3.典型的纳米炭材料.ppt

神奇的纳米碳材料 无处不在的碳 碳是自然界中最常见的元素之一，它以多种形式广泛存在于大气和地壳之中。碳单质很早就被人认识和利用，碳的一系列化合物——有机物更是生命的根本。现在人类使用的能源绝大部分都是基于碳能源的利用。 二、单质碳的常见形式 1. 金刚石（Diamond） 最为坚固的一种碳结构，其中的碳原子以晶体结构的形式排列，每一个碳原子与另外四个碳原子紧密键合，最终形成了一种硬度大、活性低的固体。 金刚石的熔点超过3500℃，相当于某些恒星表面的温度 2. 石墨（Graphite） 石墨中碳原子以平面层状结构键合在一起，层与层之间键合比较脆弱，因此层与层之间容易被滑动而分开。 3. 富勒烯（Fullarene） 又称为巴基球。富勒烯中的碳原子是以球状穹顶的结构键合在一起。 单质碳的其他形式 碳纳米管（Carbon nanotube） 纤维碳（Filamentous carbon，小片堆成长链而形成的纤维） 洋葱碳及其相关结构 纳米金刚石 金刚石薄膜 最硬的材料-金刚石 世界上最大的一颗金刚石，是1905年威尔斯上尉在南非（阿扎尼亚）的兰是瓦普列米尔矿山发现的“库利南钻石”，重3024.75克拉。约合605克（5克拉等于一克）。其中最大的一颗重530.20克拉。琢磨成74面，定名为“非洲之星”，镶在英王王冠上。 强度最高的纤维—碳纳米管 碳纳米管的抗拉强度达到50-200GPa，比同体积钢的强度高100倍，重量却只有后者的1/6到1/7。 弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。 具有理想结构的单壁碳纳米管，其抗拉强度约为800GPa。 碳纳米管的发现 1985年，英国萨塞克斯大学的波谱学家克罗托（H.W. Kroto）和美国莱斯大学斯莫利Richard E. Smalley（1996年诺贝尔化学奖获得者）发现了富勒烯。 1991年1月，日本筑波NEC实验室的物理学家饭岛澄男（Iijima Sumio）使用高分辨率分析电镜从电弧法生产的碳纤维中发现多壁碳纳米管。（Multi-walled Carbon Nanotubes） 1993年，美国IBM公司Almaden实验室Bethune等人和Iijima同时报道了观察到单壁碳纳米管（ Single-walled Carbon Nanotubes ） 碳纳米管的结构 单壁碳纳米管的特性 碳纳米管的应用-力学 超强纤维: 碳纳米管具有弹性高、密度低、绝热 性好、强度高、隐身性优越、红外 吸收性好、疏水性强等优点，它可 以与普通纤维混纺来制成防弹保暖 隐身的军用装备。 碳纳米管的应用-力学 材料增强体: 用于增强金属、陶瓷和有机材料等。 并且结合碳纳米管的导热导电特性. 能够制备自愈合材料。 碳纳米管的应用－隐身材料 碳纳米管的应用-能源 储氢材料: 按5人座的轿车行使500公里计算，需要3.1Kg的氢气，以正常的油箱体积计算，氢气的存储密度应有6.5wt%，目前的储氢材料都不能满足这一要求。 碳纳米管由于其管道结构及多壁碳管之间的类石墨层空隙，使其成为最有潜力的储氢材料，国外学者证明在室 温和不到1bar的压力下，单壁碳管可以吸附氢气5-10wt%。 根据理论推算和近期反复验证，普遍认为碳纳米管的可逆储/放氢量在5wt%左右，即使5wt%，也是迄今为止最好的储氢材料。 碳纳米管的应用-能源 锂离子电池: 锂离子电池正朝高能量密度方向发展，最终为电动汽车配套，并真正成为工业应用的非化石发电的绿色可持续能源，因此要求材料具有高的可逆容量。 碳纳米管的层间距略大于石墨的层间距，充放电容量大于石墨，而且碳纳米管的筒状结构在多次充-放电循环后不会塌陷，循环性好。 碱金属如锂离子和碳纳米管有强的相互作用。用碳纳米管做负极材料做成的锂电池的首次放电容量高1600mAh/g，可逆容量为700mAh/g，远大于石墨的理论可逆容量372mAh/g。 碳纳米管的应用-纳米器件 纳米导线: 碳纳米管的直径仅数纳米至数十纳米，耐电流密度可达铜的100多倍，可以作为超级耐高电流密度的布线材料，半导体型的碳纳米管还可以用来构筑纳米场效应晶体管、单电子晶体管等纳米器件，变频器、逻辑电路以及环形振荡器等各种逻辑电路。 IBM的研究人员已经在单一“碳纳米管”分子上构建了首个的完整电子集成电路，比当今的硅半导体技术具有更为强大的性能，具有里程碑式的重大意义。 碳纳米管的应用－电子器件 场致发射: 纳米级发射尖端、大长径比、高强度、高韧性、良好的热稳定性和导电性等，使得碳纳米管成为理想的场致发射材料!有望在冷发射电子枪、平板显示器等众多领域中获得应用。 日本已制出该类技术的彩色电视机样机，其图象分辨率是目前已知其它技术所不可能达到的。用碳纳米管制成的电子枪与