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碳纳米管的物性与应用一
文件名称: 碳纳米管的物性与应用一
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上传时间: 2013-01-29 22:57:12
更新时间: 2013-01-29 22:57:12
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文件简介
碳纳米管的发现是人类研究纳米科技的重大成果。1991 年,碳晶体家族的又一新成员出现了,这就是碳纳米管。日本NEC 公司基础研究实验室的Iijima [ 2 ] 教授在给Nature 杂志的信中宣布合成了一种新的碳结构。
详细介绍

1. 碳纳米管的发现

碳纳米管的发现是人类研究纳米科技的重大成果。仅仅在十几年前,人们一般认为晶态碳的同素异形体只有两种:石墨和金刚石。1985 ,英国Sussex 大学的Kroto 教授和Rice 大学的Smalley 教授进行合作研究,用激光轰击石墨靶以尝试用人工方法合成一些宇宙中的长碳链分子。在所得产物中他们意外发现了碳原子的一种新颖的排列方式。60 个碳原子排列于一个截角二十面体的60 个顶点,构成一个与现代足球形状完全相同的中空球,这种直径仅为0. 7nm 的球状分子即被称为碳60 [ 1 ] 分子。此即为碳晶体的第三种形式。

1991 ,碳晶体家族的又一新成员出现了,这就是碳纳米管。日本NEC 公司基础研究实验室的Iijima [ 2 ] 教授在给Nature 杂志的信中宣布合成了一种新的碳结构。它由一些柱形的碳管同轴套构而成,直径大约在1 30nm 之间,长度可达到1μm。进一步的分析表明,这种管完全由碳原子构成,并可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,所以这种结构一般被称为碳纳米管。这是继C60之后发现碳的又一同素异形体,是碳团簇领域的又一重大科研成果。

1992年,Ebbsen等提出了实验室规模合成破纳米管的方法为研究碳纳米管的性质迈进了一大步碳纳米管以其良好的电子学、力学、化学等性能吸引了物理、化学、材料、电子等领域专家的极大关注在全世界掀起了一股碳纳米管的热潮。

碳纳米管(CNTS)又称巴基管,是一种有特殊结构和性质的新型材料。由于碳纳米管具有奇特的物理性能,因此被认为是具有重要的理论研究和应用研究价值的材料。目前关于碳纳米管自身的特性和生产方法的研究已经取得很大的进展研究重点正转向大规模生产和应用领域。[ 3 ]

2  碳纳米管的结构

碳纳米管的径向尺寸较小,管的外径一般在几纳米到几十纳米;管的内径更小,有的只有1 纳米左右。而碳纳米管的长度一般在微米量级,长度和直径的比非常大,可达103106,因此,碳纳米管被认为是一种典型的一维纳米材料。管壁由类石墨微晶的碳原子S P2 杂化与周围三个碳原子完全键合而成的六边形碳环构成。 碳纳米管的弯曲部位是由五边形和七边形的碳环组成的。 当六边形逐渐延伸出现五边形时碳纳米管就会凸出,七边形出现则会使其凹进。[ 4 ] 如果五边形出现在碳纳米管的顶端则成为碳纳米管的封口。

碳纳米管分单壁和多壁两类:

1) 单壁碳纳米管Single-walled nanotubes, SWNTs):由一层石墨烯片组成。单壁管典型的直径和长度分别为0.753nm150μm。又称富勒管(Fullerenes tubes)

1 单层碳纳米管原子排列结构示意图

2) 多壁碳纳米管Multi-walled nanotubes, MWNTs):含有多层石墨烯片。形状象个同轴电缆。其层数从250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230nm0.150μm

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布满小洞样的缺陷。与多壁管相比,单壁管是由单层圆柱型石墨层构成,其直径大小的分布范围小,缺陷少,具有更高的均匀一致性。

多壁碳纳米管是由几个到几十个单壁碳纳米管同轴而成, 管间距为0. 34 nm 左右,稍大于单晶石墨的层间距0. 335 nm,且层与层之间的排列是无序的。碳原子的六边形排列和碳间距的出现反映了碳纳米管具有类石墨单晶的结构。但单壁碳纳米管其结构接近于理想的富勒烯,两端之间是有单层的同柱面封闭。 1991 年合成的碳纳米管就是单壁的碳纳米管。 目前单壁碳纳米管存在三种类型的结构,分为扶手式碳纳米管,锯齿形碳纳米管和手性碳纳米管,[ 5 ] 分别如图2 ( a) ( b) ( c) 这些类型的碳纳米管的形成取决于碳原子的六角点阵二维石墨片是如何“卷曲起来”形成圆筒形的。

2  单壁碳纳米管的三种结构

在石墨平面中, 碳原子结合在一起形成六角网状结构的碳原子平面,如图3 所示: 为石墨平面的单胞基矢。

选石墨平面中任一碳原子O 做原点,再选另一个碳原子A ,O A 的矢量为

= n + m 1

式中n m 为整数. 将石墨平面卷曲成一个圆柱,在卷曲过程中使矢量 末端的碳原子A 与原点上的碳原子O 重合,然后在石墨圆柱的两端罩上碳原子半球面,这样就形成了一个封闭的碳纳米管. 这样形成的碳纳米管可用( n , m) 这对整数来描写. 因为这对整数一经确定, 碳纳米管的结构就完全确定. 所以,把这对整数称为碳纳米管的指数.

l m = n 时即手性角θ = 30°时,成为扶手型碳纳米管(Armchair)

l m = 0n = 0时即手性角θ = 0°时,成为锯齿型碳纳米管(Zigzag)

l 0°< θ < 30°时,则成为手性型碳纳米管(或螺旋型碳纳米管)。

3 石墨碳原子的六角网状平面结构

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