碳纳米管cnts

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1、20102118碳纳米管的独特工能及应用1985年，Kroto和Smalley[1]发现了一种直径仅为0.7nm的球状分子，被称为C60，亦称富勒烯(fullerene)。这是继石墨和金刚石之后，碳的另一种同素异形体。随后，日本NEC公司的Sumio．Iijima[2]在合成C60中，首次利用电子显微镜发现了CNTs(Carbonnanotubes)，又称巴基管(Bucktube)。CNTs是一种类似石墨结构的六边形网格卷绕而成的、两端为半球形端帽、具有典型层状中空结构的材料。根据石墨片层数的不同，CNTs

2、可分为多壁碳纳米管(MWNTs)和单壁碳纳米(SWNTs)。研究表明，CNTs的密度只有钢的1／6，强度却是钢的100倍，模量可达1．8TPa。CNTs是典型的一维纳米结构，其超强的力学性能、超大的长径比(一般大于1000)、极好的化学和热稳定性、良好的光电性能，使其具有广泛应用于生物传感器、储氢容器、超容量电容器、机电激励器、结构增强材料等方面的应用前景[3-4]。CNTs长径比高、比表面大、比强度高、电导率高、界面效应强，因而具有优异的力学、电学、热学、光学性能．成为世界范围内的研究热点之一。近几年来．

3、随着CNTs合成技术的日益成熟．低成本批量生产CNTs已成为可能，并在场发射、分子电子器件、复合材料、储氢、吸附、催化诸多领域已经展现出其广阔的应用前景。一、碳纳米管的结构CNTs是一种主要由碳六边形(弯曲处为碳五边形或碳七边形)组成的单层或多层石墨片卷曲而成的无缝纳米管状壳层结构，相邻层间距与石墨的层间距相当，约为0.34nm。碳纳米管的直径为零点几纳米至几十纳米，长度一般为几十纳米至微米级，也有超长CNTs，长度达2mm。按照石墨烯片的层数，可分为单壁CNTs和多壁CNTs。(1)单壁CNTs(Sing

4、le-wallednanotubes，SWNTs)：由一层石墨烯片组成。单壁管典型的直径和长度分别为0．75～3nm和1～50μm，又称富勒管(Fullerenestubes)。(2)多壁CNTs(Multi-wallednanotubes，MWNTs)：含有多层石墨烯片。其层数从2～50不等，层间距为0．34士0．01μm，典型直径和长度分别为2～30nm和0．1～50μm。按其螺旋角，可分为螺旋和非螺旋两种；根据定向性，可分为定向和非定向两类。根据CNTs截面的边缘形状，单壁CNTs又分为单臂CNTs、

5、锯齿形CNTs和手性形CNR，如图l所示。这些类型CNTs的形成取决于由六边形碳环构成的石墨片是如何卷起形成圆筒。不同的卷曲方向和角度将会得到不同类型的CNTs[5]。820102118二、碳纳米管的性能1、力学性能CNTs由SP2杂化形成的C=C共价键组成，故其具有特殊的力学性能。CNTs的抗拉强度达到50～200GPa，是钢的100倍，密度却只有钢的1／6。对于具有理想结构的单壁CNTs，其抗拉强度约800GPa，轴向弹性模量目前从理论估计和试验测定均接近甚至超过石墨烯片，在1～1．8TPa之间，为已知

6、的最高材料模量，约为钢的5倍[6]。由于CNTs是中空的笼状物并具有封闭的拓扑构型，能通过体积变化来呈现其弹性，故能承受大于40％的张力应变，而不会呈现脆性行为、塑性变形或键断裂，且CNTs的破坏通过其中空部分的塌陷来完成，从而在应用中能极大地吸收能量，增加韧性[7]。2、电磁性能CNTs具有螺旋、管状结构，预示其具有不同寻常的电磁性能[8]。Ebbesen对单根CNTs的导电性能的理论计算和试验结果表明，由于结构不同，CNTs可能是导体，也可能是半导体。Saito等经过理论分析，根据CNTs的直径和螺旋角

7、度，大约有1／3是金属导电性的，而有2／3是半导体性的。Dai等进一步指出，完美CNTs的电阻要比有缺陷的CNTs的电阻小1个数量级或更多。Ugarte发现CNTs的径向电阻大于轴向电阻，并且这种电阻的各向异性随温度的降低而增大Huang通过计算认为直径0．7nm的CNTs具有超导性，尽管其超导转变温度只有1.5×10-4K，但预示着CNTs在超导领域中的应用前景。Murakami等研究了CNTs的磁学特性，测得其轴向磁感应系数是径向的1.1倍，超出C60近30倍。3、热学性能CNTs具有非常大的长径比，轴

8、向的热交换性能很高，但在其垂直方向的热交换性能较低。适当排列CNTs可得到非常高的各向异性热传导材料。据估计，长度大于10nm的单壁CNTs，其导热系数大约2800W／(m·K)，几乎与金刚石或蓝宝石有同样的导热能力，理论预测，手性矢量为(10，10)的单壁CNTs在室温下导热系数甚至可达6600W／(m·K)。且CNTs受其几何形状的限制，在垂直于轴向的热膨胀几乎为零。4、储氢性能CNTs具有比活性炭更大的比表