一维碳纳米材料的制备与其特性研究

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1、第1章绪论c-1的弹性常数达1060GPa。纳米碳管的结构是比较完整的石墨烯网格，而且由于缺陷很少，SWNT的强度应该接近于碳碳键强度。理论计算表明SWNT的杨氏模量与其直径以及螺旋角无关，杨氏模量和剪切模量与金刚石相当，强度可阻达到1．0TPa以上。其强度大约为钢的100倍，而密度却只有钢的1／6。在一定的温度范围内，用透射电子显微镜(TEM)测量纳米碳管自由尖端热振动，得到它的振动频率，用来大致估计它们的杨氏模量[v,sl，结果纳米碳管的杨氏模量要大于1TPa，超过石墨基平面的值。同时，实验观察也表明SWNT具有一定柔韧性，这表明它们能够在大的应力下不发生脆性

2、断裂。此外，SWNT具有直径小、长径比大的特点，因此可以作为超级纤维，用于高级复合材料的增强体或者形成轻质、高强的绳索，可能用于宇宙飞船及其它高技术领域。同过对SWNT的吸氢过程研究发现【8]，氢可能以固体形式填充到SWNT的管体内部以及SWNT束之间的孔隙，因此SWNT具有极佳的储氢能力。理论推测SWNT的储氢量可达10％，超过了商业上可重复使用氢吸附的标准6．5％。同时，氢分子吸附在纯SWNTN、MWNT[1q11】和碱金属掺杂SWNT[n】上的研究结果也极大的刺激了对纳米碳材料储氢性能的理论和实验研究。1．1．2碳纳米管的研究概述九十年代以来，准一维纳米材料

3、的研制一直是纳米科技的前沿领域。其实早在70年代，研究气相热解碳的过程中，已经观察到这种纳米结构的碳，但是没有引起足够的重视【13l，碳纳米管(Carbonnanotube，CNT)研究的热潮是从1991年正式开始的，而s．Iiiima的最大贡献也在于提出了纳米管手性的概念。下面简要回顾碳纳米管研究的历史及可能的应用。1991年1月，日本NEC实验室的饭岛(s．Iijima)首次用高分辨分析电镜观察到碳纳米管，这些碳纳米管为多层同轴管，也叫巴基管03uckytube)n4】。2000年10月，美国宾州大学研究人员在Science上发表文章称0151，纳米碳管的质量

4、是相同体积钢的六分之一，却具有超过钢100倍的强度。不仅具有良好的导电性能，还是目前最好的导热材料。缡米碳管优异的导热性能将使它成为今后计算机芯片的热沉，也可用于发动机、火箭等的各种高温部件的防护材料。最新的研究表明，碳纳米管当中的空腔不仅可以充当微型试管、模具或模板，而且将第二种物质封存在这个约束空间还会诱导其具备在宏观材料中看不到的结构和行为。计算机模北京工业大学工学硕士学位论文拟显示，封存在碳纳米管中的水能够以新的冰相存在，在合适的条件下，碳纳米管中液相和固相的明显界线将会消失，液体物质将会连续地转变成固体，而不发生明显的凝固过程【”l。1993年，美国IB

5、M公司Almaden实验室Bethune等人【17]和Iijimafl8】同时报道了观察到单壁碳纳米管(Single．walledCarbonNanotubes)。1996年，因发现C60获得诺贝尔奖的斯莫利(Smalley)和他的研究组合成了成行排列的单壁碳纳米管束【】目。同年，中科院物理所解思深研究员的研究组用化学气相法制备出面积达3minx3mm的大面积碳纳米管阵列口01，它可用作极好的场发射平面显示器件。他们还于1998年合成了当时最长的2毫米的纤维级碳纳米管口“。1999年，清华大学范守善教授与美国斯坦福大学戴宏杰教授合作，实现硅衬底上碳纳米管阵列的自组

6、织生长【22】。1999年，北京大学电子系薛增泉教授的研究组将单壁碳纳米管组装竖立在金属表面，组装出性能良好的扫描隧道显微镜用探针。同年，中科院金属所成会明博士合成出高质量的碳纳米材料，使我国的新型储氢材料研究从而跃上世界先进水平【23】。1999年巴西和美国科学家用碳纳米管制备了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量【2”；不久，德国科学家研制出称量单个原子重量的“纳米秤”，打破了先前的纪录。同年，美国科学家在单个分子上实现有机开关，证实在分子水平上可以发展电子和计算装置。从发现纳米碳管始，科学家们不断研制出越来越细的纳米碳管。

7、2000年，解思深组利用常现电弧放电方法制备出内径为0．5nnl的碳纳米管【25】。同年，香港科技大学的汤子康博士宣布发现了世界上最细的纯碳纳米碳管—O．4nm碳管【26l，这一结果已达到碳纳米管的理论极限值。12月柏林的马克斯一玻恩研究所研制出1nln直径的薄壁纳米管，创出薄壁纳米管研制的新记录。2001年初，中国科技大学朱清时院士的研究组首次直接拍摄到能够分辨出化学键的C60单分子图像1271，这种单分子直接成像技术为解析分子内部结构提供了有效的手段，使科学家可以人工“切割”和重新“组装”化学键，为设计和制备单分子级的纳米器件奠定了基础。3月，美国佐治亚理工学

8、院留美中国