碳纳米管热学性质和电学性质的测试及应用

《碳纳米管热学性质和电学性质的测试及应用》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、·上海交通大学硕士学位论文30°，不产生螺旋，没有手性；而夹角在0°~30°之间其他角度的SWCNT为螺旋型，其网格有螺旋，具有手性[8,9]。图1-2（a）锯齿型,（b）扶手梯型和（c）螺旋型碳纳米管Fig1-2(a)zigzag,(b)armchairand(c)chiralcarbonnanotubesCNT的石墨烯片中每个碳原子与相邻的三个碳原子相连，形成六角型网格结构，因此CNT中的碳原子以sp2杂化为主。但其六角型网格结构会产生一定的弯曲，形成空间拓扑结构，其中包含一定的sp3杂化键。所以CNT中的碳原子以sp2杂化为主，但包含一定比例的sp3杂化。sp3杂化所占比

2、例同CNT直径大小和形变程度有关[10]。1.2碳纳米管的特性1.2.1力学性能碳纳米管具有较高的强度、韧性和弹性模量，其强度为钢的100倍，而密度仅为钢的1/6；其轴向弹性模量在1TPa～1.8TPa之间，几乎与金刚石的相同，约为钢的60倍；其弹性应变约为5％，最高可达12％，约为钢的60倍。同时碳纳米管还具有12···上海交通大学硕士学位论文极高的韧性，十分柔软，被认为是未来的“超级纤维”[11,12]。1.2热学性能[13]CNTs用作导热材料时，热量的传递主要依靠声波，传热速度可达1000m/s。将CNTs束捆在一起，结果发现热量也不会从一根CNT传到另外一根CNT，这

3、说明了CNTs的导热具有一维方向性。这种由碳的六元环组成的“超导纤维”既具有碳素材料固有的本性，又有金属材料的导电性、导热性等。理论分析表明，随温度的升高,SWCNTs的导热系数将降低；扶手椅型和锯齿型SWNTs的导热系数均随着直径的减小而升高，而在相同直径时，不同结构碳纳米管的导热系数相差不大。多壁碳纳米管的导热率在120K以下与温度成平方关系，120K以上趋于直线[14]。1.3电学性能碳纳米管由石墨层片卷曲而成，而石墨层片的碳原子之间是sp2杂化，每个碳原子有一个未成对电子位于垂直于层片的п轨道上，因此，碳纳米管和石墨一样具有良好的导电性能[15]。在碳纳米管内，由于电子

4、的量子限域效应，电子只能在石墨片中沿着管的轴向方向运动。其电学性能受到管的直径、卷绕的螺旋结构、管的长度等因素的影响而规则地变化。.CNTs导电性与其几何尺寸有关，即与直径有关[16]，随直径不同CNTs存在导体、半导体之分；又与螺旋角有关，随螺旋角的不同CNTs存在导体、半导体、绝缘体三种状态；通常认为armchair（扶手椅型）碳纳米管表现为金属性质，而zigzag（锯齿型）碳纳米管表现为半导体性质[17]。金属性CNT的电导率和最大电流密度可达到或超过现有最好的金属，半导体性CNT的迁移率和跨导可达到或超过现有最好的半导体。用金属性SWCNTs制成的三极管在低温下表现出典

5、型的库仑阻塞和量子电导效应[18]。13···上海交通大学硕士学位论文因此，CNTs既可以作为细的导线应用于纳米电子学器件中，也可以被制成新一代的量子器件，还可以作为隧道扫描电镜或者原子力显微镜的探针。1.2场发射特性碳纳米管由于其高的长径比（单壁碳纳米管的直径通常仅有1~2nm，长度可以达到几十至上百微米），产生相同的场致电流时，需要在碳纳米管场发射器上施加的导通电场远远低于任何一种传统的场发射材料。碳纳米管优异的场致发射性能可以应用于很多领域，尤其是真空电子领域，如场致发射平板显示器、冷发射阴极射线管、微波放大器、真空电源开关、场致发射电子枪等[19]。1.2.1碳纳米管的

6、制备方法：1.3.1电弧放电法[20]图1-3石墨电弧工艺装置Fig1-3Schematicoftheequipmentusedtoarcdischargemethod14···上海交通大学硕士学位论文电弧放电法是最早的用于制备碳纳米管的工艺方法，其原理是利用电弧放电将固态的碳棒激发成气态，碳原子在催化剂的作用下重新排列形成碳纳米管。电弧放电的设备主要有电源、石墨电极、真空设备和冷却系统组成，如图1-3所示（1—真空计；2—进料系统；3—石墨阳极；4—接真空泵；5—惰性气体；6—水冷系统；7—石墨阴极；8—冷却循环系统；9—真空室）。系统中阴极采用厚度为10mm、直径为30mm

7、的高纯、高致密石墨片，阳极采用直径为6mm的石墨棒。为了有效的合成CNTs，还需要在阴极上掺入催化剂纳米颗粒，有时还须配有激光蒸发。在电弧放电过程中反应室温度可达到2700~3700oC，生成的CNTs高度石墨化，接近或达到理论预想的性能。实验过程中，在真空反应器中充以一定压力的惰性气体，较粗大的石墨棒为阴极，较细的石墨棒为阳极，在电弧放电过程中阳极石墨棒不断被消耗，在催化剂的作用下，碳原子在阴极石磨棒附近沉积生成碳纳米管。用电弧放电法合成碳纳米管时，工艺参数的改变将大大影响碳纳米管的产率，