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题

目 姓

名 专业

碳纳米管性质及其应用研究进展

学

2008306202143 郑亚莉

会计0803

号

二○一零 年 五 月

碳纳米管性质及其应用研究进展

碳是自然界分布非常普遍的一种元素。碳元素最大的特点之一是存在着众多的同素异形体，形成许许多多结构和性质完全不同的物质。长期以来，人们一直认为碳的晶体只有两种：石墨和金刚石。直到1985年，英国科学家Kroto和美国科学家Smalley在研究激光蒸发石墨电极时发现了碳的第三种晶体形式C60，从此开启人类对碳认识的新阶段。1991年，日本NEC公司基础研究实验室的电镜专家S.Lijima在用电子显微镜观察石墨电弧法制备富勒烯产物时，发现了一种新的碳的晶体结构--碳纳米管(CarbonNanotubes，CNTs)，自此开辟了碳科学发展的新篇章，也把人们带人了纳米科技的新时代。

碳纳米管的结构，形象地讲是由含六边形网格的石墨片卷曲而成的无缝纳米级圆筒，两端的“碳帽”由五边形或七边形参与封闭，根据石墨片层数的不同，碳纳米管可分为单壁管和多壁管。由于其结构上的特殊性(径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米，甚至毫米量级)，它表现为典型的一维量子材料，并具有许多异常的力学、电学、光学、热学和化学性能。碳纳米管在制备、结构、性能、应用等方面引起了物理学、化学和材料学等科学家的极大兴趣，均取得了重大的成果。近几年来，随着碳纳米管及纳米材料研究的不断深入，其广阔应用前景也不断显现出来。

1碳纳米管的结构和性能

碳纳米管可以看作是石墨片绕中心轴按一定的螺旋角度卷绕而成的无缝圆筒，碳原子间是sp2杂化，它具有典型的层状中空结构特征，管径在0.7-30nm之间，长度为微米量级，管身是由六边形碳环组成的多边形结构，两端由富勒烯半球形端帽封口。

碳纳米管的螺旋度通常用螺旋矢量Ch=na1+ma2表示，其数值等于碳纳米管的周长，其中n，m为整数，a1、a2是石墨晶格的基矢(图1)。在二维石墨晶片上，给定一组(n，m)便确定了一个矢量Ch。另一个重要参量是Ch与a1，间夹角θ，称为手性角。当n=m，θ=30°时，称其为扶手椅形碳纳米管；当m=0，θ=0°时，称其为锯齿形碳纳米管；而当0°

碳纳米管具有最简单的化学组成及原子结合形态，却展现了最丰富多彩的结构以及与之相关的物理、化学等性能。碳纳米管的碳原子之间以自然界最强C-C化学键相结合，它的强度是钢的100倍，而密度仅仅是钢的1/6，具有很高的轴向强度、韧性和弹性模量，杨氏模量与金刚石相当，约为1TPa，弹性应变最高可达12%。碳纳米管和石墨一样具有良好的导电性能，随着螺旋矢量(n，m)的不同，碳纳米管的能隙宽度可以从零变化到与硅相等，导电性能介于导体和半导体之间。由于电子的量子限域所致，电子只能在石墨片中沿着碳纳米管的轴向运动，因此碳纳米管表现出独特的电学性能。碳纳米管尖端具有纳米尺度的曲率半径，在相对较低的电压下就能够发射出大量的电子，因此碳纳米管呈现出优良的场致发射特性。碳纳米管轴向导热系数高达6 600W/(m·K)，为自然界已知材料中最高，是电子设备中最高效的散热材料。另外，碳纳米管具有独特的辉光效应、电致发光特性和光致发光效应等性能。碳纳米管还具有光学和储氢等其他良好的性能,正是这些优良的性质使得碳纳米管被认为是理想的聚合物复合材料的增强材料。

3碳纳米管的应用

碳纳米管独特的结构及与之相关的力学、电子特性及化学性能，必然决定了它在物理、化学、信息技术、环境科学、材料科学、能源技术、生命及医药科学等领域均具有广阔的应用前景。

3.1碳纳米管复合材料

碳纳米管全部由碳原子组成，缺陷少、密度低，具有很高的轴向强度和刚度，其性能优于通用级炭纤维，被看作是理想的复合材料增强相。利用碳纳米管具有极好的导电特性、电致发光和长径比值达104等其他性能，可制备导电聚合物复合材料。碳纳米管复合材料广泛应用于汽车(刹车片、保险杠)、航空、航天、船舶、文体用品(钓鱼杆、高尔夫球杆、网球拍)、土木建筑(水泥复合材料、轻量材)、机械(弹簧、螺旋杆等)等方面。此外，添加碳纳米管可提高聚合物的导电性。由于碳纳米管直径小且导电，在纺织品中添加微量碳纳米管，既可以防止静电的产生，同时又不会影响纺织品的舒适性；经化学修饰的碳纳米管衍生物与聚合物共混纺制碳纳米管复合纤维，其不仅具有导电或抗静电性，还具有高的强度和模量，该类复合纤维制造的防弹衣可以有效保护整个人体，而不仅仅是前胸和后背；同时还能制作重量很轻的防辐射和抗冲击太空服。

3.2电子材料及器件

碳纳米管的电子结构可以是金属性质，也可以是半导体性质，取决于其直径和螺旋度。因此不同直径和螺旋度的碳纳米管可以作为功能电子器件、微型电路的导线、最小的半导体装置、纳米级的晶体三极管、逻辑门和线路的连接件，应用于微电子器件。碳纳米管上极小的微粒可以引起碳纳米管在电流中的摆动频率发生变化，据此，美国佐治亚理工学院王中林教授发明了精度在10-17kg的“纳米秤”，能够称量单个病毒的质量。2004年，韦进全等发表了关于碳纳米管作为灯丝的初步研究结果，发现碳纳米管可以表现出显著的电致发光性能，并提出了碳纳米管灯泡的概念。2007年，美国加州大学伯克利分校成功研制出迄今为止世界上最小的碳纳米管收音机，它集天线、调谐器、放大器和解调器于一身。

碳纳米管的端部曲率半径小，在电场中具有很强的局部增强效应，可以用作场发射材料。作为场发射材料，碳纳米管放大因子高，阈值场强可达1-3V/μm，比传统的阴极阵列降低了3个数量级，用作场发射显示器件(FED)时工作电压低、功率小、亮度高、寿命长、稳定性高、具有更宽阔的视觉和更快的响应速度，大面积定向碳纳米管薄膜的成功制备使得它用于平板显示器件成为可能，具有CRT和LED难以全面实现的性能特点，并将在电视机、摄像机、可视电话、便携式计算机和航空电子设备等仪表显示屏方面获得广泛的应用。日本已制出应用该类技术的彩色电视机样机，其图象分辨率是目前已知其他技术所不可能达到的。

3.3医学应用

碳纳米管以其极高的稳定性、良好的生物相容性成为生物纳米材料中的佼佼者，在医学领域的应用前景也很令人期待。碳纳米管管道合成是有机合成、生物化学和制药化学的重点研究领域。碳纳米管可在养料、药品供给系统与细胞之间形成圆筒形的渠道，输送肽、蛋白质、质粒DNA或寡核苷酸等物质。碳纳米管能促进骨组织的修复生长，促进神经再生，减：外申经组织瘢痕产生。碳纳米管声学传感器可以用作“纳米听诊器”，给医生提供更快更准确的诊断工具。此外，由碳纳米管制成的微型纳米钳，有望成为科学家和医生装配纳米机械和进行微型手术的新工具。碳纳米管用于极微细毛细血管的医治或代替破损的毛细血管，可修复受损的毛细血管。碳纳米管具有优良的伸缩性，在较低电压下可产生较大的机械拉伸，而且随外加电压的变化长度会发生规律性的伸展收缩，利用这种特性，制成人造肌肉纤维，不仅可用于人类肌纤维的移植和修复，还有望将来作为未来机器人的运动构件。

3.4其他方面的应用前景 从结构上看，碳纳米管具备作为理想的电容器电极材料的所有性能，即结晶度高、导电性好、比表面积大、微孔集中在一定范围内，可用于制备双层超级电容器。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，而且筒状结构在多次充放电循环后不会塌缩，循环性好，可用于锂离子充电电池电极材料。碳纳米管独特的大比表面积、纳米孔隙结构，具有显著的吸附性能，使其可用作储氢材料。

最新的研究表明，碳纳米管已经被研究人员制成碳纳米管显微容器、纳米齿轮、微型天线等，美国《发现》月刊报道利用碳纳米管制作的“太空梯”将升向太空。碳纳米管独特的管状结构可为一维金属纳米材料的制备提供物理处理和化学反应限制的平台，是一种很好的模板。可利用碳纳米管的吸附性和尺寸效应，作高难度的微区、放射性清洁及同位素分离。碳纳米管具有纳米级的内径，类似石墨的碳六元环网和大量未成键的电子，可选择吸附和活化一些较惰性的分子(如NO，CO2等)，用作催化剂载体。碳纳米管具有一些与贵金属类似的催化功能，可望在一大批贵金属催化反应上得到应用，这将在石化和化工产业界带来不可估量的革新和效益。

4展望

目前，国际上对碳纳米管的研究方兴未艾，发现了很多的科学现象，对它的物理、化学、热学和电子学等方面都有了较深刻的理解，在基础研究和应用领域都取得了重要进展。碳纳米管应用技术的发展将广泛冲击产业各界，在众多应用领域里的研究已在全球范围内广泛展开，例如：化妆品、医药品、消费电器、卫生、建筑、通信、安全以及空间探索等领域。当前对碳纳米管的研究仍处于基础性阶段，离大规模应用还有待时日，但是随着研究的不断深入，其应用正在加速朝商业化的方向迈进，它在带来深刻技术变革的同时，还给人类社会带来巨大的财富。