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1、碳纳米管力学特征及其应用材料学院1.纳米材料简介2.碳纳米管的力学特征3.碳纳米管应用:“镊子”探针4.扫描隧道显微镜1.什么是纳米材料纳米（nm）是一个长度单位，1nm=0.000000001m，即10-9m。一般来说，纳米科学和纳米技术的对象就是在纳米尺度上的物质世界。纳米尺度是指1～100纳米的空间范围。复合氧化物一维和零维单晶纳米材料纳米纤维量子阱、量子线、量子点是按照电子受限的空间维数区分的n(E)∝E-1/2点电荷电场线纳米材料和传统材料的本质差异在于纳米材料中表面原子数占材料中总原子数
2、的比例非常高。从图中可以看出，粒径在10nm以下，将迅速增加表面原子的比例。当粒径降到1nm时，表面原子数比例达到约90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。2.碳纳米管概述碳纳米管(carbonnanotubes,CNTs)于1991年由NEC(日本电气)筑波研究所的饭岛澄男(SumioIijima)首次发现。碳纳米管由于其独特的结构和奇特的物理,化学和力学特性以及其潜在的
3、应用前景而倍受人们的关注,并迅速在世界上掀起了一股研究的热潮。各种结构的碳系材料,从左到右包括金刚石,碳O60(C60),石墨和碳纳米管。纳米碳管(NTs)即管状的纳米级石墨晶体，是由碳原子形成的单层或多层石墨片围绕中心轴，按一定的螺旋角卷曲形成的无缝、中空的纳米级管，具有完整分子结构，管端基本上都封口。每层纳米管是一个由碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形平面组成的圆柱面。其平面六角晶胞边长为24.6nm，最短的碳－碳键长14.2nm。根据制备方法和条件的不同，纳米碳管存在
4、多壁纳米碳管(MWNTs)和单壁纳米碳管(SWNTs)两种表式。多壁纳米碳管的层间接近ABAB……堆垛，其层数从2～50不等，层间距为(0.34～0.01)nm，与石墨层间距(0.34nm)相当。单壁纳米碳管典型的直径和长度分别为0.75～3nm。纳米碳管的长度从几十纳米到1微米。如将纳米碳管在空气中加热，其管端封口会因氧化而破坏，从而形成开口的管子。将低熔金属用电子束蒸发后凝聚于开口的纳米碳管上，由于虹吸作用，金属熔体便进入中空的纳米管芯部，从而形成纳米丝或纳米棒。纳米丝或纳米棒的直径为几个纳米，
5、长度为几百个纳米。无论是多壁纳米碳管还是单壁纳米碳管都具有很高的长径比,一般为100～1000,最高可达1000～10000,完全可以认为是一维分子。图2(a)单臂纳米管,(b)锯齿形纳米管,(c)手性形纳米管。(图片由美国莱斯大学RicardSmalley提供)根据碳纳米管截面的边缘形状,单壁碳纳米管又分为单臂(armchair)纳米管,锯齿形(zigzag)纳米管和手性形(chiral)纳米管,如图所示。这些类型的碳纳米管的形成取决于由六边形碳环构成的石墨片是如何卷起来形成圆筒形的,不同的卷曲方
6、向和角度将会得到不同类型的碳纳米管。2.2碳纳米管的制备目前，碳纳米管的制备方法有多种，其中电弧放电和催化热裂解是两种使用较广的方法。电弧放电法中阴极采用厚约10mm，直径约30mm的高纯高致密的石墨片，阳极采用直径约6mm的石墨棒，整个系统保持在气压约l04Pa的氦气气氛中，放电电流为50A左右，放电电压20V，通过调节阳极进给速度，可以保持在阳极不断消耗和阴极不断生长的同时，两电极放电端面间的距离不变，从而可以得到大面积离散分布的碳纳米管。催化热裂解法制备的碳纳米管结构较单一、纯度较高。一般采用
7、催化剂Ni作为衬底材料，在700℃温度下催化裂解乙烯制备碳纳米管。是否是上标？碳纳米管侧面的基本构成是由六边形碳环(石墨片)组成,但在管身弯曲和管端口封顶的半球帽形部位则含有一些五边形和七边形的碳环结构。因为构成这些不同碳环结构的碳-碳共价键是自然界中最稳定的化学键,所以碳纳米管应该具有非常好的力学性能,其强度接近于碳-碳键的强度。理论计算和实验研究表明,单壁碳纳米管的杨氏模量和剪切模量都与金刚石相当,其强度是钢的100倍,而密度却只有钢的六分之一,是一种新型的“超级纤维”材料。2.3碳纳米管的力学
8、性能2.3.1碳纳米管束拉伸性质研究（a）多层碳纳米管束的拉伸性质研究利用一种特制小型拉伸装置对长碳纳米管束的力学拉伸特性进行了研究，实验直接测出了多层长碳纳米管的弹性模量和拉伸强度的实际数值，分别为（0.45±0.23）Tpa和（1.72±0.64）GPa。与理论计算和单层碳管的实验研究结果相比，得到的多层长碳纳米管的力学性能偏低，其主要原因是由于碳纳米管中存在的大量缺陷以及拉伸过程中石墨层之间的相对滑动。下图为长碳纳米管束的拉伸试验结果。长碳纳米管束的拉伸试验结果
