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1、碳纳米管复合材料的研究概况王瀚（21426009）摘要碳纳米管是一种一维纳米材料，具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。因为碳纳米管的天然特质，使它成为了纳米材料研究领域的热点。本文系统介绍了纳米碳管的制备方法，综述了国内外纳米碳管复合材料的研究进展，阐述了碳纳米管复合材料的应用领域，并指出了碳纳米管复合材料存在的问题及今后应当进一步开展的若干工作。0前言碳纳米管,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
2、维量子材料。碳纳米管(CNTs)是在一定条件下由大量碳原子聚集在一起形成的同轴空心管状的纳米级材料，它的径向尺寸为纳米数量级，轴向尺寸为微米数量级，属于碳同位素异构体家族中的一个新成员，是理想的一维量子材料。纳米技术是21世纪的前沿科学技术，碳纳米管技术则是该领域中一个强有力的生长点。碳纳米管问世十三年来，日益引起了人们极大的兴趣，其独特的性能正在被认识并加以利用，如何降低成本，大量生产有特定结构的碳纳米管是人们的努力方向，含碳纳米管的聚合物复合材料蕴含着巨大的发展潜力。1碳纳米管的制备技术碳纳米管是碳异构体家族中的一个新成员,它
3、可以被看成是由层状结构的石墨片卷成的纳米尺寸的空心管。碳纳米管按层数可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。另外,按定向性分类,碳纳米管可分为定向性碳纳米管和非定向性碳纳米管。由于碳纳米管的直径一般在几十纳米以下,而长度则在几百微米或更长。如此高的长径比使碳纳米管在生长过程中会自然发生弯曲且相互缠绕。而控制碳纳米管的合成过程,使其按照一定方向或模式有规律生长,便可得到定向碳纳米管。单壁碳纳米管的制备主要有电弧法、化学气象沉积法和激光蒸发法。电弧法是制备富勒碳的常用方法,也是制备单壁碳纳米管的传统方法。在真空室中充入一定量的惰性气体,用填
4、充有铁或钴作为催化剂的较细的石墨棒作为阳极,而较粗的石墨棒作为阴极。通过石墨电弧法进行反应,在容器内壁上得到富含单壁碳纳米管的碳灰,经提纯,可以得到单壁碳纳米管。化学气相沉积法是在制备碳纤维的基础上制备单壁碳纳米管的。在制备中,常采用浮动裂解法,在1100～1200℃的温度范围内,以二茂铁为催化剂,通过其引入量来控制催化剂颗粒的大小和碳氢比,以苯为碳源,添加适量的噻吩可以制得碳纳米管。激光蒸发法是在高温电阻炉中,由激光束蒸发石墨靶,采用钴及硫或Al2O3载Mo或La等催化剂,反应得到绳索状的直径均匀的单壁碳纳米管,又称为激光烧蚀法
5、。多壁碳纳米管的制备方法包括石墨电弧法、激光蒸发法、化学气相沉积法、热解聚合法、火焰法、电解法、金属材料原位合成法、太阳能法、离子辐射法等。石墨电弧法是最早用于制备多壁碳纳米管的方法,在真空室中充入惰性气体或氢气,采用粗大石墨棒为阴极,细石墨棒为阳极,在电弧放电过程中阳极石墨棒不断被消耗,同时在阴极上沉积出含多壁碳纳米管的产物。把阴极改为可以冷却的铜电极,在上面接石墨电极,可以避免产物沉积时因温度太高而造成的碳纳米管的烧结,可减少缺陷。而在阳极石墨中间打洞,添加金属元素能有效地提高多壁碳纳米管的产率。另外,用液氮取代氦气可实现多壁
6、碳纳米管的连续制备,得到高质量的多壁碳纳米管。在1200℃的电阻炉中,通过激光蒸发过渡金属与石墨的复合材料棒,用流动的氩气使产物沉积到水冷铜柱上,得到多壁碳纳米管。制备多壁碳纳米管的化学气相沉积法主要有两种:基种催化法和浮动催化法。基种催化法的原理是用碳氢化合物为碳源,氢气为还原气,在铁、钴和镍基催化剂作用下,在管式电阻炉中裂解原料气形成自由碳原子,在催化剂表面形成多壁碳纳米管。而浮动裂解法则同单壁碳纳米管制备原理差不多,只是在工艺参数上有所不同,制备出的产物有粗大的多壁碳纳米管和细直的多壁碳纳米管,需要严格控制反应温度、反应溶液
7、量及氢气引入量。热解聚合法是通过热解某些有机金属化合物、聚合物或高分子化合物,从而得到多壁碳纳米管的方法。2碳纳米管的应用碳纳米管的电学性能和应用，场致发射是电磁学研究的重要技术之一,这是因为这类器件有着十分广泛的应用领域,如可用来制造显像管、扫描电子显微镜、高能电子武器,设计制作灵敏开关、超高频振荡器、场致发射平板显示器。由于碳纳米管顶端可以做得极为尖锐,因此可以在比其它材料更低的激发电场作用下发射电子,并且由于强的碳碳结合键,使碳纳米管可以长时间工作而不损坏,具有极好的场致电子发射性能。这一性能可用于制作平面显示装置使之更薄,
8、更省电,来取代笨重和低效的电视和计算机显示器。利用碳纳米管的导电性能研制高能微型电池,用于计算机起动电源和汽车电子打火,具有体积小、能量高、使用寿命长的特点;碳纳米管压成薄膜可制成高能电容,能量比一般电容高两个数量级,利用碳纳米管片可制备碳纳米管的
