反应，引入增溶基。同时，碳纳米管侧壁碳原子的管侧壁碳原子的SP2杂化形成大量的高度离域化杂化形成大量的高度离域化电电子，这些子，这些电子可以被用来与其他化合物通过电子可以被用来与其他化合物通过-非非共价键作用相

28、结合，得到修饰的碳纳米管。共价键作用相结合，得到修饰的碳纳米管。按修饰方法按修饰方法：重氮盐电化学修饰、化学掺杂等。：重氮盐电化学修饰、化学掺杂等。按修饰的性质按修饰的性质：共价功能化、非共价功能化：共价功能化、非共价功能化(A)共价功能化共价功能化定义定义：通过共价键联接来修饰碳纳米管的方法：通过共价键联接来修饰碳纳米管的方法分类：分类： 碳纳米管的酰胺化碳纳米管的酰胺化 、碳纳米管的酯化、氟化、碳纳米管的酯化、氟化、芳基重氮化芳基重氮化 、HTAB修饰碳纳米管修饰碳纳米管 、柠檬酸、柠檬酸 、碳纳米管化学镀镍及热处理碳纳米管化学镀镍及热处理 (B)非共价功能化非共价功能化定义定义：通过对：

29、通过对CNTs进行物理吸附和包裹来修饰进行物理吸附和包裹来修饰碳纳米管的方法碳纳米管的方法分类分类： 离子液体修饰碳纳米管离子液体修饰碳纳米管 、表面活性剂、表面活性剂 （十二（十二烷基磺酸钠烷基磺酸钠(SDS)和十二烷基苯磺酸钠和十二烷基苯磺酸钠(SDBS) ）、聚间亚苯基亚乙烯（）、聚间亚苯基亚乙烯（PmPV） 等等 （1）力学性能）力学性能：sp2杂化形成的杂化形成的C=C共价键是自然界共价键是自然界最强的价键之一，赋予碳纳米管极强的强度、韧性最强的价键之一，赋予碳纳米管极强的强度、韧性及弹性模量，使碳纳米管具有优异的力学性能。由及弹性模量，使碳纳米管具有优异的力学性能。由于碳纳米管的纳

30、米尺度和易缠绕的特点，直接用传于碳纳米管的纳米尺度和易缠绕的特点，直接用传统实验方法测量其力学性能比较困难，因此最初对统实验方法测量其力学性能比较困难，因此最初对碳纳米管力学性能的研究集中在碳纳米管力学性能的研究集中在理论预测理论预测上。上。 初步估算，碳纳米管的强度大概是钢的初步估算，碳纳米管的强度大概是钢的100倍。倍。Lieber运用运用STM技术测试了碳纳米管的弯曲强度，技术测试了碳纳米管的弯曲强度，证明碳纳米管具有理想的弹性和很高的硬度。因此证明碳纳米管具有理想的弹性和很高的硬度。因此用碳纳米管作为金属表面上的复合镀层，可以获得用碳纳米管作为金属表面上的复合镀层，可以获得超强的超强的

31、耐磨性耐磨性和和自润滑性自润滑性，其耐磨性要比轴承钢高，其耐磨性要比轴承钢高100倍，摩擦系数为倍，摩擦系数为0.060.1，且还发现该复合镀层，且还发现该复合镀层还具有还具有高的热稳定性高的热稳定性和和耐腐蚀性耐腐蚀性等性能。等性能。 4 碳纳米管的基本性质碳纳米管的基本性质 耐磨性耐磨性：利用碳纳米管的高耐磨性，可以用：利用碳纳米管的高耐磨性，可以用其制造刀具和模具等。这不仅能够提高产品的其制造刀具和模具等。这不仅能够提高产品的耐磨性，还能提高产品的期限，若能实现产业耐磨性，还能提高产品的期限，若能实现产业化，其效益将是非常巨大的。化，其效益将是非常巨大的。 自润滑性自润滑性：利用碳纳米管

32、的自润滑性，可以：利用碳纳米管的自润滑性，可以用来制造润滑材料，关于这一点，已取得了一用来制造润滑材料，关于这一点，已取得了一些成果些成果 作为针尖作为针尖：1996年年Smalley用一个碳纳米管修用一个碳纳米管修饰的针尖观察到了原子缝底的情况，饰的针尖观察到了原子缝底的情况， Lieber用用这个方法研究生物分子，解决了许多这个方法研究生物分子，解决了许多STM针针尖无法解决的问题，其分辨率也高。尖无法解决的问题，其分辨率也高。 理论估计其理论估计其杨氏模量杨氏模量高达高达5TPa，实验测，实验测得平均为得平均为1.8TPa，比一般的碳纤维高一个数量，比一般的碳纤维高一个数量级，与金刚石的

33、模量几乎相同，为已知材料的级，与金刚石的模量几乎相同，为已知材料的最高模量；最高模量；弯曲强度弯曲强度14.2GPa，所存应变能达，所存应变能达100KeV，是最好微米级晶须的两倍；其，是最好微米级晶须的两倍；其弹性弹性应变应变可达可达518，约为钢的，约为钢的60倍；其强度约倍；其强度约为钢的为钢的100倍，而倍，而密度密度约为约为1.22.1g/cm3，仅，仅为钢的为钢的1/61/7。碳纳米管还有。碳纳米管还有超高的韧性超高的韧性，理论估算它的最大延伸率可达理论估算它的最大延伸率可达20%。 （2）电学性能）电学性能：碳纳米管与石墨一样，碳原子：碳纳米管与石墨一样，碳原子之间是之间是sp2

34、杂化，每个碳原子有一个未成对电杂化，每个碳原子有一个未成对电子位于垂直于层片的子位于垂直于层片的轨道上，因此碳纳米管轨道上，因此碳纳米管具有优良的导电性能。但随网格构型（螺旋角）具有优良的导电性能。但随网格构型（螺旋角）和直径的不同，其导电性可呈现和直径的不同，其导电性可呈现金属、半金属金属、半金属或或半导体半导体性，因而碳纳米管的传导性可通过改性，因而碳纳米管的传导性可通过改变管中变管中网络结构网络结构和和直径直径来变化。来变化。 直径与螺旋结构主要由手性矢量所决定，直径与螺旋结构主要由手性矢量所决定，当手性矢量符合一定数时，单壁碳纳米管为当手性矢量符合一定数时，单壁碳纳米管为金金属导电性属

35、导电性，否则为，否则为半导体导电性半导体导电性。当然，由于。当然，由于某些特别的缺陷也可能导致同一碳纳米管既具某些特别的缺陷也可能导致同一碳纳米管既具有金属的导电性又具有半导体的导电性。有金属的导电性又具有半导体的导电性。 （3）优异的磁性优异的磁性：应用领域有功率变压器、：应用领域有功率变压器、脉冲变压器、高频变压器、扼流圈、互感器磁脉冲变压器、高频变压器、扼流圈、互感器磁头、磁开关和传感器等。它将成为铁氧体的有头、磁开关和传感器等。它将成为铁氧体的有力的竞争者。新近发现的碳纳米管软磁材料的力的竞争者。新近发现的碳纳米管软磁材料的高频场中具有巨磁阻抗效应。高频场中具有巨磁阻抗效应。 （4）良

36、好的储氢性能良好的储氢性能：碳纳米管具有比活性：碳纳米管具有比活性炭更大的比表面积，且具有大量的微孔，因此炭更大的比表面积，且具有大量的微孔，因此被认为是最好的储氢材料。被认为是最好的储氢材料。 （5）良好的吸波性能良好的吸波性能：由于碳管的独特分子：由于碳管的独特分子结构，特别是螺旋状纳米碳管，将其做成的吸结构，特别是螺旋状纳米碳管，将其做成的吸波材料波材料(材料材料)具有比一般吸收材料高得多的具有比一般吸收材料高得多的光吸收率。人们可利用其这一特性着手研究在光吸收率。人们可利用其这一特性着手研究在军事隐形、蓄能、吸波等方面的应用。军事隐形、蓄能、吸波等方面的应用。 例例：沈曾民等研究表明：

37、用化学镀方法在碳纳米管：沈曾民等研究表明：用化学镀方法在碳纳米管的表面镀上一层均匀的过渡金属镍。碳纳米管吸波的表面镀上一层均匀的过渡金属镍。碳纳米管吸波涂层在厚度为涂层在厚度为0.97mm时，在时，在8GHz18GHz，-10dB的频宽为的频宽为3.0，-5dB的频宽为的频宽为4.7 GHz。镀镍镀镍碳纳米管吸波涂层在厚度为碳纳米管吸波涂层在厚度为0.97nm时，时，-10dB的的频宽为频宽为2.23 GHz，-5dB的频宽为的频宽为4.6 GHz。碳纳碳纳米管表面镀镍后虽然吸收峰值变小，但吸收峰有宽米管表面镀镍后虽然吸收峰值变小，但吸收峰有宽化的趋势化的趋势，这种趋势对提高材料的吸波性能是有

38、利，这种趋势对提高材料的吸波性能是有利的。的。 含碳纳米管偶极子吸波涂层的主要吸波机理含碳纳米管偶极子吸波涂层的主要吸波机理：在含：在含碳纳米管的吸波涂层中，碳纳米管作为偶极子在电碳纳米管的吸波涂层中，碳纳米管作为偶极子在电磁场的作用下，会产生耗散电流，在周围基体作用磁场的作用下，会产生耗散电流，在周围基体作用下，耗散电流被衰减，从而电磁波能量转换为其它下，耗散电流被衰减，从而电磁波能量转换为其它形式的能量，主要为热能。形式的能量，主要为热能。 （6）光学性能）光学性能 碳纳米管具有卓越的发光性质，特别是碳纳米管具有卓越的发光性质，特别是稳定的发射光谱，很高的发光强度以及优秀的波长转稳定的发射

39、光谱，很高的发光强度以及优秀的波长转换功能换功能，电致发光方面低压、节能、稳定等优点使得，电致发光方面低压、节能、稳定等优点使得它具有广阔的应用前景。它具有广阔的应用前景。 2004年，年，Wei等发表了关于碳纳米管可以作为灯丝的初等发表了关于碳纳米管可以作为灯丝的初步研究成果，提出了碳纳米管电灯泡的概念。该项成步研究成果，提出了碳纳米管电灯泡的概念。该项成果得到世界著名刊物果得到世界著名刊物Science和和Nature的高度评价。的高度评价。 Dickey等用化学气相沉积等用化学气相沉积(CVD)法将钌掺入碳纳米法将钌掺入碳纳米管中制备了管中制备了Ru掺杂的碳纳米管阵列，该碳纳米管在可掺杂

40、的碳纳米管阵列，该碳纳米管在可见光区有荧光发射呈现绿色。见光区有荧光发射呈现绿色。 Sun等通过等通过把铕掺入碳纳米管中，使其荧光峰略把铕掺入碳纳米管中，使其荧光峰略向长波方向移动，为碳纳米管在光电子器件方面的应向长波方向移动，为碳纳米管在光电子器件方面的应用提供了可能。用提供了可能。 碳纳米管还具有良好的光限幅性质，可以作为一种碳纳米管还具有良好的光限幅性质，可以作为一种新型的激光防护材料。新型的激光防护材料。（7）热学性能）热学性能 研究人员最近发现碳纳米管是目研究人员最近发现碳纳米管是目前世界上最好的导热材料。碳纳米管依靠前世界上最好的导热材料。碳纳米管依靠超声超声波波传递热能，其传递速

41、度可达传递热能，其传递速度可达每秒每秒 1 万米万米。同。同时发现时发现的还有，即使将碳纳米管捆在一起，热的还有，即使将碳纳米管捆在一起，热量也不会从一个碳纳米管传到另一个碳纳米管，量也不会从一个碳纳米管传到另一个碳纳米管，这说明碳纳米管这说明碳纳米管只能沿一维方向传递热能只能沿一维方向传递热能。 碳纳米管的这种优异的导热性能，将使它碳纳米管的这种优异的导热性能，将使它有望成为今后超高速运算的有望成为今后超高速运算的计算机芯片导热板计算机芯片导热板，也可以用于发动机和火箭等各种高温部件的也可以用于发动机和火箭等各种高温部件的防防护材料护材料。原因原因：碳纳米管的热学性能不仅与组成它的：碳纳米管

42、的热学性能不仅与组成它的石石墨片本质墨片本质有关，而且与其有关，而且与其独特的结构和尺寸独特的结构和尺寸有有关。石墨的内平面热传导率仅次于一定形式的关。石墨的内平面热传导率仅次于一定形式的掺杂金刚石。碳纳米管反映了石墨的内平面特掺杂金刚石。碳纳米管反映了石墨的内平面特性，故而它的热传导率非常高。性，故而它的热传导率非常高。 单独一根多壁碳纳米管单独一根多壁碳纳米管的室温热导率预计的室温热导率预计达达3000W/mK，单独一根单壁碳纳米管室温，单独一根单壁碳纳米管室温热导率达热导率达6000W/mK，而单壁碳纳米管束的，而单壁碳纳米管束的室温热导率大于室温热导率大于200W/mK63 。（8）化

43、学性能）化学性能 在催化研究方面，碳纳米管已被用于在催化研究方面，碳纳米管已被用于分散和稳定纳米级的金属小颗粒。由碳纳米管制得分散和稳定纳米级的金属小颗粒。由碳纳米管制得的催化剂可以改善多相催化的选择性。的催化剂可以改善多相催化的选择性。Louv曾报道曾报道了直接用碳纳米管做催化剂分解了直接用碳纳米管做催化剂分解 NO，在，在 873K有有 100 %的转换率。的转换率。 用作合成用作合成模板模板：碳纳米管的直径处于纳米级，长度：碳纳米管的直径处于纳米级，长度则可达数微米至数毫米，因而具有很大的长径比，则可达数微米至数毫米，因而具有很大的长径比，是准一维的量子线。利用这种一维中空的结构作模是准

44、一维的量子线。利用这种一维中空的结构作模板，对其进行填充、包裹和空间限制反应可合成其板，对其进行填充、包裹和空间限制反应可合成其他一维纳米结构的材料。有人利用碳纳米管的管状他一维纳米结构的材料。有人利用碳纳米管的管状腔进行管道有机合成，预言在有机合成、腔进行管道有机合成，预言在有机合成、 生物化学生物化学以及制药化学领域有重要意义。以及制药化学领域有重要意义。5 碳纳米管的相关应用碳纳米管的相关应用 美国和巴西科学家的一项最新美国和巴西科学家的一项最新研究，发现了碳纳米管薄层在受到研究，发现了碳纳米管薄层在受到拉伸或压缩时，可以表现出一种超拉伸或压缩时，可以表现出一种超乎想象的力学性质。这一成

45、果有望乎想象的力学性质。这一成果有望为碳纳米管带来巨大的应用前景，为碳纳米管带来巨大的应用前景，比如制造比如制造人工肌肉、传感器人工肌肉、传感器等。等。 大多数材料在朝一个方向拉伸大多数材料在朝一个方向拉伸时，另一个方向就会变细变窄。这时，另一个方向就会变细变窄。这种现象可以用泊松比种现象可以用泊松比(侧向收缩比例侧向收缩比例与实际伸长比例的比值与实际伸长比例的比值)来定量描述。来定量描述。然而，最新研究发现，一种特殊的然而，最新研究发现，一种特殊的碳纳米管薄层碳纳米管薄层(也称也称巴克纸巴克纸)却能够却能够在拉伸和均匀压缩时，长度和宽度在拉伸和均匀压缩时，长度和宽度同时增加。也就是说这种材料

46、具有同时增加。也就是说这种材料具有负的泊松比。负的泊松比。 巴克纸中的多巴克纸中的多壁碳纳米管在壁碳纳米管在原子力显微镜原子力显微镜下的图像下的图像 碳纳米管薄层碳纳米管薄层具有独特力学性质具有独特力学性质n研究人员发现，随着多壁碳管在薄层中的增加，研究人员发现，随着多壁碳管在薄层中的增加，薄层的泊松比会薄层的泊松比会从从0.06突然跃变为突然跃变为-0.20。n新的研究成果具有重要的应用价值，比如设计新的研究成果具有重要的应用价值，比如设计源自碳纳米薄层的复合物，制造人工肌肉、垫源自碳纳米薄层的复合物，制造人工肌肉、垫圈、压力传感器和化学传感器等。尤其是当调圈、压力传感器和化学传感器等。尤其

47、是当调整单壁和多壁碳管比例，令泊松比恰好为整单壁和多壁碳管比例，令泊松比恰好为0时，时，这种材料对于设计弯曲时宽度依然不变的感应这种材料对于设计弯曲时宽度依然不变的感应悬臂十分有效。悬臂十分有效。比人体肌肉强比人体肌肉强30倍碳纳米管人造肌肉倍碳纳米管人造肌肉 这种人造肌肉纤维由这种人造肌肉纤维由“成捆成捆”的碳纳米管组成，在电的碳纳米管组成，在电流的刺激下即可在流的刺激下即可在水平方向水平方向上快速伸缩。而在上快速伸缩。而在垂直方向垂直方向上，上，它却极为坚韧。它在单位面积上能够产生的拉力是人体肌它却极为坚韧。它在单位面积上能够产生的拉力是人体肌肉的肉的30倍，伸缩速度也要快得多。人体肌肉纤

48、维每秒钟可倍，伸缩速度也要快得多。人体肌肉纤维每秒钟可收缩收缩10%，而这种人造肌肉则可收缩，而这种人造肌肉则可收缩40000%。当被大幅。当被大幅度拉伸之后，它甚至轻的可以度拉伸之后，它甚至轻的可以在空气中漂浮起来。在空气中漂浮起来。碳纳米管碳纳米管“蜘蛛衣蜘蛛衣” 一教授计划用一种名为碳一教授计划用一种名为碳纳米管的超细纤维来制造纳米管的超细纤维来制造“蜘蛛衣蜘蛛衣”，这种材料内，这种材料内部中空。由于非常微小，部中空。由于非常微小，它具有像壁虎刚毛一样的它具有像壁虎刚毛一样的吸附效果。壁虎、蜘蛛的吸附效果。壁虎、蜘蛛的脚上长满了细小的刚毛，脚上长满了细小的刚毛，能敏锐地寻找到各种固体能敏

49、锐地寻找到各种固体表面的细微凹凸并吸附在表面的细微凹凸并吸附在上面。上面。 壁虎抵抗重力的能力来自于足底的刚毛结构 蜘蛛衣蜘蛛衣”的吸附力取决于与固体表面的吸附力取决于与固体表面接触处的碳纳米管数量。这种材料的接触处的碳纳米管数量。这种材料的外部直径只有几到几十纳米，相当于外部直径只有几到几十纳米，相当于头头发丝的发丝的1/10万，因此一片手掌大小的万，因此一片手掌大小的纤维中可容纳数十亿的碳纳米管，由纤维中可容纳数十亿的碳纳米管，由此产生的单位面积吸附力是壁虎脚的此产生的单位面积吸附力是壁虎脚的200倍。倍。把一双用这种材料制成、手掌把一双用这种材料制成、手掌面积为面积为200平方厘米的高粘

50、力手套粘在平方厘米的高粘力手套粘在屋顶上，可以同时吊起屋顶上，可以同时吊起14个重量为个重量为83公斤的壮汉。公斤的壮汉。当然，要移动也很简单，当然，要移动也很简单，只要沿着表面稍微上下左右挪动一下，只要沿着表面稍微上下左右挪动一下，粘结处就会一点点断开。粘结处就会一点点断开。 这种高科技材料在科学方面有非这种高科技材料在科学方面有非常有趣的应用，像常有趣的应用，像在太空中，舱外作在太空中，舱外作业的宇航员就可以穿上这种具有吸盘业的宇航员就可以穿上这种具有吸盘粘附功能的衣服。粘附功能的衣服。 据估计，世界第一据估计，世界第一套套“蜘蛛衣蜘蛛衣”有望在有望在2017年前问世。年前问世。高性能超长