碳纳米管的表面修饰及其应用

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1、碳纳米管的表面修饰及其应用碳纳米管(CNTs)的发现是继C60之后碳家族中出现的又一新成员，其独特的结构、奇异的性能和潜在的应用价值，引起了科学家们极大的兴趣，自20世纪90年代初由日本学者Iijima[1]发现以来，十多年来一只是世界科学研究的热点之一。CNTs是由单层或多层类石墨的六边形网络卷绕而成的、同轴的中空的无缝纳米级管，一般管的两端有端帽封口。CNTs的管身是准圆管结构，由六边形碳环结构单元组成,端帽部分为含五边形和六边形的碳环组成的多边形结构。碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量子材料。CNTs可分为单壁碳纳米管(SCNTs)和多壁碳纳米管(WCNT

2、s)，其直径一般为2～20nm，构成碳纳米管的层片之间的间距约为0.34nm。1.碳纳米管的性能1.1碳纳米管的电学性能CNTs上的碳原子的P电子形成大范围的离域键，由于共轭效应显著，碳纳米管具有一些特殊的电学性质。CNTs是由石墨演化而来的，仍有大量未成对电子沿着管壁游动，既具有金属导电性能，也具有半导体性能，这取决于其管径和管壁的螺旋角。当管径大于6nm时，导电性能下降；当管径小于6nm时可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。Issi[2,3]等采用光刻技术在CNTs管束上沉积金，用两点法测出其在常温下(300K)的轴向电阻率为10~5Ωcm，并能通过大

3、的电流密度(109~1010A/cm2)，约为铜的1000倍。此外由于CNTs的独特分子结构，特别是螺旋状CNTs，将其做成吸波材料，具有比一般吸波材料高得多的吸收率，人们可利用其这一特性研究在军事隐形、储能、吸波等方面的应用。1.2碳纳米管的力学性能由于CNTs中碳原子采取SP2杂化，相比SP3杂化，SP2杂化中S轨道成分比较大，使CNTs具有高模量和高强度。理论估计其杨氏模量高达5TPa，实验测得平均为1．8TPa，比一般的碳纤维高一个数量级，与金刚石的模量几乎相同，为已知的最高材料模量；弯曲强度为14.2GPa，所存应变能达100Kev，是最好微米级晶须的

4、两倍；抗拉强度为钢的100倍，密度(约为1.2~2.1g/cm3)仅为钢的l/6~1/7。1.3碳纳米管的热学性能Berber[4]等研究表明CNTs还有优异的导热性能，是已知的最好的导热材料。CNTs依靠超声波传递热能，CNTs在一维方向传递热能，其传递速度可达到10000m/s。相对的其垂直方向的热交换性能较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合成高各向异性的热传导材料。此外，碳纳米管有着较高的热导率，在复合材料中掺杂微量的碳纳米管，其热导率将会可能得到很大的改善。1.4碳纳米管的光学性能CNTs具有良好的非线性光学性质。由于其中存在着碳的大键共轭结构，并且相比

5、于其他的聚合物结构，因为其只存在碳碳键而不存在其他聚合物中所共有的碳氢键，所以它不存在由于碳氢键引起的红外吸收，因而表现出了良好的非线性光学性质。其三届非线性系数一般为10~10-10esu，近年来，CNTs已经表现出很好的光限幅性质，逐渐成为光限幅材料研究的热点。非线性散射是CNTs悬浮液产生光限幅效应的主要原因，除了非线性散射机理外，L.Vivien等人[7]提出光束的自聚焦效应、热聚焦效应有可能也是CNTs悬浮液产生光限幅行为的原因之一。1.5碳纳米管的磁学性能与其他炭材料不同，CNTs具有负磁阻，具有比其他结构碳更大的磁化系数，常温下，CNTs的轴向磁化

6、系数为1.07*10-7emu/g为径向的1.1倍，是C60的30倍。且磁化系数随温度降低而增大。CNTs在磁场中会出现AB效应(Aharonov-Bohmeffect)。CNTs在磁场中AB效应的物理意义是，磁场的变化可使CNTs的电子结构发生改变，出现金属性CNTs的“金属性-半导体性-金属性”转变。计算表明，较小半径的CNTs需较大磁场才能观察到AB效应，随CNTs直径增加所需磁场强度减小。2.碳纳米管表面的修饰CNTs各方面有着优异的性能，但是由于其具有很高的比表面和表面自由能，处于热力学不稳定状态。所以CNTs作为增强相在复合材料中的应用时，存在着几个

7、亟待解决的问题：1、CNTs之间存在很强的范德华力，极易产生团聚，使得CNTs在复合材料中很难分散；2、CNTs很难与基体形成有效的界面结合和实现有效的承载转换等问题；3、CNTs是由单一的碳原子通过SP3杂化和SP2杂化组成，化学活性低，在制备复合材料时很难与基体形成有效结合；4、巨大的分子量使得CNTs几乎不溶于任何溶剂。这些问题使得CNTs的应用受到了极大的限制，因此对于CNTs的研究主要集中在这些问题上。研究者们采用很多方法来分散CNTs，且基本上都是通过对CNTs的表面进行修饰改性以达到分散的目的，主要方法有共价键修饰和非共价键修饰两种。2.1共价键修

8、饰图1：含缺陷的碳纳米管