碳纳米管 46.pptVIP

第二章 几种典型的纳米材料 2.1 纳米纤维 2.2 碳纳米管 2.1 纳米纤维（nanofibers） 1）纳米纤维主要包含两个概念: 一是严格意义上的纳米纤维，即狭义的纳米纤维； 另一概念是广义的纳米纤维，是将纳米微粒填充到纤维中，对纳米纤维进行改性，也就是我们通常意义上的纳米纤维，只要纤维中包含有纳米结构，而且又赋予了新的物性，就可以划入纳米纤维的范畴。 纳米纤维由于直径达到纳米量级，其比表面积很大，导致其表面能和活性的增大，从而产生了小尺寸效应、表面或者界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等，在化学、物理、热、光、电、磁等方面表现出奇异的性质，这些独特的性质在能源、电子、微纳器件、医药、催化、传感、防护膜及模板合成等领域有着诱人的应用前景。 2）静电纺丝法 (electrospinning) 电纺纳米纤维是由静电纺丝法制备的纳米纤维的简称，起源于1934年， Formalas设计了一种利用液体表面电荷排斥力制备高分子细丝的装置。 电纺纳米纤维有以下特点： 纤维超长 (宏观长度)、甚至是连续纤维； 化学组成多样、易调变； 纤维直径均匀、可在几十纳米与十几微米范围内任意调节； 纤维通常是多晶或非晶态, 能通过纺丝前驱体及纺丝装置的设计使纤维含有二级纳米结构 3）电纺的基本过程及原理 图 （a）同轴电纺的结构示意图，（b）单向排列的锐钛矿TiO2的SEM照片，插入图为放大的SEM照片【D. Li, Y. N. Xia, Nano Lett. 2004, 4, 933】 4）纳米纤维的应用 （1）过滤材料 用静电纺丝法制备的纳米纤维，其过滤效率较常规过滤材料大大提高，如同样质量的超微细纤维过滤毡与常规纤维过滤毡相比，其过滤效率能提高70％，国内外现有的过滤材料只能净化10μm以上的颗粒，而直径小于10μm特别是l-2μm的颗粒对人体的危害也很大。 如二哑英这种致癌物往往吸附在这些小颗粒上，而纳米纤维滤材则可以有效地过滤掉这些小颗粒。 （2）生物医用功能材料 静电纺丝纤维由于具有很好的生物相容性和结构相容性，已经在组织工程支架、移植涂膜、药物释放、创伤修复等方面得到了应用。 Riboldi Stefania等用静电纺丝方法制备出可降解的聚酯型聚氨酯纳米纤维，可用于骨骼的肌肉组织工程支架，发现无毒性残留，力学性能较好，而且细胞培养结果表明，组织细胞可以很好地粘附于静电纺丝支架上，并进行细胞分裂增殖。 (3)传感器材料 传感膜的灵敏度与每单位质量膜的表面积成正比，由于静电纺丝纳米纤维的比表面积比通用膜大很多，所以用在传感器方面可以大大提高其灵敏度。 碳纳米材料的特性及其应用 碳纳米材料发展简史 碳纳米材料的分类 富勒烯 碳纳米管的制备 碳纳米管的物理化学性质 碳纳米管的应用 碳是一种元素，是自然界中广泛存在的，碳是很多有机物和无机物的重要成份。 而炭是指以单质碳为主要成份的燃料，如煤炭，木炭等。 这两个字不要混用。 近年来，碳纳米技术的研究相当活跃，多种多样的纳米碳结晶、针状、棒状、桶状等层出不穷。 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、活性差的固体。金刚石的熔点超过3500℃，相当于某些恒星表面温度。 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。 碳家族 纳米碳材料是指分散相尺度至少有一维小于100nm的碳材料。 分散相既可以由碳原子组成，也可以由异种原子（非碳原子）组成，甚至可以是纳米孔。 纳米碳材料主要包括三种类型：碳纳米管，碳纳米纤维，纳米碳球。 1碳纳米材料发展简史 1985年 发现了巴基球(C60)； 柯尔、克罗托和斯莫利在模拟宇宙长链碳分子的生长研究中，发现了与金刚石、石墨的无限结构不同的，具有封闭球状结构的分子C60。因此，1996年获得诺贝尔化学奖。 1991年 日本电气公司的S.?Iijima饭岛澄男在制备C60、对电弧放电后的石墨棒进行观察时，发现圆柱状沉积的空的管状物直径0.7-30?nm，叫Carbon?nanotubes (CNTs）； 1992年 瑞士洛桑联邦综合工科大学的D.Ugarte等发现了巴基葱(Carbon nanoonion)； 2000年，北大彭练矛研究组用电子束轰击单壁碳纳米管，发现了Ф=0.33nm的碳纳米管，但稳定性较差; 2002年4月5日， 美国纽约州的伦斯勒工业大学（RPI Rensselar?Polytechnic Institute）材料