碳纳米管合成以及应用

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1、CNT在复合材料中的应用研究进展学生:顾龙成专业:材料学学号:20104209178主要内容1.CNT背景情况介绍2.CNT自身理论应用研究进展3.CNT在树脂基复合材料中应用研究进展4.展望背景介绍1991年，日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家Iijima发现了多壁碳纳米管（MultiWalledCarbonNanotubes，MWNTs），直径为4-30nm，长度为1um。，最初称之为“Graphitetubular”。1993年单壁碳纳米管也被发现（Single-WalledCarbonNanotubes，SWNTs），直径从0.4nm

2、到3-4nm，长度可达几微米。碳纳米管的发现背景介绍图a图c图b图a，b分别是多壁，单壁碳纳米管示意图，图c是碳纳米管的放大电镜图背景介绍碳纳米管分类：碳纳米管按照石墨烯片的层数分类可分为：单壁碳纳米管（SWNTs）和多壁碳纳米管（MWNTs），与多壁管相比，单壁管是由单层圆柱型石墨层构成，其直径大小的分布范围小，缺陷少，具有更高的均匀一致性。单壁碳纳米管直径为1-6nm多壁碳纳米管直径nm→μm按手性分：通常依照n，m的相对关系，将单壁碳纳米管分为achiral和chiral两个基本类型。Achiral型又分为zigzag（锯齿型）和armchair

3、（扶手椅型）两类。当n和m其中之一为0时，为zigzag型；当n=m时为armchair型；其它所有情况都称为chiral型(手性管）。Armchair(n,m)=(5,5)Zigzag(n,m)=(9,0)按形态分：普通封口型变径型洋葱型海胆型竹节型念珠型纺锤型螺旋型其他异型背景介绍扫描隧道显微镜X射线衍射孔结构及比表面积电子衍射拉曼光谱3.纳米管结构的表征：背景介绍背景介绍碳纳米管的表征碳纳米管的原始状态：团聚状态，束状背景介绍碳纳米管的表征有机DMF（N，N-二甲基甲酰胺）中超声分散后碳纳米管的SEM（左）与TEM（右）背景介绍碳纳米管的表征石墨

4、电弧法浮动催化法（即碳氢化合物催化分解法，又称CVD法）激光蒸汽法燃烧火焰法碳纳米管的生产方法简介：背景介绍背景介绍石墨电弧法：基本原理：电弧室充惰性气体保护，两石墨棒电极靠近，拉起电弧，再拉开，以保持电弧稳定。放电过程中阳极温度相对阴极较高，所以阳极石墨棒不断被消耗，同时在石墨阴极上沉积出含有碳纳米管的产物。理想的工艺条件：氦气为载气，气压60—50Pa，电流60A～100A，电压19V～25V，电极间距1mm～4mm，产率50％。Iijima等生产出了半径约1nm的单层碳管。氦气保护石墨电弧法阳极-面积较小的石墨棒（石墨粉和催化剂组成）阴极-面积较

5、大的石墨棒氢气保护石墨电弧法氢电弧法优点:氢气为缓冲气含硫化合物为生长促进剂大阳极，阴极在其上方并与其成一定角度电极角度可控可半连续制备背景介绍化学气相沉积法（CVD）特点：设备简单、条件易控、能大规模制备、可直接生长在合适的基底上常用气体：甲烷、一氧化碳、苯等催化剂：Fe、Co、Ni、Mo等以及它们的氧化物背景介绍激光蒸发法：影响因素：催化剂保护压强（3.0x104一4.5x104Pa）气体（氦气、氩气）激光脉冲时间间隔（间隔越短，产率越高）激光脉冲功率（功率↑，直径↓）背景介绍制备纳米碳管的其它方法：1.微波等离子化学蒸发法2.微孔模板法3.太阳能

6、法背景介绍CNT的基本性质：优良的导体和半导体特性。量子限域所致高的比表面积。强的吸附性能。优良的光学特性发光强度随发射电流的增大而增强。……………高的机械强度和弹性。强度≥100倍的钢，密度≤1/6倍的钢背景介绍碳纳米管的抗拉强度达到50～200GPa,是钢的100倍,密度却只有钢的1/6，至少比常规石墨纤维高一个数量级。它是最强的纤维，在强度与重量之比方面，这种纤维是最理想的。力学性能：背景介绍背景介绍力学性能：碳纳米管力学性质背景介绍力学性能：各种型号的CNT的价格，形状，性能背景介绍优异的化学稳定性（C-C键，无悬空键）碳纳米管具有化学惰性，经

7、历充放电不发生化学作用。因此，数据保存在这样的一个存储器中可以拥有更长的保存时间。由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。当CNTs的管径大于6mm时，导电性能下降；当管径小于6mm时，CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。电学性能：背景介绍一维管具有非常大的长径比，因而大量热是沿着长度方向传递的，通过合适的取向，这种管子可以合成高各向异性材料。虽然在管轴平行方向的热交换性能很高，但在其垂直方向的热交换性能较低。纳米管的横向尺寸比多数在室温至150oC电介质的品格振动波长

8、大一个量级，这使得弥散的纳米管在散布声子界面的形成中是有效的，同时降低了导热性能。适当排列碳纳