碳纳米管及其复合材料制备和性能.docx

《碳纳米管及其复合材料制备和性能.docx》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、碳纳米管及其复合材料制备和性能傅航雷一、实验目的1.了解碳纳米管的微观结构特征和主要制备方法；2.制备碳纳米管催化剂，采用化学气相沉积法制备多壁碳纳米管；3.研究碳纳米管填充复合材料前后材料热导率的变化。二、实验原理1.碳纳米管制备方法概括1991年日本NEC公司的电子显微镜专家饭岛在高分辨透射电子显微镜下检测石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现由管状的同轴纳米管组成的碳分子，这就是现在被称作的“Carbonnanotube”，即碳纳米管，又名巴基管。它主要由呈六边形排列的碳原子石墨面构成的，层数从数层到数十层的同轴圆管，层与层之间保持固定的距离，约为0.34nm，直径

2、一般为2-20nm。根据其管壁石墨面层数可将其分类为：管壁由一层石墨面构成的称为单臂碳纳米管，管壁由多层石墨面构成的则称为多壁碳纳米管。目前常用的碳纳米管制备方法主要有：电弧放电法、激光蒸发法、化学气相沉积法等合成法。电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法。电弧放电法的具体过程是：将石墨电极置于惰性气体保护或者真空的反应容器中，在两极之间大电流激发出电弧，此时温度可以达到3000度以上（示意图见图1）。在这种条件下，石墨会蒸发，生成的产物有富勒烯（C60）、无定型碳和单壁或多壁的碳纳米管。通过控制催化剂和容器中的气氛，可以调节几种产物的相对产量。使用这一方法制备碳纳米管技术上比较

3、简单，但是生成的碳纳米管与C60等产物混杂在一起，很难得到纯度较高的碳纳米管，并且得到的往往是多层碳纳米管。但是该方法反应消耗的能量太大，而且难以实现连续化制备。图1电弧放电法装置示意图激光蒸发法就是在一定温度和惰性气体流中用激光蒸发石墨靶，使其转化为碳纳米管。SmalleyR.E等采用该法合成了克数量级高质量的单臂碳纳米管，他们采用强激光束轰击含有0.5wt%镍和钴的石墨块。整个系统安置在一个管式炉中，炉子加热到1200摄氏度，在激光轰击的同时，惰性气体流经该反应器，气流将生成的单臂碳纳米管吹到冷却器上进行收集（示意图见图2）。该法的关键工艺参数有温度、催化剂、气压等。和电

4、弧放电法一样，如果要制备单臂碳纳米管，需要在石墨靶中加入金属催化剂，如Fe、Co或Ni等。与电弧法相比，激光蒸发法制备的碳纳米管纯度较高，基本不需要纯化即可应用于一般性科学研究，其缺点是设备复杂，能耗大，产率低，成本高等。图2激光蒸发法装置示意图近年来使用较多的是化学气相沉积法(CVD)，或称为碳氢气体热解法，是半导体工业中应用最为广泛的用来沉积多种材料的技术，包括大范围的绝缘材料，大多数金属材料和金属合金材料。从理论上来说，它是很简单的：两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内，然后他们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到晶片表面上。化学气相沉积在一定程度上克

5、服了电弧放电法的缺陷。它让气态烃通过催化剂微粒，在600-1000度的条件下，气态烃在催化剂上可以分解生成碳纳米管。该方法的优点是残余反应物为气体，易与反应体系分离，能得到纯度较高的碳纳米管，同时温度亦不需要很高，相对而言节省了能量。但是制得的碳纳米管形状不规则，并且在制备过程中必须使用催化剂，催化剂最终变成了产物中的杂质。另外，这种方法的最大的优点在于能够控制模板上催化剂的排列方式，实现生产的碳纳米管状态变化，对纳米器件的开发和定向碳纳米管性能的研究具有重要意义。1.碳纳米管的特性和复合材料2.1碳纳米管的力学性能碳-碳共价键键能很高，理论和实验研究表明碳纳米管具有极高的强

6、度，理论计算值为钢的100倍，但其密度仅为钢的1/6.Treay等人在透射电子显微镜中测定热致振动的振幅，结果表明，碳纳米管的杨氏模量平均值为118TPa。同时碳纳米管还具有很好的韧性，十分柔软，被认为是“超级纤维”。2.2碳纳米管的场发射性能由于碳纳米管具有纳米尺度的尖端，十分有利于电子的发射，碳纳米管的直径常有10-50nm，长度可以达到几十至上百微米，长径比很大；导电性很好，化学稳定性质稳定，具备高性能场发射材料的基本结构特征。2.3碳纳米管的电磁性能碳纳米管的直径和螺旋度可以使其呈现金属导电性或半导体导电性。碳纳米管具有很高的热稳定性和本征迁移率，比表面积大，微孔集中

7、在一定范围内，是理想的超级电容器电极材料。2.4碳纳米管的吸附性能碳纳米管具有大的比表面积、特殊的空心管道结构以及管壁之间的类石墨层隙，使其成为最有潜力的吸附材料，在燃料电池方面有着重要的作用。在催化方面，碳纳米管已被用于分散和稳定纳米级金属小颗粒的载体，由碳纳米管制得的催化剂可以改善多相催化的选择。2.5碳纳米管的导热性能碳纳米管具有优异的轴向导热性能，声子可以顺利地沿管子传输，是理想的导热介质。理论计算表明，室温下单臂碳纳米管的轴向导热系数大约在6600W/mK以上，远高于天然形成的金刚石和石墨面的