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碳纳米管的介绍与应用 材料物理与化学 于波 一直以来人们认为自然界只存在两种碳的同素异形体：金刚石、石墨。但到20世纪80年代以来发现了一些纳米尺寸的新型纳米材料，C60，碳纳米管等等。 一、碳纳米管的发现 1991年，日本NEC公司Iijima第一个发现了多壁碳纳米管（MWNTs）。Iijima在观察电弧蒸发石墨得到的各种产物的时候，在不断改变实验条件过程中，发现所得到的产物中除了制备C60时出现的灰状产物以外，在电极上还有一些呈针状的产物。 将这些针状产物在高分辨电子显微镜下观察，发现该针状物是直径为4～30纳米，长约1微米，由2个到50个同心管构成，相邻同心管之间平均距离为0.34纳米。 饭岛澄男 S.Iijima 进一步实验研究表明，这些纳米量级的微小管状结构是由碳原子六边形网格按照一定方式排列而形成，或者可以将其想象成是由一个六边形碳原子形成的平面卷成的中空管体，而在这些管体的两端可能是由富勒烯形成帽子。这就是多壁纳米碳管。 1993年，S.Iijima等和DS Bethune等同时报道了采用电弧法，在石墨电极中添加一定的催化剂，可以得到仅仅具有一层管壁的纳米碳管，即单壁碳纳米管产物。 碳纳米管又称为巴基管，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级）的一维量子材料。在纳米材料中，CNTs被称为纳米之王或者超级纳米材料。 CNTs是由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的无缝、中空纳米管。 理想的单层碳纳米管示意图 二、碳纳米管的结构 纳米碳管的高分辨电子显微镜照片，从左到右为SWNT，MWNT（包含2层、3层、4层石墨片层 ) 碳原子的成键 1.金刚石中，每个碳原子的四个价电子占据SP3轨道杂化轨道，形成四个等价的σ共价键，与另外四个碳原子沿四面体的四个顶角方向相连。 2.在石墨中，每个碳原子的三个外层电子占据平面状SP2杂化轨道，形成三个面内σ键，余下一条面外π轨道（π键）。此种成键方式导致形成一个平面六边形网络结构。互为平行的网格片层依靠范德华力结合在一起。 3.碳纳米管可以看做是石墨片卷曲形成的空心圆柱体。碳纳米管中的成键主要是SP2.不过，此种圆筒状弯曲会导致量子限域和σ-π再杂化，其中三个σ键稍微偏离平面。 这使得碳纳米管比石墨具有更高的机械强度、更为优良的导电性能和导热性能、更高的化学和生物活性等。 碳纳米管可以看做是石墨片卷曲形成的空心圆柱体。 C-螺旋向量（C=na1+ma2），其中n，m为整数，a1,a2为晶格向量。 按手性分分类： 通常依照n ，m 的相对关系，将单壁碳纳米管分为 非手性管 和手性管两个基本类型。 对整数一经确定，碳纳米管的结构就完全确定。当n=m即手性角θ=30°时称为扶手椅管（armchair tubule）；当m=0即手性角θ=0°时称为锯齿管（zigzag tubule）；而当0°θ30°时则称为手性管（chiral tubule）。 Armchair (n,m)=(5,5) Zigzag (n,m)=(9,0) 碳纳米管不总是笔直的，而是局部区域出现凸凹现象，这是由于在六边形编织过程中出现了五边形和七边形。 当六边形逐渐延伸出现五边形时，由于张力的关系而导致纳米管凸出。如果五边形正好出现在碳纳米管的顶端，即形成碳纳米管的封口。 当出现七边形时，纳米管则凹进。两根毗邻的碳纳米管不是直接粘在一起的，而是保持一定距离。 三、碳纳米管的性质 碳纳米管具有优良的力学性能、特殊的磁性能、高的导电率和扩散率、高的反应活性和催化性能，吸收电磁波的性能等等。 但是这些奇异特性，大多数情况时有理论计算所得，要得到实验证实，存在许多困难，但经过各国科研者的努力，仍然取得很多进展。 1.碳纳米管的力学性能 碳纳米管的侧面的基本构成是由六边形碳环组成, 在管身弯曲和管端口封顶的半球帽形部位则含有一些五边形和七边形的碳环结构。 因为构成碳纳米管不同碳环结构的碳-碳共价键是自然界中最稳定的化学键,所以碳纳米管应该具有非常好的力学性能,其强度接近于碳- 碳键的强度。 理论计算和实验研究表明,单壁碳纳米管的杨氏模量和剪切模量都与金刚石相当,其强度是钢的100倍,而密度却只有钢的六分之一,是一种新型的“超级纤维”材料。 下表列出了通过计算获得的单壁碳纳米管及其管束以及多壁碳纳米管的杨氏模量和拉伸强度，作为比较，其他一些材料的相关参数也列于其中。平均来看，这些计算值与实验结构是一致的。 碳纳米管