固体碳的新形态碳纳米管..docxVIP

固体碳的新形态——碳纳米管 随着C6o及富勒烯化合物的合成，寻找碳可能存在的同素异形体业已成 为人们关注的焦点，1991年，日本科学家饭岛（lijima ）发现了一种针状的管 形碳单质 碳纳米管。1992年Ebbesn等提出了实验室规模合成碳纳米管的方 法。宏观量碳纳米管的合成和提纯，给碳纳米管化学性质的研究提供了可能性。 此后，许多国家的科学家投入大量的精力对碳纳米管的制备、性质、应用进行 了一系列的研究，并取得了可喜的成果。 1 ?结构 碳纳米管，又名巴基管，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、管子两端基本上都封口）的一维量子材料。它主要由呈 六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管（图 1）。层与层之间保持固 定的距离，约0.34nm,直径一般为2~20nm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。除 六边形外，五边形和七边形在碳纳米管中也扮演重要角色。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， Ruff等用 Jarrel-Ash扫描显微光度计精确测量了两根非常接近的碳纳米管间的距离。 碳纳米管的制备 目前，大量的碳纳米管主要采用以下方法来制备： （1）电弧法 其原理为石墨电极在电弧产生的高温下蒸发，在阴极沉积出纳米管。这 种方法具有简单快速的特点，到目前为止，仍不失为一种好的制备方法。Colbert 等认为该法所产生的碳纳米管缺陷较多，究其原因是电弧温度高达3000~7000°C, 形成的碳纳米管被烧结于一体，造成较多的缺陷。所以他们把一般阴极（大石 墨电极）改成一个可以冷却的铜电极，再在上面接石墨电极（图 2），这样产物 的形貌和结构大为改观，使电弧法再次焕发了青春 （图 （图2） （2） 气相热解法 该法的产率较高，但含管状结构的产物比例不高，管径不 整齐，形状不规则，且在制备过程中必须使用催化剂。 （3） 固相热解法 固相热解法是采用常规固相热解含碳亚稳固体生长碳纳米 管的新的方法。本法具有过程稳定、不需催化剂、原位生长等多种优点，但因 为受原料的限制，使其生产不能上规模和连续化。 （4） 离子或激光溅射法 此法易于连续生产，但由于设备上的原因，限制了 它的规模。 单层碳纳米管的发现 为了检测碳纳米管的电子结构和机械强度，人们希望得到具有较好的形 貌，长度较长，厚度较薄，嵌套层数较少的碳纳米管。虽然通常采用电弧法合 成的碳纳米管多为多层结构，但在进行碳纳米管的有关计算时，人们最为关注 的却是单层碳纳米管。1993年，日本NEC公司在lijima 和美国的IBM公司的 Bethune研究组几乎同时发现了单层碳纳米管的合成。 lijima在通常的电弧放 电反应器中，充入总压力为1.33 x 104Pa的甲烷与氩气，阴极碳电极的一部分换 成铁，铁与碳同时蒸发则得单层碳纳米管。Bethune等则在电弧放电法制备碳纳 米管过程中，发现存在有直径1~2 nm的单层碳纳米管。日本三重大学的 Saito 用镍或稀土元素充填阴极棒，合成了现有报道中最小尺寸的碳纳米管，它们的 平均直径大约为1nm最小直径为0.7nm。应该注意的是，用上述方法制得的单 层碳纳米管，不是存在于阴极堆积物中，而是在含有大量金属碳化物飞散的碳 黑中。由此可知，单层碳纳米管是在 Fe、Co Ni、稀土元素等金属催化下于气 相中生成的，这一点与在惰性气氛中生成富勒烯十分相似。 碳纳米管的应用 碳纳米管具有与富勒烯分子相似的性质（其端面有碳五元环的存在）。 由于它独特的电子结构及物理化学特性，它在各个领域中的应用已引起各国科 学家的普遍关注。 （1） 高强度碳纤维材料 决定增强型纤维强度的一个关键是长度和直径之比。 目前材料材料工程师希望得到的长度直径比至少是 20： 1。然而，即使在现在能 得到的以纳米计算的长度中，纳米管的长度也是直径的几千倍，因而号称“超 级纤维”。它们的强度比钢高100倍，但重量只有钢的六分之一。它们非常微 小，5万个并排起来才有人的一根头发那么宽。 （2） 复合材料 碳纳米管复合材料的基体可用树脂、炭、金属和无机材料等。 用碳纳米管材料增强的塑料，不仅力学性能优良，而且抗疲劳、抗蠕变、材料 尺寸稳定；又由于磨擦系数小，故滑动性能好，与金属相比振动衰减性好；此 外，它们还具有导电、耐蚀、屏蔽电波和 X 射线透过性好等优点。混凝土、水 泥灰浆、水泥浆等水泥系列材料价格低廉、耐火、耐热、耐蚀性能优良，压缩 强度也高，因此在土木、建筑、海洋工程工程方面被大量使用。但是它们是脆 性材料，拉伸强度