碳纳米管应用研究现状与进展_姜靖雯
第21卷 第3期Vol .21 No .3
材 料 科 学 与 工 程 学 报
Journal of Materials Science &Engineering
总第83期Jun .2003
文章编号:1004-793X (2003)03-0464-05
收稿日期:2002-10-11;修订日期:2002-12-05基金项目:国家自然科学基金资助项目(29903003)
作者简介:姜靖雯(1977-),女,硕士研究生;彭峰(1968-),男,博士,副教授,从事催化研究.
碳纳米管应用研究现状与进展
姜靖雯,彭 峰
(华南理工大学化学工程系,广东广州 510640)
【摘 要】 本文综述了近年来碳纳米管在场发射、分子电子器件、复合增强材料、超级电容器、储氢材料、催
化剂材料、锂离子充电电池电极材料等方面应用研究的现状与进展;并对纳米管的应用前景进行了展望。
【关键词】 碳纳米管;场发射;分子电子器件;储氢材料;电极材料;催化剂材料
中图分类号:TQ426 文献标识码:A
Status quo and Progress in Application Research of Carbon Nanotube
JIA NG Jing -wen ,PENG Feng
(Departm ent of C hem ical Engineering ,South China University of Technology ,Guangzhou 510640,China )【Abstract 】 The status q uo and recent progress in application research of carbon nan otube is reviewed ,including the field -emission ,molecule electronic device ,composite materials ,super capacitor ,hydrogen storage materials ,Li -ion rechargeable battery electrode materi -als ,catalyst materials ,and s o on .In the meantime ,the advances and existing problems of application are evaluated ;the application pros -pect of carbon nanotube is also forecasted .【Key words 】 carbon nanotube ;field emission ;molecule electronic device ;hydrogen storage material ;electrode material ;catalyst material
自1991年日本科学家Iijima [1]发现碳纳米管(CNT ),1992年Ebbesn 等[2]提出了实验室规模合成碳纳米管的方法后,碳纳米管因其独特的力学、电子特性及化学特性,成为世界范围内的研究热点之一,在场发射,分子电子器件,复合增强材料,储氢材料,催化剂等众多领域取得了广泛应用。随着碳纳米管合成技术的日益成熟,低成本大量合成碳纳米管已经成为可能,探索和研究碳纳米管的应用已成为当务之急,具有重大的实用价值。
1 碳纳米管的电学性能和应用
碳纳米管有两个独特优异的电学性能,一个是场发射性质,另一个是碳纳米管的二重电性质。这两个独特的电学性能使得这种新型材料在微电子学上具有好的应用前景。1.1 场致发射
场致发射是电磁学研究的重要技术之一,这是因为这类器件有着十分广泛的应用领域,如可用来制造显像管、扫描电子显微镜、高能电子武器,设计制作灵敏开关、超高频振荡器、场致发射平板显示器。由于碳纳米管顶端可以做
得极为尖锐,因此可以在比其它材料更低的激发电场作用下发射电子,并且由于强的碳碳结合键,使碳纳米管可以长时间工作而不损坏,具有极好的场致电子发射性能。这一性能可用于制作平面显示装置使之更薄,更省电,来取代笨重和低效的电视和计算机显示器。
Rinzler 和Smalley 等[3]提出了一种“碳原子线”机制来解释纳米碳管的优异场致发射性能,即纳米碳管管壁的碳原子在外电场作用下可从石墨烯片层上发射10～100个sp 链连接的一维碳“原子线”,这种结构实现了原子尺度的场发射。Heer [4]等用碳纳米管制成的电子枪与传统的相比,不但具有在空气中稳定、易制作的特点,而且具有较低的工作电压和大的发射电流,适用于制造大的平面显示器。M ats umoto 等在直径为20～30m m 的硅尖端催化生长单壁纳米碳管并用于场发射研究[5],场发射实验结果表明单壁纳米碳管场射极的发射阈值比传统硅发射极低10～50倍。据近期报导,日本产业技术综合研究所已将这种发射极制成阵列,其起始发射电压仅为4V ,这在手机移动通信终端显示领域展示了前景,被认为是人们期待已久的场致发射显示器在实用方向上迈出的一大步。
目前,国际上已有两家公司宣布制备出以纳米碳管为
场致发光材料的产品,并展示了其样机。其中,2000年韩国
三星公司宣布纳米碳管场致发射平板显示器时曾乐观地表示,该公司拥有的这种器件亮度与阴极射线管相同,但能耗只有阴极射线管的110。碳纳米管的优异场发射性能使其还有可能应用在微波放大器、真空电源开关及制版技术上,这些仍然是目前科学家正在攻克的难题之一。
1.2 新一代的电子器件
早在1992年,Hmada、Mintmire和Saito等就根据理论模型分别推测出碳纳米管的导电属性与其结构密切相关,指出不同结构的碳纳米管可能是导体也可能是半导体,这主要与它的直径和螺旋结构有关,直径与螺旋结构主要由手性矢量(n,m)所决定。理论计算认为[6],n-m=3的整数倍时碳纳米管显金属导电性,否则显半导体性。Hamada和Saito给出了两类碳纳米管对应的石墨卷轴的取向规则,约13单层碳纳米管可看作一维金属,另23可看作一维半导体。多层碳纳米管,相邻两层碳纳米管间的作用不会破坏各自的金属或半导体性,碳纳米管轴向的电阻率远远小于径向电阻率。
在单壁碳纳米管的六边形网络中引入一对五边形与七边形缺陷,可导致同一碳纳米管既具有金属的性质,又具有半导体的性质,这种管子实际上是一种分子二极管,电流可以沿着管子由半导体向金属的方向流动,而反向则无电流。两根不同粗细的碳纳米管对接也可形成半导体异质结。如果在碳纳米管内邻近异质结的地方引入第三电极则能形成栅极控制的导电沟道。据此原理制成的碳纳米管晶体管可以在室温下操作,并且具有很高的开关速度,调节栅极电压,纳米管的电阻可以从半导体到绝缘体这样一个很宽的范围内变动[7]。2001年Posima等[8]报导了由单个金属型碳纳米管分子组成的可以在室温下工作的单电子晶体管,同年四月,美国国际商用机器公司(IBM)的研究人员成功制造出世界上第一个碳纳米管晶体管阵列,所使用的碳纳米管是由碳原子排列而成的微小圆柱体,比现在的硅晶体管要小500倍,而且无需对它们逐个进行处理。这种三电极的单分子晶体管的发现无疑是分子电子学的一个重大进步,可使集成电路的尺寸降低两个数量级以上。利用毛细管作用将液态金属填充到碳纳米管中可制成纳米金属导线,这种技术可使微电子器件升级进入纳米阶段,如果实现了这一目标,就可以制出袖珍巨型计算机和袖珍机器人并使所有控制系统纳米化。
另外,最近科学家对单壁纳米碳管中是否存在超导现象非常感兴趣,并对此做了许多工作。Morpurgo[9]等测量与Nb电极相连的单壁纳米碳管电导时,发现存在超导近似效应,即在出现超导效应附近其电学性质发生了改变。Koc-iak[10]等测量了低电阻、与非超导金属相连的单壁纳米管管束,观察到当温度低于0.55K时其电阻下降两个数量级,但在大于1T的磁场或者大于2.5μA的电流条件下,不会出现这种现象,这说明管束可能具有超导特性。Tang[11]等在20K下,测量在沸石晶体Al PO
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-5中生长的直径为0.4mm单壁纳米碳管的磁和输运性质时,发现其具有超导特性。
2 碳纳米管的力学性能和应用
碳纳米管具有极高的强度和理想的弹性,杨氏模量在1TPa[12～13]左右,与金刚石的模量几乎相同,为已知的最高材料模量,约为钢的5倍;其弹性应变最高可达12%,约为钢的60倍而密度仅为钢的几分之一。以色列和美国的材料学家发现,碳纳米管的强度大约比其他纤维的强度高200倍,可以经受约100万个大气压的压力而不破裂,这一结果比类似的纤维高两个数量级。
碳纳米管具有如此优秀的力学性能,是一种绝好的纤维材料,它的性能优于当前的任何纤维,它既具有碳纤维的固有性质,又具有金属材料的导电导热性,陶瓷材料的耐热耐蚀性,纺织纤维的柔软可编性,以及高分子材料的轻度易加工性,是一种一材多能和一材多用的功能材料和结构材料,可望应用于材料领域的多个方面。
在纳米机械方面,已经制成了纳米秤[14]。纳米秤与悬挂的钟摆相似,弯曲常数是已知的,通过测量振动频率,可以测出粘结在悬壁梁一端的颗粒的质量,这个原理同样适用于测量粘结在碳纳米管自由端顶部的微小质量。这是最新发现的纳米秤,也是世界上最敏感的和最小的衡器。有专家认为,此纳米秤将可以用来衡量大生物分子的质量和生物颗粒,例如病毒,还可能导致一种纳米质谱仪的产生。
碳纳米管作为探针型电子显微镜等的探针,是碳纳米管最接近商业化的应用之一[15～16]。碳纳米管纳米级的直径使其制备的显微镜探针,比传统的Si或Si
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N
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金字塔形状的针尖分辨率更高;碳纳米管具有较大的长径比,比传统的金字塔形状的针尖探测深度高,可以探测狭缝和深层次的特性。另外,碳纳米管弹性弯曲性好,可以避免损坏样品及探针针尖;并且可以对碳纳米管的端部有选择性地进行化学修饰,制备分析有机和生物样品官能团的探针针尖。由于碳纳米管探针针尖的优良特性,所以近年来有关该领域的研究成为热门话题之一。但是,由于纳米碳管为纳米尺寸,因此如何控制纳米碳管,把单根纳米碳管置于探针尖端,是一个比较棘手的问题。Nafner[17]等采用化学气相沉积法直接在硅尖端生长碳纳米管。通过控制反应条件可将多壁或单壁碳纳米管放置在探针尖端处,探针尖端最小直径可达0.5n m。这种纳米碳管探针用作原子力显微镜探针后可极大地提高其分辨率,在不破坏生物大分子的条件下,可得到较高分辨率的生物大分子照片,这对于研究生物薄膜、细胞结构和疾病诊断具有非常意义。
纳米碳管可作为金属的增强材料来提高金属的强度、硬度、耐摩擦、磨损性能以及热稳定性。张继红等[18]用淬火工艺处理制成的纳米碳管球墨铸铁熔覆层的硬度比石墨球墨铸铁高2～3个洛氏硬度(HRC),且其硬度随淬火温度的升高而增大。马仁志等[19]采用直接熔化方法合成了碳纳米管铁基复合材料,在适当的淬火工艺下,碳纳米管复合材料的硬度可达到HRC65,比相同工艺下的普通铁碳合金的硬度高出5～10HRC。董树荣[20]、王浪云[21]等制备
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了纳米碳管增强的铜基复合材料,发现该复合材料具有良好的减摩、耐磨损性能。实验表明纳米碳管体积分数在12%～15%时其润滑性和抑制基体氧化的效果很好,且复合材料具有最佳的减摩、耐磨损性能。王淼等[22]把纳米碳管用于金属表面复合镀层,获得了超强的耐磨性和自润滑性,其耐磨性要比轴承高100倍,同时摩擦系数仅为0.06～0.1,而且该复合镀层还具有高热稳定性和耐腐蚀性等优点。碳纳米管这种同时具有石墨的润滑性和导电性,在摩擦技术方面一定有很大的前途,特别是在航空、航天领域里的特殊制造业上有无可比拟的优势。
近几年来,碳纳米管复合材料的研究重心已转到高分子碳纳米管复合材料方面,并取得了较大的进展。如贾志杰等[23～24]采用碳纳米管参与聚合反应的原位复合法制备的尼龙-6碳纳米管、碳纳米管聚甲基丙烯酸甲酯复合材料,由于大大提高了聚合物平均分子量,并且与碳纳米管形成牢固的结合界面,使其机械性能大幅度提高。由于纳米碳管具有很好的导电特性以及电致发光性能,因此可制备功能性纳米碳管聚合物复合材料。Curran[25]等将少量多壁纳米碳管掺入到共轭发光聚合物(聚苯乙炔衍生物)中得到了纳米碳管聚合物复合材料,该材料比原聚合物的电导提高了8个数量级,因此用较小的电流密度就可使之发出荧光。由于碳纳米管的导电性极好,所以只要添加很少量的碳纳米管就可以得到比较高的电导率,Sandler等[26]将0.1vol%(体积)碳纳米管掺到环氧树脂中,就可使复合材料的电导率达到10-2S·m-1,可将其用作防静电材料,这种导电性碳纳米管聚合材料可望用于汽车车体上。另外,若将经化学修饰的碳纳米管衍生物与聚合物共混纺制纳米管复合纤维,则该复合纤维不仅具有导电或抗静电性,而且由于纺丝过程中聚合物流体使纳米管沿纤维轴向取向,从而起到微纤增强的作用,大大提高合成纤维的强度和模量,该类复合纤维可望应用于轻便且刀枪不入的装甲和防弹背心或服装材料。
3 碳纳米管在其它方面的应用
3.1 储氢材料
碳纳米管由于其管道结构及多壁碳管之间的类石墨层空隙,使其成为最有潜力的储氢材料,成为当前研究的热点。关于碳纳米管的储氢性能,各国科学家们已经做出了很多工作[27],但是由于影响碳纳米管储氢行为的因素比较复杂,而以前的许多数据是以少量的碳纳米管得来的,所以各个实验室的研究结果出入较大。为了全面把握纳米碳管的储氢特性,急需在宏观量度上研究其储氢能力和特性。因此,大量制备高纯度的单壁纳米碳管是进一步开展性能研究的前提和基础。中国的研究人员在这一点上走在世界前列。成会明等人[28]提出一种氢等离子电弧方法,在适当的生长促进剂的作用下,能大量制备出高纯度的单壁纳米管,且可在常温下储存氢气。经研究发现,重约500mg的单壁碳纳米管室温储氢量可达4.2wt%,并且78.3%的储存氢在常温下可释放出来,剩余的氢加热后也可释放出来,这种单壁碳纳米管可重复利用。这一成果为储氢材料的研究开辟了广阔的前景。
纳米碳管是一种极具发展前途的储氢材料,有望推动和促进氢能利用,特别是氢能燃料电池汽车的早日实现。然而对碳纳米管储氢的研究起步较迟,还有许多方面,如循环特性、储氢热力学和动力学行为、如何进一步提高其质量储氢容量和体积储氢容量、储放氢机理等等,需要进行深入细致的研究,目前国内外的科学家们也正在纷纷为之努力。
3.2 催化剂材料
由于近几年来,碳纳米管管壁的官能化的进展,加上其优良的电子传导性、对反应物种和反应产物的特殊吸附及脱附性能、特殊的孔腔空间立体选择性、碳与金属催化剂的金属-载体强相互作用以及碳纳米管由于量子效应而导致的特异性催化和光催化性质、强的氧化性和还原性等,使人们对碳纳米管在催化化学中的应用产生了极大的兴趣。
就目前来说,直接用碳纳米管作催化剂的例子并不多。Lou等[29]报导了将比表面为180m2g的碳纳米管直接应用于NO
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的催化还原,在573K获得8%的NO转化率,当温度升至873K可得到100%的NO转化率。这是有关纳米材料量子效应在催化化学中的一个成功应用例子。
因碳纳米管特有的电子、孔腔结构和吸附性能等,碳纳米管在催化方面主要是当载体来使用,Planeix[30]最早把碳纳米管应用在催化剂载体上。他发现用多壁碳纳米管(MWNTs)负载Ru的催化剂在肉桂醛加氢合成肉桂醇,有高
达90%的选择性和80%转化率,而同样分散度的Ru Al
2
O
3和Ru AC却分别只有20%～30%和30%～40%的选择性。他把此归结于碳纳米管与Ru的特殊相互作用,但到底是电子效应或是结构效应等还不清楚。而Luo等[29]将质量分数为1%的Rh负载于碳纳米管,发现在723K下, NO100%被分解,而单纯的碳纳米管则要在873K才能达到100%分解率。Luo等将此归结于金属与MWNTs的强相互作用(SMSI)效应,使Rh MWNTs上颗粒更小的0价Rh更能稳定存在,这与其它碳材料负载的金属催化剂的研究结果是一致的。我们实验室也做了一些卓有成效的工作[31～32],
我们采用Fe La-2O
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纳米催化剂制备的碳纳米管作载体制得了Ni CNT催化剂,以苯加氢生成环己烷作为模型反应评价了其加氢性能,结果表明Ni CNT催化剂低温活性高,最佳活性温度比Ni AC催化剂低40℃,其催化剂活性是Ni AC催化剂的3倍。
碳纳米管在合成氨催化方面也有了新的进展,廖代伟等[33～34]在钌基氨合成催化剂研究中发现,在同等条件下以碳纳米管为载体的钾促进的钌基催化剂,比以氧化物为载体的钌基氨合成催化剂的活性高得多。碳纳米管嵌钾能大大提高碳纳米管的储氢量[35],这无疑有利于氨的合成;另外,不可忽视的一点是碳纳米管其特殊的孔腔多层结构为氮及氢的吸附和反应提供了足够的空间以及快速吸附、脱附的通道。碳纳米管作为纳米材料家庭的新成员,其特殊的结构和表面特性、优异的储氢能力和金属及半导体电导
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材料科学与工程学报2003年6月
性,使其在加氢,脱氢和择型催化反应中具有很大的应用潜力,可望产生具大的经济效益。
3.3 用于锂离子充电电池的电极材料
目前,锂离子电池正朝高能量密度方向发展,最终为电动汽车配套,并真正成为工业应用的非化石发电的绿色可持续能源。开发锂离子电池主要任务之一是寻找一种合适电极材料,使电池具有足够高的锂嵌入量和很好的锂脱嵌可逆性,以保证电池的高电压、大容量和长循环寿命的要求。碳纳米管的特殊结构使它可能成为一种优良的锂离子电池负极材料。大的层间距使锂离子更容易嵌入脱出,管状结构在反复充放电过程中不会崩塌,但是碳纳米管作为锂离子电池的负极材料首次效率太低。李志杰等[36]将碳纳米管部分地掺入石墨材料中用作锂离子电极材料,二者形成许多纳米级微孔,为锂离子提供了更多的嵌入脱出空间,使可逆容量得以提高,而且碳纳米管可以起到桥梁的作用,增强了材料的导电性。这种电极材料的首次可逆容量为341.8mA·h g,循环10次后可逆容量保持率为94.5%。3.4 用作超级电容器电极材料
超级电容器(supercapacitor)是一种新型的电容器、既具有极大的比电容,又具有高的比功率,长的循环使用寿命。因此超级电容器在移动通讯、信息技术、电动汽车、航空航天和国防科技等方面将具有极其重要和广阔的应用前景。目前对于超级电容器的研究,围绕着开发在各种电解液中具有高比电容的电极材料。目前电极材料主要采用活性炭或金属氧化物,在相同的电极面积的情况下,后者的比电容是前者的10～100倍,但前者瞬间大电流放电的功率特性(功率密度)好于后者。因此,科学家们力求寻找一种电极材料使得复合电容器同时具有较高的能量和功率密度。
很多学者将碳纳米管来取代活性碳,已经取得了一些成就。马仁志等[37]通过不同工艺手段制备了碳纳米管电极,以这种电极为基础的电容器体积比电容达到107F cm3,说明碳纳米管电极是超级电容器的理想材料。梁逵等[38]研究了硝酸改性处理的碳纳米管作电极,所得超级电容器的质量比电容达到69F g,同时这种电容器具有良好的频率响应特性。
为了改进纯碳纳米管电极的性能,科学家们力图通过利用复合电极来提高电容器的能量和功率密度。刘操等[39]采用碳纳米管活性碳复合材料制备可极化电极,通过测试,发现碳纳米管能有效地降低可极化电极的内阻,增强充放电循环稳定性,并降低电容器的自放电速率。当碳纳米管的含量为5%(质量百分数)时,充电截止电压为3V 的条件下,复合电极的放电容量达到43F g,而活性炭电极仅33F g,自放电速率降低约50%。马仁志等[37]则在碳纳米管表面沉积Ru O2·xH2O,制备出碳纳米管和RuO2·xH2O 的复合电极,其电容器的比电容较之于纯碳纳米管电极有显著提高。当复合电极中Ru O2·xH2O的含量为75%时,比电容达到600F g,为目前比电容之最,且这种复合电极的电容器同时具有高能量和高功率密度的特点。由于对超级电容器的研究处于起步阶段,要真正实现实用的超级电容器的工业生产仍需做很多艰辛的工作。
3.5 特殊吸附材料的应用
水中很多微量重金属元素或微量的有机物对人体非常有害,但常规的吸收剂很难满足要求,纳米管优异的吸附性和尺寸效应为这一领域提供了新的前景。王曙光等[40]发现负载氧化铝的碳纳米管复合材料在水中除氟能力是活性碳与α-Al2O3的15～25倍,是γ-Al2O3的3.0～4.5倍,与RIA-410聚合树脂的吸附能力相当。Lon g等[41]的实验表明,碳纳米管对二氧化芑吸附能力比活性碳有显著提高,通过计算证明,碳纳米管强的抗氧化性非常有利于高温再生,而这一点对碳纳米管的实际应用非常重要。王曙光等[42]最近又报导了碳纳米管优异的除铅能力,他们发现在同等条件下,碳纳米管的吸附量比活性碳高一倍。碳纳米管的优异的吸附能力使其可以成为良好的微污染吸附剂,在环境保护中将有极大的应用前景。
4 结 语
碳纳米管正以其优异的性能而受到广泛关注,随着其应用研究的发展,势必引起一场科技革命的新突破,并带动一系列相关高科技产业的兴起、发展。然而,要使碳纳米管真正走到应用的领域,在碳纳米管制备与应用研究方面仍有许多工作需要解决。
1.如何真正实现高质量的碳纳米管的工业化。要使碳纳米管真正得到应用,首要目标是能够实现连续批量生产,使结构均匀且可控,继续降低成本实现商业化生产,提高纯度,解决结构分散的问题。怎样探索新的制备技术和工艺是目前科研人员制备高质量高产量碳纳米管的关键。
2.在应用方面还存在很多问题有待解决。例如,虽然碳纳米管的储氢效率很高,但仍要解决如何在常温常压下解析氢气及如何加快其储氢、放氢速度。再如,对于复合材料来说,碳纳米管与骨架材料(聚合物,金属)两相间的相互作用问题(包括量子效应、界面效应、分散取向效应和界面粘附性等)尚需深入研究解决,才能制备出性能更为优越或能预期其性能的纳米级复合材料。
尽管碳纳米管生产与应用还存在许多问题,但它作为一种最具市场潜力的新兴纳米技术已成为科技界关注的焦点,无可置疑地具有广阔的应用前景。
参考文献
[1] Iijima S.Hel ical microtub ules of graphi tic carbon[J].Nature,1991,
354(6348):56～58.
[2] Eb besen T W,Ajayan P https://www.wendangku.net/doc/f814283794.html,rge-scale synth es is of carbon nan o-
tu bes[J].Nature,1992,358(6383):220～222.
[3] Rin zler A G,Hafner J H,Nik olaev P,et al.Un raveling nan otu bes:
Field emis sion from an atomic wire[J].Science,1995,269(5320):
1550～1553.
[4] De Heer W A,Chatel ain A,Ugarte D A.A carbon n anotub e field-
emission el ectron s ou rce[J].Scien ce,1995,270:1179～1180.
·
467
·
第21卷第3期姜靖雯,等.碳纳米管应用研究现状与进展
[5] Matsu moto K,Kinosita S,Gotoh Y,et al.Ultral ow b iased field emit-
ter usin g sin gle-wall carb on nan otu be directl y grown on to sil ic on t ip
by thermal chemical vapor d eposition[J].Appl Ph ys Lett,2000,78
(4):539～540.
[6] Wild oer J W G,Venema C L,An drew G A,et al.El ectronic struc-
ture of atomicall y reolved carb on nan otubes[J].Nature,1998,391:
59～62.
[7] Tan s S J,Devoret M H,Dai H J,et al.In dividu al s ingle-wall carb on
nanotu bes as q uant um wires[J].Nature,1997,386:474～477. [8] Postma H W C,Teep en T,Yao Z,et al.Carb on nan otu bes sin gle-
electron trans istors at room temperat ure[J].Science,2001,293:76
～79.
[9] Morp urgo A F,Kong J,Marcus C M,et al.Gate-controlled s up er-
condu cting proximity effect in carbon n an otub es[J].Science,1999,
286(5438):263～265.
[10] Kociak M,Kasu mov A Y,Gu eron S,et al.Su perc on ductin g in ropes
of sin gle-walled carb on n anotub es[J].Ph ys Rev Let t,2001,86(11):
2416～2419.
[11] Tan g Z K,Zhan g L Y,W an g N,et al.Su percond uctivity in4ang-
strom s ingle-wall ed carb on n an otub es[J].Science,2001,292
(5562):2462～2465.
[12] S in n ott S B,S hend erous O A,W hite C T,et al.Mec hanical p rop er-
ties of nanotu bule fib ers and composit es d etermined from theoretical
calculati on s and si mul ati on s[J].Carb on,1998,36(1～2):1～9. [13] Lu J P.Elastic properties of carb on nan otu bes and n anorop es[J].
Phys R ev Lett,1997,79(7):1297～1300.
[14] Ponc haral P,Wan g Z L,Ugarte D.Electros tat ic deflection s and
electromechan ical resonances of carb on n anotub es[J].Science,
1999,283:1513～1515.
[15] 赵铁强,国立秋,董申.纳米管原子力显微镜探针的生物学
应用[J].生物化学与生物物理进展,2002,29(2):176～179.
[16] 国立秋,赵铁强,董申.碳纳米管原子力显微镜针尖及其在
生物学研究在的应用[J].高技术通讯,2002,4:36～41. [17] Hafner J H,Cheun g C L,Lieb er C M.Growth of nan otu bes for
probe microscop y tip s[J].Nature,1999,398(6730):761～762.
[18] 张继红,魏秉庆,梁吉,等.激光熔覆巴基管球墨铸铁的研究
[J].金属学报,1996,12(9):980～984.
[19] 马仁志,朱艳秋,魏秉庆.铁-巴基管复合材料的研究[J].复
合材料学报,1997,14(2):92～96.
[20] 董树荣,张孝彬.纳米碳管增强铜基复合材料的滑动磨损特
性研究[J].摩擦学学报,1999,19(1):1～6.
[21] 王浪云,涂江平,杨志友,等.多壁纳米碳管Cu基复合材料
的摩擦磨损特性[J].中国有色金属学报,2001,11(3):367～
371.
[22] 王淼,李振华,鲁阳,等.纳米材料应用的新进展[J].材料科
学与工程,2000,18(1):103～105.
[23] 贾志杰,徐才录,梁吉,等.关于尼龙-6碳纳米管复合材料
的研究[J].新型炭材料,1999,14(2):32～36.
[24] 朱绍文,贾志杰.碳纳米管及其应用的研究现状[J].功能材
料,2000,31(2):119～120.
[25] Cu rran S A,Ajayan P M,Blau W J,et al.A composi te from p ol y
(m-p henylenevinylene-co-2,5-d ioctoxy-p-ph en yl en evin ylen e)an d
carb on nan ot ubes:A n ovel material for molecular op toel ectronics[J].
Ad v Mater,1998,10(14):1091.
[26] Sand ler J,Shaffer M S,Pras se T,et al.Develop ment of a d ispersion
proces s f or carbon nanotu bes in an epoxy matrix and th e res ultin g
electrical properties[J].Pol ymer,1999,40(21):5967～5971. [27] 李弘波,李寿权,陈立新,等,碳纳米管储氢的研究与进展
[J].材料科学与工程,2002,20(2):294～297.
[28] 成明会,刘畅,丛洪涛.具有优异储氢性能的高质量单壁纳
米碳管的合成[J].物理,2000,29(8):449～450.
[29] Lu o J Z,Gao L Z,Leu ng Y L,et al.Th e d ecompositi on of N O on
CNTs and1wt%Rh CNTs[J].Catal Let t,2000,66(1～2):91～
97.
[30] Planeix J M,Coustel N,Coq B,et al.Ap plication of carb on nan o-
tu bes as su pp orts in heterogeneous catal ys is[J].J Am Chem Soc,
1994,116(17):7935～7936.
[31] 彭峰,江剑成,雷建光.Fe La2O3纳米催化剂制备碳纳米管
[J].无机化学学报,2002,18(2):190～192.
[32] 彭峰,任艳群,黄碧纯.碳纳米管的制备与催化加氢性能[J].
四川大学学报,2002,34(增刊):14～16.
[33] W ei G,W an g L H,Lin Y J,et al.Novel rut heniu m catalyst(K-
Ru C-6070)for ammon ia synth es is[J].Chin Chem L ett,1999,10
(5):433～436.
[34] Cai Y,Lin J D,Chen H B,et al.Novel Ru-K carbon nan otu bes
catal ys t for ammonia synth es is[J].Chin Ch em Lett,2000,11(4):
373～376.
[35] Ch en P,Wu X,Lin J,et al.Hi gh H
2
u ptake by al kal i-dop ed carbon nan otu bes un der ambient pressu re an d mod erate temperature[J].
Science,1999,285:91～93.
[36] 李志杰,梁奇,陈栋梁.碳纳米管和石墨在电化学嵌锂过程
中的协同效应[J].应用化学,2001,18(4):269～271. [37] 马仁志,魏秉庆,徐才录.基于碳纳米管的超级电容器[J].中
国科学(E辑),2000,30(2):112～116.
[38] 梁逵,陈艾,周旺,等.碳纳米管作为超大容量离子电容器电
极的研究[J].电子学报,2002,30(5):621～623.
[39] 刘操,邓正华,万国祥.碳纳米管活性炭复合电极的电容特
性[J].电源技术,2002,26(1):36～38.
[40] 王曙光,李延辉,赵丹.碳纳米管负载氧化铝及其吸附水中
氟离子[J].科学通报,2002,47(1):14～16.
[41] Lon g R Q,Yang RT.Carbon nan otu bes as sup erior s orb en t for dioxin
removal[J].J Am Ch em Soc,2001,123:2058～2059.
[42] Li Y H,Wang S G,W ei Q.lead adsorption on carbon nan otu bes
[J].Chem Ph ys Lett,2002,357:263～266.
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材料科学与工程学报2003年6月
关于碳纳米管的研究进展综述
关于碳纳米管的研究进展 1、前言 1985年9月，Curl、Smally和Kroto发现了一个由个60个碳原子组成的完美对称的足球状分子，称作为富勒烯。这个新分子是碳家族除石墨和金刚石外的新成员,它的发现刷新了人们对这一最熟悉元素的认识,并宣告一种新的化学和全新 的“大碳结构”概念诞生了。之后,人们相继发现并分离出C 70、C 76 、C 78 、C 84 等。 1991年日本的Iijima教授用真空电弧蒸发石墨电极时,首次在高分辨透射电子显微镜下发现了具有纳米尺寸的碳的多层管状物—碳纳米管。年,日本公司的科学家和匆通过改进电弧放电方法,成功的制备了克量级的碳纳米管。1993年，通过在电弧放电中加入过渡金属催化剂,NEC和IBM研究小组同时成功地合成了单壁碳纳米管；同年，Yacaman等以乙炔为碳源，用铁作催化剂首次针对性的由化学气相沉积法成功地合成了多壁碳纳米管。1996年,我国科学家实现了碳纳米管的大面积定向生长。1998年,科研人员利用碳纳米管作电子管阴极同年,科学家使用碳纳米管制作室温工作的场效应晶体管;中国科学院金属研究所成会明研究小组采用催化热解碳氢化合物的方法得到了较高产率的单壁碳纳米管和由多根单壁碳纳米管形成的阵列以及由该阵列形成的数厘米长的条带。1999年,韩国的一个研究小组制成了碳纳米管阴极彩色显示器样管。2000年,日本科学家制成了高亮度的碳纳米管场发射显示器样管。2001年,Schlitter等用热解有纳米图形的前驱体,通过自组装合成了单壁碳纳米管单晶,表明已经可以在微米级制得整体材料的单壁碳纳米管,并为宏量制备指出了方向。 2、碳纳米管的制备方法 获得大批量、管径均匀和高纯度的碳纳米管,是研究其性能及应用的基础。而大批量、低成本的合成工艺是碳纳米管实现工业化应用的保证。因此对碳纳米管制备工艺的研究具有重要的意义。目前,常用的制备碳纳米管的方法包括石墨电弧法、化学气相沉积法和激光蒸发法。一般来说,石墨电弧法和激光蒸发法制备的碳纳米管纯度和晶化程度都较高,但产量较低。化学气相沉积法是实现工业化大批量生产碳纳米管的有效方法,但由于生长温度较低,碳纳米管中通常含有
碳纳米管纳米材料的应用要点
碳纳米管及其复合材料在储能电池中的应用 摘要碳纳米管具有良好的机械性能和导电性、高化学稳定性、大表面积以及独特的一维结构，选择合适的方法制备出碳纳米管复合材料，可以使其各种物理化学性能得到增强, 因而在很多领域有着极大的应用前景，尤其是在储能电池中的应用。本文分析了碳纳米管及其复合材料的特点，总结了碳纳米管的储锂机理，对其发展趋势作了展望。 关键词碳纳米管复合材料储能电池应用 Abstract carbon nanotubes（CNTs） are nanometer-sized carbon materials with the characteristics of unique one-dimensional geometric structure，large surface area，high electrical conductivity，elevated mechanical strength and strong chemical inertness. Selecting appropriate methods to prepare carbon nanotube composites can enhance physical and chemical properties , and these composites have a great future in many areas，especially in energy storage batteries . In this paper, based on the analysis and comparison of the advantages and disadvantages of carbon nanotube composites，the enhancement mechanisms of the CNTs catalysts are introduced. Afterward，the lithium ion storage properties are summarized according to the preparation methods of composite materials. Finally, the prospects and challenge for these composite materials are also discussed. Keywords carbon nanotube; composite; energy storage batteries; application 1 引言 碳纳米管(CNTs)在2004 年被人们发现，是一种具有特殊结构的一维量子材料, 它的径向尺寸可达到纳米级, 轴向尺寸为微米级, 管的两端一般都封口, 因此它有很大的强度, 同时巨大的长径比有望使其制作成韧性极好的碳纤维。碳纳米管由于其独特的一维纳米形貌被作为锂离子电池负极材料广泛研究，通过对碳纳米管进行剪切，官能化及掺杂等方法进行改性处理，能有效的减少碳纳米管的首次不可逆容量，增加可逆的储锂比容量。此外，碳纳米管的中空结构也成为抑制高容量金属及金属氧化物体积膨胀理想复合基体。本文中，我们研究了碳纳米管的储锂性能，考察了碳纳米管作为锡类复合材料基体，其内部限域空间对高容量金属及金属氧化物的储锂性能促进的具体原因。该研究结果为碳纳米管以及其他具有限域空间的结构在锂离子电池中的应用提供了参考。 2 碳纳米管的储锂机理和应用 相比广泛应用的石墨类材料，碳纳米管在锂离子电池负极材料中有其独特的应用优势。首先，碳纳米管的尺寸在纳米级，管内及间隙空间也都处于纳米尺寸级，因而具有纳米材料的小尺寸效应，能有效的增加锂离子在化学电源中的反应活性空间；其次，碳纳米管的比表面积较大，能增加锂离子的反应活性位，并且随着
碳纳米管吸波材料的研究现状与展望
3海南省自然基金(80628)资助;海南大学科研基金资助项目(Kyjj0419) 王生浩:男,1984年生,研究方向为吸波材料 文峰:通讯作者,男,博士,副教授 E 2mail :fwen323@1631com 碳纳米管吸波材料的研究现状与展望3 王生浩,文 峰,李 志,郝万军,曹 阳 (热带生物资源教育部重点实验室;海南大学理工学院材料科学系,海口570228) 摘要 碳纳米管因其独特的物理和化学性能10多年来一直备受关注,已有研究将其运用于军事科技领域,如 吸波材料,但目前国内关于此类研究的报道还不多。较为全面地总结了近年来国内外对碳纳米管作为吸波材料的研究成果及其目前的研究现状,即简述碳纳米管的吸波机理;详细介绍碳纳米管薄膜、活性碳纳米管、磁性金属(合金)/碳纳米管、碳纳米管/聚合物基复合吸波材料的研究现状;展望未来吸波材料的发展方向。 关键词 碳纳米管 吸波材料 吸波性能 复合 The R esearch Status and Prospect of Electromagnetic W ave 2 absorbing C arbon N anotubes WAN G Shenghao ,WEN Feng ,L I Zhi ,HAO Wanjun ,CAO Yang (Key Laboratory of Tropical Biological Resources of Chinese Education Ministry ,Department of Materids Science , School of Science and Engineering ,Hainan University ,Haikou 570228) Abstract Carbon nanotubes (CN Ts )have been given great attention due to its unique physical and chemical properties.There are some researches about CN Ts which have been applied in military science and technology ,for ex 2ample as electromagnetic wave absorbing materials (EAM ),but few papers reports this kind of research.In this pa 2per ,the research results and present status of CN Ts as EAM are summarized in general by three parts.①the wave ab 2sorbing mechanism of the CN Ts ,②the present research status of the materials ,including thin film of CN Ts ,activated CN Ts ,metal 2coated CN Ts ,and CN Ts/Polymer composite EAM ,③the f uture prospect of EAM. K ey w ords carbon nanotubes (CN Ts ),electromagnetic wave absorbing materials (EAM ),electromagnetic wave absorbing properties ,composite 0 引言 随着电子技术的发展,电磁辐射成为新的社会公害[1],尤其是射频电磁波和微波辐射已经成为又一大环境污染。电磁辐射不仅会干扰电子仪器、设备的正常工作[2～4],而且还会影响人类的身体健康[5～8]。军事上,随着探测技术的发展,在战争中实现目标隐身对提高武器系统的生存和突防打击能力有着深刻的意义[9～11]。解决电磁辐射污染和实现目标隐身的最有效方法是采用吸波材料(Electromagnetic Wave Absorbing Materials ,EAM )。作为环境科学与军事尖端技术的组成部分,电磁波吸收材料的研究已成为一个重要的科研领域。吸波材料要求吸收强、频带宽、比重小、厚度薄、环境稳定性好,而传统的吸波材料很难满足上述综合要求,出现的问题是吸收频带单一、比重大、吸收不强等,纳米技术的发展为吸波材料开拓了一个新的研究领域。纳米吸波材料具有吸收强、频带兼容性好、材料轻、性能稳定等优点,是一类新型的吸波材料。 自1991年日本N EC 公司的电镜专家S.Iijima 发现碳纳米管(Carbon Nanotubes ,CN Ts )[12]以来,CN Ts 以其独特的结构、优良的物理、化学性质和机械性能引起了世界各国科学家的广泛关注,成为物理、化学和材料科学领域的研究重点和热点。近 年来对碳纳米管复合材料的合成和应用研究是纳米科技领域的 热点之一,但有关该类材料应用于电磁波吸收材料的研究报道还很少。有关微波与吸波材料相互作用的基础理论文献[13]已有较详细的论述,本文不再赘述。本文对目前碳纳米管吸波材料的研究现状进行了论述,并针对目前存在的问题提出了相应的解决思路。 1 碳纳米管的吸波机理 碳纳米管是一维纳米材料,纳米粒子的小尺寸效应、量子尺寸效应和表面界面效应等使其具有奇特的光、电、磁、声等性质,从而使得碳纳米管的性质不同于一般的宏观材料。纳米粒子尺度(1～100nm )远小于红外线及雷达波波长,因此纳米微粒材料对红外及微波的吸收性较常规材料强。随着尺寸的减小,纳米微粒材料具有比常规粗粉体材料大3～4个数量级的高比表面积,随着表面原子比例的升高,晶体缺陷增加、悬挂键增多,容易形成界面电极极化,高的比表面积又会造成多重散射,这是纳米材料具有吸波能力的重要机理。在原子排列较庞大的界面中及具有晶体畸变、空位等缺陷的纳米粒子内部形成的固有电矩,在微波场的作用下,由于取向极化,提高了纳米粒子的介电损耗。量子尺寸效应使纳米粒子的电子能级由连续的能谱变为分裂的
碳纳米管的性质性能及其应用前景
碳纳米管的性质性能其应用前景 The Properties and Applications of Carbon Nano-Tubes 张雅坤北京师范大学化学学院201411151935 摘要：从1991年被正式认识并命名至今，碳纳米管凭借其特殊的结构及异常的力学、电学和化学性能获得了材料、物理、电子及化学界的广泛关注。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入，其广阔的应用前景也不断地展现出来。本文主要对碳纳米管目前的性质性能及其应用前景进行了系统详细的介绍【8】。 关键词：碳纳米管、无机化学、性质性能、应用前景 一、综述 1.发展历史与研究进程 在1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛（Lijima）在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子，这就是现在被称作的“Carbon nanotube”，即碳纳米管，又名巴基管。 1993年，S. Lijima等和D. S. Bethune等同时报道了采用电弧法，在石墨电极中添加一定的催化剂，可以得到仅仅具有一层管壁的碳纳米管，即单壁碳纳米管产物。
1997年，A. C. Dillon等报道了单壁碳纳米管的中空管可储存和稳定氢分子，引起广泛的关注。相关的实验研究和理论计算也相继展开。据推测，单壁碳纳米管的储氢量可达10%（质量比）。此外，碳纳米管还可以用来储存甲烷等其他气体。但该猜测在后来被证实是错误的，碳纳米管无法用于储氢的主要问题有两个：一是假如作为容器进行储氢，则无法对其进行可控的封闭和开启；二是假如用于氢气吸附，则其吸附率不超过1%（质量分数）。 能否控制单壁碳纳米管的生长是近二十余年来一直困扰着碳纳米管研究领域科学家们的难题，能否找到控制方法也成为碳纳米管应用的瓶颈。2014年，这道世界性难题被北京大学李彦教授研究团队攻克，该团队在全球首次提出单壁碳纳米管生长规律的控制方法，研究成果已于2014年6月26日发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上，这是碳纳米管研究方面的又一大突破。 2.碳纳米管的制备方法 常用的碳纳米管制备方法主要有：电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法（碳氢气体热解法）、固相热解法、辉光放电法、气体燃烧法以及聚合反应合成法等。 2.1电弧放电法 电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法。1991年日本物理学家饭岛澄男就是从电弧放电法生产的碳纤维中首次发现碳纳米管的。电弧放电法的具体过程是：将石墨电极臵于充满氦气或氩气的反应容器中，在两极之间激发出电弧，此时温度可以达到4000度左右。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氢气含量，可以
碳纳米管材料的研究现状及发展展望
碳纳米管材料的研究现状及发展展望 摘要： 碳纳米管因其独特的结构和优异的物理化学性能，具有广阔的应用前景和巨大的商业价值。本文综述了碳纳米管的制备方法、结构性能、应用以及碳纳米管发展趋势。 关键词：碳纳米管；制备；性质；应用与发展 1、碳纳米管的发展历史 1985年发现了巴基球(C60)；柯尔、克罗托和斯莫利在模拟宇宙长链碳分子的生长研 究中，发现了与金刚石、石墨的无限结构不同的，具有封闭球状结构的分子C60。（1996年获得诺贝尔化学奖） 1991年日本电气公司的S. Iijima在制备C60、对电弧放电后的石墨棒进行观察时，发现圆柱状沉积。空的管状物直径0.7-30 nm，被称为Carbon nanotubes (CNTs）； 1992年瑞士洛桑联邦综合工科大学的D.Ugarte等发现了巴基葱(Carbon nanoonion)； 2000年，北大彭练矛研究组用电子束轰击单壁碳纳米管，发现了Ф0.33 nm的碳纳米管,稳定性稍差; 2003年5月，日本信州大学和三井物产下属的公司研制成功Ф 0.4 nm的碳纳米管。 2004年3月下旬, 中国科学院高能物理研究所赵宇亮、陈振玲、柴之芳等研究人员，利用一定能量的中子与C70分子相互作用，首次成功合成、分离、表征了单原子数目富勒烯 分子C141。 2004 ，曼彻斯特大学的科学家发现Graphene(石墨烯)。进一步激发了人们研究碳纳米材料的热潮。 2、碳纳米管的分类 2.1碳纳米管 碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体，一般可分为单壁碳纳 米管、多壁碳纳米管。 2.2纳米碳纤维 纳米碳纤维是由碳组成的长链。其直径约50-200nm，亦即纳米碳纤维的直径介于纳米碳 管（小于100 nm）和气相生长碳纤维之间。 2.3碳球 根据尺寸大小将碳球分为：(1)富勒烯族系Cn和洋葱碳(具有封闭的石墨层结构，直径在2—20nm之间)，如C60，C70等；(2) 纳米碳粉。 2.4石墨烯 石墨烯（graphene）是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，是构建其它维度碳质材料的基本单元。 3、碳纳米管的制备 3．1电弧法
碳纳米管的现状和前景
碳纳米管的现状和前景 信息技术更新日新月异，正如摩尔定律所言，集成电路的集成度每隔18 个月翻一番，即同样的成本下，集成电路的功能翻一倍。这些进步基于晶体管的发展，晶体管的缩小提高了集成电路的性能。 在硅基微电子学发展的过程中,器件的特征尺寸随着集成度的越来越高而日益减小,现在硅器件已经进入深微亚米阶段，也马上触及到硅器件发展的瓶颈，器件将不再遵从传统的运行规律,具有显著的量子效应和统计涨落特性. 为了解决这些问题,人们进行了不懈地努力,寻找新的材料和方法，来提高微电子器件的性能。研究基于碳纳米管的纳电子器件就是其中很有前途的一种方法。 碳纳米管简介 一直以来都认为碳只有两种形态——金刚石和石墨。直至1985年发现了以碳60为代表的富勒烯、从而改变了人类对碳形态的认识。1991年，日本筑波NEC研究室内科学家首次在电子显微镜里观察到有奇特的、由纯碳组成的纳米量级的线状物。此类纤细的分子就是碳纳米管 碳纳米管有许多优异的性能，如超高的反弹性、抗张强度和热稳定性等。被认为将在微型机器人、抗撞击汽车车身和抗震建筑等方面有着极好的应用前景。但是碳纳米管的第一个获得应用的领域是电子学领域、近年来，它已成为微电子技术领域的研究重要方面。 研究工作表明，在数十纳米上下的导线和功能器件可以用碳纳米管来制造，并连接成电子电路。其工作速度将过高于已有的产品而功率损耗却极低! 不少研究组已经成功地用碳纳米管制成了电子器件。例如IBM 的科学家们就用单根半导体碳纳米管和它两端的金属电极做成了场效应管（FETs）。通过是否往第三电极施加电压，可以成为开关，此器件在室温下的工作特性和硅器件非常相似，而导电性却高出许多，消耗功率也小。按理论推算，纳米级的开关的时钟频率可以达到1太赫以上，比现有的处理器要快1000倍。 碳纳米管的分类 石墨烯的碳原子片层一般可以从一层到上百层，根据碳纳米管管壁中碳原子层的数目被分为单壁和多壁碳纳米管。 单壁碳纳米管（SWNT）由单层石墨卷成柱状无缝管而形成是结构完美的单分子材料。SWNT 的直径一般为1－6 nm，最小直径大约为0.5 nm，与C36 分子的直径相当,但SWNT 的直径大于6nm 以后特别不稳定，会发生SWNT 管的塌陷，长度则可达几百纳米到几个微米。因为SWNT 的最小直径与富勒烯分子类似，故也有人称其为巴基管或富勒管。 多壁碳纳米管MWNT可看作由多个不同直径的单壁碳纳米管同轴套构而成。其层数从2～50 不等，层间距为0.34±0.01nm，与石墨层间距(0.34nm)相当。多壁管的典型直径和长度分别为2～30nm 和0.1～50μm。多壁管在开始形成的时候，层与层之间很容易成为陷阱中心而捕获各种缺陷，因而多壁管的管壁上通常
碳纳米管薄膜制备及应用研究进展
１ 碳纳米管薄膜的制备 1.1 高密度高取向碳纳米管膜的制备 由浮动催化化学气相沉积制备方法（FCCVD）所制备的薄膜具有良好的取向性，但密度较低。然而，制备出的碳纳米管的丝带聚集在一起用乙醇溶液进行喷雾致密，当乙醇蒸发后形成一层疏松的碳纳米管膜，然后将疏松的碳纳米管薄膜从主轴上剥离出来放在两个光滑的压力为100N的压力板之间挤压，即可以获得高取向、高密度的CNT薄膜[1-2]。如图1所示，为高密度、高取向碳纳米管薄膜的制备过程。其中，图1（a）为高密度高取向碳纳米管薄膜的制备过程，图1（b）、图1（c）、图1（d）分别为碳纳米管丝带、疏松碳纳米管薄、高密度高取向碳纳米管薄膜膜宏观图像。 图１ 高密度高取向碳纳米管薄膜的制备过程 1.2 浮动化学气相沉积法制备高强度薄膜 王健农教授课题组创新性地利用浮动化学气相沉积法连续制备出碳纳米管宏观筒状物，并在开放大气环境下将 CNT 薄膜，图2（b）为拉伸曲线，图2（c）为端口形貌。 图２ 所制备ＣＮＴ薄膜、拉伸曲线和端口形貌综上所述可以看出，直接合成机械性能优异、高密度、高取向度的碳纳米管薄膜的研究工作还处于实验研究阶段。要想获得可应用的具有优越性能的碳纳米管纤维和早日将其应用于实际生活，还需要做很多研究工作。 ２ 碳纳米管薄膜的应用 2.1 碳纳米管长度优化制备透明导电薄膜基板 初始长度为10～15μm多壁碳纳米管经过30min、60min和120min的回流，其长度分别降低到1200nm、205nm、168nm。然后，将多壁纳米管分别在285℃退火24小时，所得碳纳米管薄膜的电气和光学性能将大大提高。薄膜的光学和电气性能强烈依赖于碳纳米管的长度。制备薄膜的多壁碳纳米管回流30min所得到的薄膜光学透过率分别高于回流60min和120min薄膜的2.6%和6.6%。多壁碳纳米管回流30min所得的样品薄膜的薄层电阻也降低了45%和80%。此时，薄膜还具有最小粗糙度[5-10]。图3为透明导电薄膜基板。 2.2 碳纳米管薄膜在应力传感器中的应用 单壁碳纳米管兼具极优异的导电性、稳定性、柔韧性以及拉伸强度，因此在应力传感器方面有着巨大的应用潜力。传统的碳纳米管应力传感器基于碳纳米管的电阻值变化监测外部应力的大小。国家纳米科学中心孙连峰研究员小组的刘政在攻读博士期间发现，基于单壁碳纳米管薄膜两端的开路电压可以构建成功高性能的应力传感器。他们利用极性液滴在悬空碳纳米管薄膜和液滴之间产生毛细管 摘 要：膜状碳纳米管保留了碳纳米管微观性状，也保留了优异的导电能力。它具有良好的机械性能、独特的形貌与结构特征，在储能电池技术、人工肌肉、智能材料以及电子显示屏中的应用越来越普遍。本文介绍碳纳米管薄膜的特点，对几种碳纳米管薄膜制备方法做了简要介绍说明。通过对当前碳纳米管薄膜几大应用方向如超级电容、柔性电池以及场发射装置等的分析，展示了碳纳米管薄膜的巨大应用潜力。 关键词：碳纳米管薄膜 制备 超级电容 柔性电池
碳纳米管的研究进展
碳纳米管的研究进展* 王全杰1,2** 王延青1*** （1. 陕西科技大学资源与环境学院，陕西 西安 710021；2. 烟台大学化学生物理工学院， 山东 烟台 264005） 摘要：碳纳米管是由石墨层片卷成的管状结构的一种新型纳米材料，拥有独特的物理化学、电学、热学和机械性能以及十分诱人的应用前景。文章对碳纳米管的制备方法、性质、纯化及应用前景进行了简要的综述。 关键词：碳纳米管；合成；性能；纯化；应用 中图分类号G 311 文献标识码 A Progress of Research for Carbon Nanotubes Wang Quanjie 1,2,Wang Yanqing 1 （1.College of Resource and Environment，Shaanxi University of Science and Technology，Xi’an 710021,China；2. Chemistry and Biology College，Yantai University，Yantai 264005,China）Abstract: Carbon nanotubes are a new class of nano-material with tubular structure formed via rolling-up of coaxial sheets of graphite. They have unique physicochemical, electrical, thermal and mechanical properties, opening up various intriguing possibilities for applications. The preparation methods, properties, methods of purification and application of carbon nanotubes are briefly reviewed. Key words: carbon nanotubes；synthesis；property；purification；application 自1991年日本科学家Lijima发现碳纳米管(Carbon Nanotubes,简称CNTs)，1992年Ebbesn等人提出了实验室规模合成碳纳米管的方法后，其独特的结构和物理化学性质受到人们越来越多的关注[1]。碳纳米管因具有尺寸小、机械强度高、比表面大、电导率高、界面效应强等特点,从而使其具有特殊的机械、物化性能，在工程材料、催化、吸附、分离、储能器件电极材料等诸多领域中具有重要的应用前景。 *基金来源：山东省科技攻关项目（2008GG10003020） **第一作者简介：王全杰，男，1950年生，教授 ***通讯联系人
碳纳米管的研究进展及应用
碳纳米管的研究进展及应用 一引言 1.1 纳米材料 纳米材料是近年来受到人们极大关注的新型领域，纳米材料的概念形成于20世纪80年代，在上世纪90年代初期取得较大的发展。 广义地说，纳米材料是指其中任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料[1]。当小粒子尺寸加入纳米量级时，其本身具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。 纳米材料具有四大特点: 尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大。从而使其具有奇异的力学、电学、光学、热学、化学活性、催化和超导特性，使纳米材料在国防、电子、化工、催化剂、医药等各种领域具有重要的应用价值。 1.2 碳纳米管 碳是自然界分布非常普遍的一种元素。碳元素的最大的特点之一就是存在多种同素异形体，形成许许多多的结构和性质完全不同的屋子。长期以来，人们一直以为碳的晶体只有两种：石墨和金刚石。直到1985年，英国科学家Kroto 和美国科学家Smalley在研究激光蒸发石墨电极时发现了碳的第三种晶体形式 C60[2]，从此开启了人类认识碳的新阶段。 1991年，日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛（Iijima）发现了多壁碳纳米管（MultiWalled Carbon Nanotubes ，MWNTs），直径为4-30nm，长度为1um。，最初称之为“Graphite tubular”。 1993年单壁碳纳米管也被发现（Single-Walled Carbon Nanotubes ，SWNTs），直径从0.4nm到3-4nm，长度可达几微米。碳纳米管（CNT）[3]又名巴基管，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口）的一维量子材料。 它是由单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷绕而成的无缝、中空的“微管”，每层由一个碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形组成的圆柱面。根据形成条件的不同，碳纳米管存在多壁碳纳米管(MWNTs)和单壁碳纳米管(SWNTs) 两种形式。
碳纳米管的改性研究进展
碳纳米管的改性研究进展 摘要：碳纳米管因其独特的结构与优异的性能，在许多领域具有巨大的应用潜力而引起了广泛的关注。由于碳纳米管不溶于水和有机溶剂，极大地制约了其性能的应用，因此碳纳米管的功能化改性 就成为目前研究的热点。本文简要介绍了碳纳米管及其性质作，详细阐述了碳纳米管的改性研究进展，并对今后的研究方向进行了展望。 关键词：碳纳米管；结构与性能；功能化；共价改性；非共价改性 1. 碳纳米管及其性能简介 1.1碳纳米管的结构 碳纳米管（Carbon Nanotubes，CNTs）是1991年由日本筑波NEC公司基础研究实验室的Iijima在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时意外发现的一种具有一维管状结构的碳纳米材料。因其独特的准一维管状分子结构、优异的力学、电学和化学性质及其在高科技领域中潜在的应用价值，引起了世界各国科学家们的广泛关注，由此引发了碳纳米管的研究热潮和十多年来纳米科学和技术的飞速发展。 碳纳米管是单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝、中空的 微管，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。根据构成管壁碳原子层数的不同，CNTs可以分为:单壁碳纳 米管(single-walled carbon nanotube，SWNT)和多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotube, MWNT)两种形式。MWNTs的层间接近ABAB堆垛，其层数从2～50不等，层间距为0.34±0.01nm，与石墨层间距（0.34nm）相当。MWNTs的典型直径和长度分别为2～30nm 和0.1～50μm；SWNTs典型的直径和长度分别为0.75～3nm和1～50μm。与MWNTs 比，SWNTs是由单层圆柱型石墨层构成，其直径的分布范围小，缺陷少，具有更高的 均匀一致性。无论是MWNTs还是SWNTs都具有很大的长径比，一般为100～1000， 最大可达到1000～10000，可以认为是一维分子。CNTs有直形、弯曲、螺旋等不同外形。在MWNTs中不同石墨层的螺旋角各不相同，由Euler定理可知，在CNTs的弯曲处，一定要有成对出现的五元环和七元环才能使碳纳米管在弯曲处保持光滑连续，而封 闭的两端半球形或多面体的圆拱形是由五元环参与形成的。但是实际制备的CNTs或多 或少存在这样那样缺陷，主要缺陷有三种类型：拓扑学缺陷，重新杂化缺陷和非完全键
碳纳米管的性质与应用
碳纳米管的性质与应用 【摘要】 本文主要介绍了碳纳米管的结构特点，制备方法，特殊性质，由于碳纳米管独特性质而产生的广泛应用，并对其前景进行展望。 【关键词】 碳纳米管场发射复合材料优良性能 【前言】 自日本NEC科学家Lijima发现碳纳米管以来，碳纳米管研究一直是国际新材料领域研究的热点。由于碳纳米管具有特殊的导电性能、力学性质及物理化学性质等，故其在许多领域具有其广阔的应用前景，自问世以来即引起广泛关注。目前，国内外有许多科学家对碳纳米管进行研究，科研成果颇丰，尤其是碳纳米管在复合材料、储氢及催化等领域的应用。 【正文】 一、碳纳米管的结构 碳纳米管中碳原子以sp2杂化为主，同时六角型网格结构存在一定程度的弯曲，形成空间拓扑结构，其中可形成一定的sp3杂化键，即形成的化学键同时具有sp2和sp3混合杂化状态，而这些p 轨道彼此交叠在碳纳米管石墨烯片层外形成高度离域化的大π 键，碳纳米管外表面的大π 键是碳纳米管与一些具有共轭性能的大分子以非共价键复合的化学基础[1]。 对多壁碳纳米管的光电子能谱研究结果表明，不论单壁碳纳米管还是多壁碳纳米管，其表面都结合有一定的官能基团，而且不同制备方法获得的碳纳米管由于制备方法各异，后处理过程不同而具有不同的表面结构。一般来讲，单壁碳纳米管具有较高的化学惰性，其表面要纯净一些，而多壁碳纳米管表面要活泼得多，结合有大量的表面基团，如羧基等。以变角X 光电子能谱对碳纳米管的表面检测结果表明，单壁碳纳米管表面具有化学惰性，化学结构比较简单，而且随着碳纳米管管壁层数的增加，缺陷和化学反应性增强，表面化学结构趋向复杂化。内层碳原子的化学结构比较单一，外层碳原子的化学组成比较复杂，而且外层碳原子上往往沉积有大量的无定形碳。由于具有物理结构和化学结构的不均匀性，碳
碳纳米管研究进展
碳纳米管研究进展 摘要： 碳纳米管是一种具有独特结构的一维量子材料，由石墨碳原子层卷曲而成。 纳米材料被誉为21世纪的重要材料，而作为新型纳米材料的碳纳米材料因其本身所拥有的潜在优越性，在化学、物理学及材料学领域具有广阔的应用前景，成为全球科学界各级科研人员争相关注的焦点。碳纳米管因其独特的结构和优异的物理化学性能，具有广阔的应用前景和巨大的商业价值。近年来，美国、日本、德国和中国等国家相继成立了纳米材料研究机构，碳纳米管的研究进展随之加快，并在制备方面取得了突破性进展。 关键词： 碳纳米管、制备、应用、最新研究 正文： 1、碳纳米管的制备： 碳纳米管的制备方法主要有：电弧法、激光烧蚀(蒸发)法、催化裂解或催化化学气相沉积法(CCVD),以及在各种合成技术基础上产生的定向控制生长法等方法。 电弧法——石墨电弧法是最早的、最典型的碳纳米管合成方法。其原理为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。由于电弧放电剧烈，难以控制进程和产物，合成物中有碳纳米颗粒、无定形炭或石墨碎片等杂质，杂质很难分离。所以研究者在优化电弧法制取碳纳米管方面做了大量的工作。为减少相互缠绕的碳纳米管在阴极上的烧结，D.T.Collbert将将石墨阴极与水冷铜阴极座连接，大大减少了碳纳米管的缺陷。C.Journet等在阳极中填入石墨粉末和铱的混合物，实现了SWNTs的大量制备。研究发现，铁组金属、一些稀土金属和铂族元素或以单个金属或以二金属混合物均能催化SWNTs合成。 近年来，人们除通过调节电流、电压，改变气压及流速，改变电极组成，改进电极进给方式等优化电弧放电工艺外，还通过改变打弧介质，简化电弧装置。 催化裂解法——催化裂解法亦称为化学气相沉积法，其原理是通过烃类或含碳氧化物在催化剂的催化下裂解而成。目前对化学气相沉积法制备碳纳米管的研究表明，选择合适的催化剂、碳源以及反应温度十分关键。K.Hernadi等发现碳源的催化活化顺序为：乙炔＞丙酮＞乙烯＞正茂烷＞丙烯≥甲醇=甲苯≥甲烷。 Ren等在666℃条件下,在玻璃上通过等频磁控管喷镀法镀上厚度为40nm的金属镍,以乙炔气体作为碳源,氨气作为催化剂,采用等离子体热流体化学蒸气分解
碳纳米管纳米材料的应用要点
碳纳米管及其复合材料在储能电池中的应用摘要碳纳米管具有良好的机械性能和导电性、高化学稳定性、大表面积以及独特的一维结构，选择合适的方法制备出碳纳米管复合材料，可以使其各种物理化学性能得到增强，因而在很多领域有着极大的应用前景，尤其是在储能电池中的应用。本文分析了碳纳米管及其复合材料的特点，总结了碳纳米管的储锂机理，对其发展趋势作了展望。 关键词碳纳米管复合材料储能电池应用 Abstract carb on nano tubes(CNTs) are nano meter-sized carb on materials with the characteristics of unique one-dimensional geometric structure large surface area high electrical conductivity，elevated mechanical strength and strong chemical inertn ess. Selecti ng appropriate methods to prepare carb on nano tube composites can enhance physical and chemical properties , and these composites have a great future in many areas especially in energy storage batteries . In this paper, based on the analysis and comparis on of the adva ntages and disadva ntages of carb on nano tube composites the enhan ceme nt mecha ni sms of the CNTs catalysts are in troduced. Afterwardthe lithium ion storage properties are summarized according to the preparation methods of composite materials. Finally, the prospects and challenge for these composite materials are also discussed. Keywords carb on nano tube; composite; en ergy storage batteries; applicati on 1引言 碳纳米管(CNTs)在2004年被人们发现，是一种具有特殊结构的一维量子材料,它 的径向尺寸可达到纳米级，轴向尺寸为微米级，管的两端一般都封口，因此它有很大的强度，同时巨大的长径比有望使其制作成韧性极好的碳纤维。碳纳米管由于其独特的一维纳米形貌被作为锂离子电池负极材料广泛研究，通过对碳纳米管进行剪切，官能化及掺杂等方法进行改性处理，能有效的减少碳纳米管的首次不可逆容量，增加可逆的储锂比容量。此外，碳纳米管的中空结构也成为抑制高容量金属及金属氧化物体积膨胀理想复合基体。本文中，我们研究了碳纳米管的储锂性能，考察了碳纳米管作为锡类复合材料基体，其内部限域空间对高容量金属及金属氧化物的储锂性能促进的具体原因。该研究结果为碳纳米管以及其他具有限域空间的结构在锂离子电池中的应用提供了参考。 2碳纳米管的储锂机理和应用 相比广泛应用的石墨类材料，碳纳米管在锂离子电池负极材料中有其独特的应用优势。首先，碳纳米管的尺寸在纳米级，管内及间隙空间也都处于纳米尺寸级，因而具有纳米材料的小尺寸效应，能有效的增加锂离子在化学电源中的反应活性空间；其次，碳纳米管的比表面积较大，能增加锂离子的反应活性位，并且随着碳纳米管的管径减小其表现出非化学平衡或整数配位数的化合价，储锂的容量增大；第三，碳纳米管具有良好的导
综述：碳纳米管材料的发展、性能与应用”
大连东软信息学院电子工程系《微电子发展前沿技术》期末大作业 项目一二三四总分 分数 综述：碳纳米管材料的发展、性能与应用 姓名刘胜 班级微电子11001班 学号11160600113 专业电子信息工程（微电子制造方向） 2014年5月18日
目录 第1章前言 (1) 1.1碳纳米管简介 (1) 1.2碳纳米管的发展 (1) 1.3碳纳米管现状 (3) 第2章碳纳米管的优秀性能 (4) 2.1电学性能 (4) 2.2力学性能 (4) 2.3热学性能 (4) 2.4复合材料性能 (4) 第3章碳纳米管的应用及前景 (5) 3.1碳纳米管的应用 (5) 3.2碳纳米管的前景 (6) 参考文献 (8)
第1章前言 1.1碳纳米管简介 碳纳米管,是一种具有特殊结构( 径向尺寸为纳米量级, 轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口) 的一维量子材料, 可看作是由片层结构的石墨卷成的无缝中空的纳米级同轴圆柱体, 两端由富勒烯半球封帽而成。按片层石墨层数分类, 可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。单壁碳纳米管可看成是由单层片状石墨卷曲而成, 而多壁碳纳米管可理解为不同直径的单壁碳纳米管套装而成, 层与层之间距离约0.3 4 n m 。碳纳米管因其小尺寸效应和独特的分子结构，具有优异的物理化学性能。一维分子材料和六边形完美连接结构使碳纳米管具有质量轻、强度高的特点；较大长径比及sp2、sp3杂化几率不同使碳纳米管具有优良的弹性；直径、螺旋角以及层间作用力等存在的差异使碳纳米管兼具导体和半导体的特性；独特的螺旋状分子结构使碳纳米管构筑的吸波材料具有比一般吸收材料高得多的吸收率。 碳纳米管具有最简单的化学组成及原子结合形态, 却展现了最丰富多彩的结构以及与之相关的物理、化学性能。由于它可看成是片状石墨卷成的圆筒, 因此必然具有石墨优良的本征特性, 如耐热、耐腐蚀、耐热冲击、传热和导电性好、有自润滑性和生体相容性等一系列综合性能。但纳米碳管的尺度、结构、碳原子相结合又赋予了碳纳米管极为独而有广阔应用前景的性能。 1.2碳纳米管的发展 1991年日本NEC公司基础研究实验室的科学家饭岛澄男(Iijima)在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子,这就是现在被称作的“Carbon nanotube”，即碳纳米管,又名巴基管。是一种外径为515nm、内径213nm、仅由两层同轴类石墨圆柱面叠合而成的碳结构。进一步的分析表明，这种管完全由碳原子构成，并看成是由单层石墨六角网面以其上某一方向为轴，卷曲360°而形成的无缝中空管。相邻管子之间的距离约为0.34nm，与石墨中碳原子层与层之间的距离0.335nm相近[1]，所以这种结构一般被称为碳纳米管，这是继C60之后发现的碳的又一同素异形体，是碳团簇领域的又一重大科研成果。 1993年，S.Iijima等和DS.Bethune等同时报道了采用电弧法，在石墨电极中添加一定的催化剂，可以得到仅仅具有一层管壁的碳纳米管，即单壁碳纳米管产物[2]。
碳纳米管及其应用的研究现状
文章编号:1001-9731(2000)-0119-02 碳纳米管及其应用的研究现状Ξ 朱绍文1,贾志杰2 (1.华中师范大学应用物理研究所,湖北武汉,430079;2.清华大学机械工程系,北京100084) 摘 要: 在世界范围内,碳纳米管及其应用的研究成为当前材料研究的热点。通过最近数年的研究,科技界对于碳纳米管的特性及应用前景有了深刻的认识。目前研究的重点集中在较大批量生产(公斤级/日)和全面应用方面。 关键词: 碳纳米管;电子器件;纳米复合材料 中图分类号: T B383 1 引 言 自K roto和Smalley于1985年发现碳纳米管(获得1996年诺贝尔化学奖)[1,2],以及NEC公司电镜专家I ijima在用电弧法制作C60时生产出第一根碳纳米管以来[3],在世界范围内掀起一股碳纳米管热。其中美国居于领先水平,从医学到电子、复合材料等领域,高投入、全方位地开展研究。日本紧随其后。我国也在几年前开始这方面的研究,并有重点地(电子领域)加强力量,进行应用开发研究。到目前,关于碳纳米管本身特性及生产方法的研究已取得重大进展,开始进入到碳纳米管批量生产及碳纳米管应用方面。碳纳米管是一种主要由碳六边形(弯曲处为碳五边形和碳七边型)组成的单层或多层纳米级管状材料,由自然界最强的C—C共价键结合而成,因此具有非常高的强度(理论值是钢的100多倍,碳纤维的近20倍),同时还具有很高的韧性、硬度和导电性能[4～8]。目前研究的重点己经转移到碳纳米管的较大批量生产及其应用领域。应用领域里最具潜力的应用是在电子和复合材料领域。 2 碳纳米管的制备 碳纳米管的制备包括碳纳米管的生产及处理。碳纳米管虽然具有很好特性及诱人的应用前景,但首先只有碳纳米管的生产实现了规模化生产才有意义。碳纳米管的生产开始采用石墨-电弧法,后来发展到具有较大产量的化学气相沉积(CVD)法[10～14]。催化剂一般采用铁基、钴基或镍基催化剂。各种催化剂各有其优点,用得较多的是镍基催化剂。实验室产量从每炉次10毫克级发展到10克级(国内己达到的水平),己经具备工业化生产条件。当然,要真正实现工业化生产,还需要进一步研究和优化碳纳米管的生产工艺,设计出相应的能够实现连续合成碳纳米管的生产设备。 由于CVD法生产的碳纳米管粗产物里含有许多杂质,如SiO2、Fe、Co、Ni等金属颗粒,需要进行净化处理[15,16]。由于碳纳米管具有很高的结构稳定性,耐强酸、强碱腐蚀,故碳纳米管的净化处理一般采用酸浸泡或酸煮的方式,然后用蒸馏水清洗。另外,由于CVD法生产的碳纳米管缠绕成微米级大团,需要进行分散处理,以利于与其它材料进行复合制作纳米复合材料。碳纳米管的分散处理采用浓硝酸或浓硫酸较长时间煮的方式或高速球磨机球磨的方式。 3 电子应用领域 由于碳纳米管具有很高的导电性能,特别是经高温退化处理后(消除碳五边形和碳七边形结构)的碳纳米管,因此,目前碳纳米管应用研究的最大领域是在电子学领域。第一,利用碳纳米管本身结构特点,研究新型电子器件。如:利用碳纳米管的激发电压与钼针相比有大幅度降低,并具有自修补功能的特性,加之其纳米级尺寸,若用于研制场发射器件,可制成超大规模视屏系统[21]。通过控制生产工艺,使碳纳米管中缺陷(碳五边形和碳七边形)集中于碳纳米管中部,制成电子纳米电子开关和纳米二极管[18]。目前美国科学家正利用碳纳米管研制纳米三极管,如若成功,就可将集成电路尺寸降低两个数量级以上[19]。根据这个思路,还有很多纳米电子器件的研究在进行中。第二,利用碳纳米管导电性能好的特点,研制其它电子器件。如:利用碳纳米管研制高能微型电池,用于计算机起动电源和汽车电子打火,具有体积小,能量高,使用寿命长的特点[17]。将一定量的碳纳米管压成薄片,制成高能电容,能量比一般的电容高两个数量级(国家“九五”计划)[26,27]。在一些器件表面镀上碳纳米管,制成导电膜,其导电性能提高很多[23,24]。加碳纳米管加入到金属Al 中(少量),可明显提高其导电性。在高分子材料中加入少量碳纳复米管,降低其电阻3个数量级以上,使其具有抗静电功能[17],等等。 4 复合材料领域 由于碳纳米管具有非常高的强度[8],且耐强酸、强碱,600℃以下基本不氧化,又具有纳米级尺寸,若与工程材料复合,可起到强化作用。因此关于碳纳米管复合材料的研究也成为其应用研究的一个重要领域。用碳纳米管制作复合材料研究,首先在金属基上进行,如:Fe/碳纳米管、Al/碳纳米管、Ni/碳纳米管、Cu/碳纳米管等[28～31]。复合方法一般有快速凝固法和粉末冶金法。由于碳纳米管的尺寸与金属晶格相比显得太大,无法进入,被排斥在晶界上。因而,当碳纳米管加入量超过一定值(一般为3%)时,就在晶界上集聚成团,削弱晶格间连接力,反而降低基体的强度。另外,如Fe/碳纳米管、Al/碳纳米管、Ni/碳纳米管,在复合过程中部分碳纳米管与高温液态金属化合形成金属 Ξ基金来源:湖北省科委重大科研攻关项目收稿日期:1998-12-10