碳纳米管科普 骞伟中?
一 心细如发，发真得够细吗？?
中国有句谚语为＂心细如发＂，用来形容一个人的心思缜密，细微程度达 到了头发丝的尺寸。 在古人的眼里， 头发丝已经是非常细的东西的代表了。 或者， 人们形容薄时，爱用“薄如蝉翼” ，但蝉翼真得够薄吗？然而，大家知识头发丝 的直径或蝉翼的厚度是什么尺度的吗？仅仅是几十微米而已。 有没有比头发丝更 细的丝及比蝉翼更薄的纸吗？ 事实上还多得很。 比如铜丝，现代的加工技术可以将铜丝拉伸到小于 10 微米的级别。用于光 导通讯的玻璃纤维丝，也能达到这个级别。 而更绝的是，用激光刻蚀可以在硅片上刻出几十纳米（nm）的细槽，从而成 为现代超级计算机的基础。 但你可能更加想不到的是， 人类真得造出了直径仅 0.4‐1nm 的碳丝(图 1)， 而 且还是中空结构。这种材料与头发丝相比，直径小了 1 万倍。另外一种比喻可以 让你进一步想象 1nm 有多大，人的指甲的生长速度几乎是不为人察觉的。人一 般觉得指甲长了，总得一周左右 的时间。但即使这样，您的指甲 仍以每秒 1nm 的速度在不停地生 长。但由于一个分子的大小也就 在 0.3nm(如氢气分子)到 0.6 nm(如苯分子)，所以你可以想象 这种碳丝在本质上就是一种原子 线或分子线。但它的确构成了一 种长径比巨大的固体材料，成为 一种实物，而不再是无所束缚的， 到处乱跑的分子或原子。
图1 碳纳米管的三种卷曲结构 （从上而下的英文 字形结构；手性结构）?
armchair
zigzag
chiral
为：扶手椅式结构；Z
实际上， 这种神奇的材料的发现是基于非常偶然的机缘。 在 1985‐1990 年间， 科学家热衷于制造一种形状像足球的由 60 个碳组成的分子。这种分子通常是用 电弧放电，将石墨靶上的碳原子进行激发，然后进行自组装而得。而在偶然的机 缘里，科学家发现，只要能量足够，这些碳原子就会自动连接起来，形成一条碳 链。而利用放大倍数在 10 万倍至 100 万倍的电子显微镜下，科学家惊异地发现 这个丝状的材料竟然是中空的管状材料，所以，根据其元素，尺寸与形状，科学 家形象地称这种材料为“碳纳米管” 。应该说这种丝状材料与头发相比，才是真 正算得上细与小。当然如果说一个人“心细如碳纳米管” ，则恐怕不只是“心细 如发”的赞许与褒扬，而或许带有一种调侃或讽刺意味的“小心眼”了。由此可 见，社会科学中的词语包含了粗与细的平衡，什么事都得适可而止，非常玄妙。 然而，在追求真理与真知的“实心眼”科学家那里，却不是这样，自从 C60 与碳纳米管的发现，人类正式进行了纳米时代，可能大家都听过“纳米领带” ， “纳米洗衣机” 或 “纳米药物” 。 不论这些东西是否属实， 却毫无疑问地夸耀 “细” 与“小”的作用。 事实上，追求细小或细微或精细，是人类科技进步的一条主线。 从人类走过的路程可以看到，从旧石器时代，新石器时代，以及青铜时代， 铁器时代，到火车轮船时代，以及飞机及计算机时代。从手工打造，铸造，到普 通车床加工， 再到数字车床加工， 激光刻蚀。 比如， 普通汽车与拖拉机的发动机， 一般有成千至万个零件。而飞机或火箭的发动机则有上百万个零件组成。而保证 这个零件良好组合或密封，以及长时间工作不损伤的关键因素，就在加工结构的 精细化与细微化。一般来说，汽车与拖拉机对应的加工精度为微米级，而计算机 与手机等通讯产品中硅片的加工精度则为纳米级。人类加工的产品越来越精细， 也就越来越有功能。而到达纳米级后，计算机硅片的加工要求又从 100 nm，小 到 60?nm，直到目前的 15?nm。这些数字减小的后面，是一代一代计算机的更新 换代与巨大的产业价值。 而我们故事的主人公：碳纳米管，竟然可以小至 0.4‐1nm。大家可以想见， 如果计算机的加工基础可以小到这个程度，或由这么小的材料来组装器件，则现 代的工业革命又将会发生什么样的变化。 在此开篇，有必要向大家介绍一下时空的概念。在时间尺度上，生物的新陈
代谢， 人类的进化乃至地球， 太阳系及宇宙的形成可以跨越从飞秒， 皮秒， 微秒， 毫秒，秒，分钟，小时，年直到数百亿年。而在空间的尺度上，小到夸克，原子， 分子，纳米结构，细胞，大到高楼，山脉与河流及地球与宇宙，则可以从埃，纳 米，微米，毫米，米，公里，光年，数亿光年。?
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图 2 从左向右：碳纳米管；DNA 链；血红细胞，姚明；摩天大楼（注：未按比例绘图）
而对我们人类来说，请大家记住这些尺度(图 2，我们的 DNA 为几个纳米大 小，血红细胞的直径为几个微米，我们的皮肤有几个毫米厚，我们的头发有几十 个微米粗， 我们的心脏大小相当于拳头 （直径有十几厘米） ， 身高多为 1.5‐2.2 米。
二
登月可不用宇宙飞船吗？?
“明月几时有，把酒问青天” ， “我问嫦娥何所有，吴刚捧出桂花酒”这些都 是中国人对于月亮美丽的遐想。能够飞起来，甚至飞至月球上去，一直是人类的 梦想。而实际跨越地球与月球之间这遥远的 38 万公里，则不能只靠梦想，而要 靠能够行得通的技术方式。 不同的距离与不同的方向产生出不同的交通方式。在陆地上旅行，可以看作
是水平面或落差不大的坡上，我们靠步行，坐车；在江河湖海中，我们靠轮船。 而垂直方向， 如在有形的大楼里， 我们依靠电梯。 而在无形的大气层中的空间里， 只能靠飞机，热气球，或翅膀。而穿越更遥远的无形的外太空，就要依赖火箭， 宇宙飞船了。 不同的交通方式，花费的时间代价不同。比如步行，人类一天只能走 30‐40 公里，坐汽车走普通公路一天可以走 200‐300 公里，走高速公路则可达到 1000 公里。坐高速铁路，速度可达 400 公里，则一天有可能跨越 2000‐3000 公里。而 飞机则更加神速，北京至纽约的距离大约 11000 公里，只需要 12‐13 小时就可到 达。而火箭与导弹则可以超过音速（340 米/秒，相当于 1230 公里/小时） ，若达 到 3 倍音速, 从北京到纽约的行程可以缩短到 2‐4 小时。当然这都是有重力束缚 下的速度。而当速度大于 7.8 公里/秒，人类就能够挣脱地球，到达外太空了。 当然不同交通方式，所能携带的重要也不同。而轮船则可以在１个月左右的 时间里把十万吨原油从中东运回中国。一列运煤的火车常有 40‐50 节车厢，每节 能拉 60 吨，则火车可以在几小时把几千吨的货物运至千里之外的目的地。飞机 虽快，运力则下降到了百吨的级别。像长征 3 号这样的捆绑式运载火箭更快，但 能够运送的卫星也就几吨重。所以，可以想像前苏联组建的太空空间站，费了多 大的劲。而太空空间站的重要也不过几百吨重，大致相当于一个几百平米房子的 建筑材料的重量。却需要发射代价高昂的火箭跑上几十趟才能完成。要知道一些 亿万富翁，想去天外看看地球与太空，坐上宇宙飞船跑上几个小时的旅行费高达 几千万美元。所以直到目前为止，人类在月亮上建造永久居住地的梦想，仍然只 能是梦想。也就谈不上在地球毁灭时，把大量的人类转移出去。也谈不上地球能 源严重危机，资源不够用了，从外太空别的地方搞点能源回来。 当然，目前的技术困难并不能阻止科学家“异想天开”地寻找别的最佳交通 方式。事实上人类一直不乏奇思妙想与狂想。古代俄有中国人想坐着炮仗上天， 被炸了个粉身碎骨。而近来还有人嫌从美国到澳大利亚坐飞机太慢，想出把人绑 在火箭上发射过去的疯狂的想法。 但如果这些想法比起科学家最近想到的登月办 法，估计还是从思想的深度与疯狂度上都是小巫见大巫。 鉴于宇宙飞船每次倒腾的东西太少，在月亮上建造一个房屋太慢。同时宇宙 飞船有材料老化，发射不安全的问题，科学家在思考还有没有别的可行方式。大
家可能熟知盖高楼或上高楼的方式。均是利用像电梯或卷扬机。里面的核心是钢 丝拉着载重厢， 在电机的作用下， 把人或建筑材料从低处运送到高处去。 无疑 钢 丝绳是其中的载重承受体。 科学家就在设想能不能在地球与月球之间搭一个类似 于电梯的通道，这样就可以将所需要的货物源源不断的运到月球上去。听起来非 常 Crazy，但如果比之与伽利略的“如果给我一个支点，我就能够撬动地球”说， 还是相对要容易接受一点。?
图3 金门大桥及其钢索的结构?
别说，有一大批物理学家还真得投入这个事业中。首先，搭这么长的梯子， 用什么材料是问题最关键。大家都知道一切材料都能够被拉断，即受力有限。而 大家可能不太清楚的是，一切材料如果都可能被自身的重量拉断。比如，斜拉式 大桥上的铁索，是大家认为相当强的材料了，但大家知道吧，钢的密度达 7.8 吨 /立方米。即它本身太重了。无论做成多根平行一起使劲的钢索（图 3 如美国著 名的金门大桥的拉索，是人类比较早使用钢进行拉撑的案例） ，还是一环套一环 的结构，只要一长，均会被轻易拉断。蜘蛛丝是自然界比较典型的例子，能够进 行很大的伸缩，且耐自身许多倍的重量（如支撑蜘蛛的重量） 。但其是蛋白质构 成，绝对强度低。同时蛋白质易变质劣化。 科学家经过计算，发现能够跨越 38 万公里，惟一能够承受自身重量而不被 拉断的材料是本文的主人公，碳纳米管。碳的质量轻，密度仅为 1‐2 吨／立方?
米. 但当碳原子以 Sp2 结构杂化，形成一个个如苯球状的连接体，同时又封 闭成管状结构时，就拥有最坚固的结构与耐受力。理论上预测，碳纳米管的扬氏 模量可达 1?TPa, 是钢的 100 倍(图 4)。 可见其强度已经完全超越了大家的想象力。 在这方面可以用一个强度相近的 碳材料来帮助大家理解。碳纤维已 经被广泛地用于防弹衣，高尔夫球 杆，钓鱼杆。在这些场合下，碳材 料承受强大的抗冲击压缩形变，以 及巨大的拉伸形变，又使得这些产 品非常轻。属于真正的高端产品。
图4 不同材料的力学强度（从左到右的英文为：碳纳米管；石墨碳纤维，芳纶（一种
高分子材料） ，不锈钢）?
而有了这个天梯的梦想，科学 家就不断地努力研究， 越来越合成 出了结构趋于完美， 强度接近理论 值的碳纳米管产品。 虽然实现这个 天梯梦想， 还需要在月亮与地球上 找合适的固定点， 还需要克服这么 长的距离上的材料的形变， 以及使 用安全（碳材料怕火，经过大气层 时，要注意雷电的破坏）等，需要 一个漫长的过程，但在这个过程 中，人类必将能够收获更多的知
图 5 《科学美国人》杂志的封面，图示了一个碳纳米管束 的天梯上正有着一个卫星攀升上天?
识，得到更多实用的产品，开拓更多的应用领域。 在这方面，与大家分享的是这种科研梦想的物理基础，以及对待这种超级梦 想的现实理解态度。对异想天开持宽容态度，才是人类进步的最大动力与支持之 一。比如，封建农耕社会的人，是永远也不能理解电视是怎么回事，也绝对想不 到相隔上万公里的人可以无延迟地视频通话。 还是就是许多人对于美国星球大战构想的军事意图持绝对否定态度，但在实 现这个梦想的过程中，的确发展了一些包括激光应用的高科技。目前来看，世纪 大战不一定能够打起来，美国的霸权也不一定绝对优势，但这些高科技技术却已 经实实在在地造福了人类。
三
生长碳纳米管就像种韭菜，生豆芽，吹棉花糖，放风筝?
请原谅作者的叙事方式，长篇大论了半天，读者还不曾对故事的主人公有个
清晰的了解。但作者认为，对于碳纳米管这种本来就带着神秘面纱的事物，只有 有了被吊足的胃口，才有可能理解起科学本质。 简单来说，碳纳米管就是由碳原子卷曲形成的管道，只不过这个管道的直径 实在太小罢了。 但因为其实在太小了， 制造方法也就与宏观物体的制造方法不同。 从新疆到北京或上海的输油管道可能是陆地上最壮观的管道工程之一。 为此 中石油与中石化都成立了管道局，组织大量的人力来保证其输运安全。但制备石 油的输油管道很简单， 把铁皮卷起来， 进行焊接就可以了。 但对于碳纳米管来说， 其直径几纳米，能够进行这样的操作吗？如果大家有在电子显微镜下工作的经 验，就可以看到我们所用的工具（如镊子，针尖等）要比碳纳米管大多了，所以 直接焊接的难度太大。 因此，人们在生长碳纳米管时借助别的方式。最经曲的方式是借助一个纳米 金属粒子，其大小可以与碳纳米管直径相仿(图 6)。当把碳与金属全在高温下处 理时，碳蒸汽会与金属形成金属碳化物，而在一个较冷的区域，金属中的碳会析 出，而金属碳化物也复原为金属。由于碳可以纳米金属颗粒（可以看做是一个微 小的球）的法线方向析出，而只要碳的浓度很大，沿着球一圈的法线方向就会自 动生成一个无缝的纳米管。?
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图 6 碳纳米管的生长机理（1.乙烯和甲烷分子向催化剂表面扩散；2.在催化剂表面吸 附；3.4. 裂解脱氢生成苯环状物质；5. 苯环状物质继续脱氢变成碳，从金属上析出）?
的确，清华化工系的科学家还通过反证的方法来验证了这种机理。具体方法 是， 将一个纳米金属颗粒的局部进行化学中毒， 这个中毒的区域就不能再扩散碳， 这样从一个球面的法线方向析出的碳就不再是一个连续的面，而是出现了裂缝。 这样， 形成的就不是管， 而是管展开， 形成了一个片。 大家可以将有弹性乳胶管， 沿其轴向切一刀，也会得到展开的乳胶片，只不过这是宏观层面上的。所以，从 上面例子来看，大家就会觉得碳纳米管的形成的确不能算复杂。只不是尺度小而 已。的确，做纳米科技的研究，是时刻需要从我们熟知的宏观世界里汲取经验与 养份的。?
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图 7 左：生长的韭菜； 右：生长的碳纳米管图案（其中 A‐F 为宏观形貌，G 为微观照片）
那么对于一根碳纳米管来说，可以从一个金属纳米颗粒上生长出来，如果有
多个纳米金属颗粒呢？逻辑推理的确是可以同时生长出多个碳纳米管。的确，许 多科学家把许多非常细小的纳米金属颗粒放在一个平整的基板（如硅片或玻璃 片）上，再生长碳纳米管时，碳纳米管都会超着一个方向长，就像长豆芽或韭菜 (图 7)。?
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图8 a.生长在硅片上的碳纳米管阵列；b. 一个冠状病毒的结构；c. 一个植物种子的结 构； d.生长在陶瓷球表面的花状的碳纳米管阵列； e. 陶瓷球表面不同生长时间的不同长度的 碳纳米管阵列的结构?
而清华化工系的科学家们为了提高这类生长的效率， 利用大量的陶瓷球在其 外表面实现了大量的碳纳米管阵列的生长(图 8)。而这一思路是借鉴了自然界植 物种子的生长结构的高效率（在一个圆形上垂直生长种子数量最多）或病毒的流 动形（有一些触角的纳米结构可以随风漂浮上千公里） ，实现了在反应器中的高 效制备。 当然，这是碳纳米管在没有太大阻力下生长的情况，而如果碳纳米管生长过 程中遇到一些大的固体阻挡物，这时的碳纳米管就像大石头下的小草一样，会长 得弯弯曲曲，而从阻力较小的地方伸出来。所以，开句玩笑话，生长碳纳米管的 科学家就像是纳米世界的农民叔叔。当然，如果把金属颗粒不放在一个板上，而 任意由其漂在空中， 生长出来的碳纳米管就会聚成团， 就像吹棉花糖的原理一样， 越滚越大，里面的结构也是这样，空间率很大，密度很低，里面的碳纳米管小团 也和糖团，糖丝一样，耦断丝连( 图 9)。?
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图 9 左：棉花糖；中：碳纳米管聚团间的结构；右：碳纳米管微观结构?
另外， 还可以故意创造一个热的力场， 将在平板上生长的碳纳米管悬浮起来。 这样碳纳米管一头在平板上，一头在气流中，就像风筝一样(图 10)。最近清华大 学化工系的科学家用这样的方法，在国际上首次将碳纳米管生长到了 20 厘米
长。 相当于在一个 3 纳米的金属颗粒上将碳纳米管的生长倍率提高至千万倍到近 亿倍。?
图 10 右：蝴蝶型风筝；
右：
象风筝一样飞直生长的碳纳米管示意图?
并且有意思的是，不但最终生成的碳纳米管的结构像齐刷刷的豆芽，韭菜， 或膨松可爱的棉花糖，或放风筝。而且生长的过程控制方法也差不多。长豆芽， 韭菜，需要在一定的温度下定期浇水，但一次不能浇得太多，否则豆芽或韭菜就 泡在水里，呼吸不到氧气，就会烂根死掉。而碳纳米管一样，金属纳米颗粒也是 这样，如果一次供给它的碳太多，它接受不了这么多，就会被碳包覆死掉。而碳 供给的速率的快慢又决定于温度。温度越高，金属的活性越强，能够生成的碳越 多，但其扩散或迁移的能力却没有增加多少。因此，常出现一个有意思的现象，
在低温时，生成的碳少，金属能够接收碳与扩散碳顺利生成碳纳米管，但效率很 低； 在高温时， 生成的碳太多， 短时间的生长效率虽然高， 但很快催化剂会死掉。 这就出现了一个平衡，但也出现一个制约。即在很长时间内，科学家没办法做到 生长碳纳米管高效率与长寿命的统一。
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图 11 上下两段温度不同的流动反应器?
清华大学化工系的科学家利用自己的特长， 设计了一种有意思的垂直反应器 结构(图 11)，他们让所有的催化剂与碳纳米管被气流吹着，在反应器中流动。又 把反应器的上段加热成一个温度达 850℃的温度区，而在气体刚进入的下段设置 成一个仅 700℃的温度区. 可想而知，金属在 850℃的温度区中生长碳纳米管的 效率要比 700℃的温度区中高得多，但风险也大得多。而这种有意思的反应器控 制方式在于，催化剂是被气流吹到上段 850℃的温度区中去的。就像牛顿看到万 有引力的作用一样，抛到天空的苹果总是要掉到地下的。因此，在 850℃的温度 区中催化剂也要顺从重力的安排，向下掉到 700℃的温度区。科学家发现这种被 气流吹上去，再掉下来的过程其实发生的很频繁，大约不到几秒中就能循环（在 上下段的不同温度区中）一次。而当金属催化剂掉到 700℃的温度区中时， 它 的活性弱了，不在生成碳，而只把原来的碳析出来。所以，科学家的安排就相当 于给金属催化剂做了一个分工，在上段的高温区干活，而在下段的低温区休息。 正所谓， “一张一弛，文武之道” ，才是最佳的搭配与选择。 再广泛地一想，这种“一张一弛”的模式，不就像我们人类或其他生物的呼
吸模式吗？人嘛，总是不能一直呼气或一直吸气，那样的话（如果你愿意，可以 亲自试一下） 马上就感到头昏眼花。 所以， 在清华大学化工系的科学家的控制下， 金属催化剂就从一个冷冰冰的无生命的东西，仿佛变成了一个有生命的个体。 而从尺度上看，微小的金属颗粒析出碳纳米管的过程发在纳米尺上，而科学 家造出的反应器常常高达几米甚至几十米。这就是典型的运用宏观的，我们熟悉 的手段来进行纳米尺度上的调变。这里面充分体现的是科学家们的智慧。 大家试想一下， 这个科学家做的事， 是很枯燥啊？是不是很开心啊？应该说， 在想出这个办法来以后，这个问题（生长碳纳米管高效率与长寿命的统一）已经 困扰了科学界好多年，可以想见多少科学家头上增添了白头发，这个过程肯定是 枯燥，有压力的。但是一旦这个问题被破解了，是不是有些“众里寻它千百度， 摹然回首， 那人却在灯火阑珊处” 的味道？苦尽甘来的 “甘” ， 那才是相当的 “甘” 啊。
四
人类能像壁虎一样挂在天花板上吗？?
本人一直认为， 人类进步的动力是惊服于大自然的鬼斧神工。 大自然的造化。 上亿年的严酷自然环境，把动物们上天，上山，上树，钻地，下海的功夫逼到了 极致。 比如信天翁可以飞越珠穆朗玛峰；海鸥在一平如展的大海上没有落脚点，就 可以飞翔数千公里；老鹰在上千米的空中，可以清楚地看到草丛里的兔子；猴子 一高兴，可以从一棵摇晃的树上，横跨几十米地往下坠，跳到另一个树上。而许 多生物为了在深海里生存，可以把自己的骨骼结构进化的像一张薄纸那样平展。 老鹰的眼睛是光学系统的神奇与复杂，而信天翁，猴子与海里的生物给我们展现 的力学结构的坚韧，神奇与高效。 而说到力学结构的神奇与造化，还得数最好玩的壁虎。壁虎是一种很弱小的 动物，速度也不够快，你可以较轻易地抓住他。他想逃跑的话，必须以自断尾巴 为代价。但就是这样一个小的生物，却有着大多数动物不能及的本领。他可以在 非常平滑的墙壁上来去自如，而且有本事倒挂在天花板上掉不下来。这种本事让 人很仰视，很仰慕（你得昂头，伸颈看它） 。科学家或工程师对这种能力就更加 欣赏了。大家有空去看一些古岩洞里的壁面，或教堂里的绘画，最难的当然不是
四壁的作品，因为只要搭一个脚手架，人们就可以以比较舒服的姿势进行创作。 但天花板上的呢？不管怎么搭脚手架，你的姿势也是相当的别扭。当然，把脚手 架搭得贴近天花板，躺在那里创作的姿势除外（但那样上下就又不方便了） 。这 样，你就可以想像那些优秀的作品是如何艰难地呈现在我们面前的了。 另外，现代城市中的大楼已经突破了 700 米，有点高耸入云的感觉。这些地 方又是经济或权力或消费的中心，必须时刻保证良好的形象。外表光鲜就是很重 要的要求之一。如何打扫这些楼面的外墙，是不是也是非常费劲，费时与危险得 啊？在这些场合下，人们就开始羡慕壁虎了。有它那样的本事，不就结了吗？?
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图 12 壁虎 a 及壁虎脚的微观结构（b,c,d）及其粘坠力测量 e,f（注:壁虎脚用垂直于平 面的力，是不能将其脚面与平面分开的。只有将其脚的一边翘起，逐渐剥离，才能将其脚面 与粘附平面分离。 ）
科学家对壁虎的脚进行了详细研究， 发现了其中的奥妙(图 12)。 壁虎能够在 墙壁上快速攀爬，并很容易地与墙壁表面相分离，其主要原因是它脚垫上数百万 个微型刚毛，2002 年，加州大学伯克利分校的科学家证实了壁虎的刚毛充分利 用了范德华力（van der Waals forces），这是一种微弱的静电引力，只操作于
分子等级的接触表面。虽然壁虎的每根刚毛都非常微小，但是数百万根刚毛所产 生的范德华力足以让壁虎攀爬在光滑的表面上，即使倒悬挂在天花板上。
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图 13 结构 A.一个非常小的碳纳米管阵列块吊着一本大词典；B.C 碳纳米管阵列放大后的
因此，科学家就顺着这种思路合成了碳纳米管(图 13)，就像上面讲过的把碳 纳米管长成韭菜一样整齐，控制不同碳纳米管间的距离，就能够调变碳纳米管与 接触物体的作用力。从而以很大的接触面积来产生非常大的力。大家可以看到图 片中展示的，一个不到１毫米大小的碳纳米管小块就能挂得住一个大的砝码，一 本书。显示了强大的吸引力。 目前看来， 还没有哪种纳米结构会像碳纳米管这样神奇， 取得这么好的效果。 当然，这种结构也有其弱点，比如，如果碳纳米管表面上粘上了灰尘，其与天花 板间的粘附力就会大幅度下降。因此发展这种结构的自清洁功能也就非常重要， 值得人类继续去探索。 当然，也可以根据不同的思路来发展这种壁虎爬墙装置，美国匹兹堡市卡内 基－梅隆大学的科学家最新设计了坦克虫机器人，虽然没有利用类似刚毛的结 构，却利用了粘性弹力橡胶，基于范德华力吸附在物体表面(图 14)。这个机器人
有手掌一般大小，仅重 60 克，在两侧各有一个粘性的“坦克履带”。为了能够越 出障碍物并且有效地进行分离，这款机器人安装了一个具有弹跳能力的“U 形尾 巴”，当它移动行进时尾巴贴在物体表面上。在测试中，机器人不仅能够在光滑 的表面上倒悬挂式行进，甚至还可以负载着重物。这种粘性很强的机器人可以解 决家居生活中许多问题，比如：天花板刷油漆、清除蜘蛛网，同时，它还在环境 勘测、搜寻、修理甚至搜索营救任务中发挥着重要作用。
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图 14 机器人在光滑的水平与垂直表面进行移动?
五 如何让大飞机跑得更快更远，更省油？?
环境保护始终是人类生活与发展中的一大主题。以大城市为例，日益增加的 汽车数量不仅导致了交通堵塞，上下班消耗的时间太长。而且在低速行近中的小 汽车排出的尾气，也会严重污染环境。这些估计已经成了大家的共识。 但大家可能不太知道，目前在北京近 1 万平方公里的面积上行驶着的近 470 万辆小汽车，每天的耗油量与集中于首都机场内的近千架大型客机（图 15）的 耗油量差不多，排出的污染物也差不太多。大型飞机的耗油实在是太惊人了，而 一架飞机里只能坐几百人（中型客机只能坐百余人） 。而每个人摊上的油耗实在 是不得了。当然，现在看来，飞机这种快速高效的交通工具非但不能取消，而且 还得大力发展。要不然，利比亚动荡时，我们撤回的侨民该用多少天才能回到祖
国的怀抱呢？现在中国许多地方的出差，由于有了飞机，都可以早去晚回了。当 然，所以，目前的重心应该在于如何让大飞机跑得更快更远，而且更省油，显然 是一个非常重要的经济性，环保性的课题。当然，在军事方面，这种特征就更加 重要了。比如在二战期间，英国空军就是凭着优质航空油，使用同样的飞机，跑 得快，跑得远，才打败了德国空军。?
图 15
大飞机的外形结构?
如果从省油而且跑快，跑远的要求来看，在一定航油重量的前提下，就必须 大幅度地降低飞机的重量。而这就要关系到制造飞机的材料。先看一下汽车，汽 车里面除了金属，约有一半重量来自于橡胶轮胎，各种浇注的塑料，相比起金属 来，橡胶与塑料的密度要低得多，也要轻得多。而先进的汽车为了进一步减重， 也逐渐把发动机与汽车轮毂都从原来的钢铁结构，换成了轻质铝合金。因为铝的 密度为 2.7,钢铁的密度高达 7.8 。 而对于飞机来说，为了减重，早已经把大部分钢铁结构换成了铝镁合金了。 但现在来看，仍然有继续减重（轻质化）的必要。而减重还得涉及到整个飞机的 机械强度问题。大家试想一下，我们盖个小平房，为了牢靠，都巴不得要求使用 钢架混凝土结构， 而飞机有两三层楼那么高， 上百米长， 中间又大部分是空心的， 还要以 1000 公里/小时的速度在天上飞，承受狂风，暴雨。那不结实怎么行呢？ 因此，飞机的减重减到大量的材料学，需要使用强度抵得上钢材，铝合金，但重 量却要低得多的材料。 事实上，把塑料与碳纳米管复合起来，是个非常好的思路。两者都非常轻， 而碳纳米管的强度又非常强（前文说过，只有碳纳米管能够用来造到达月球的天 梯） 。只要比例适当，结构合理，就能得到一种神奇的既轻，又有强度，还有韧
性的多功能材料。注意，韧性在其中非常重要，飞机的翅膀非常大而且长，不能 在飞行过程中断折（那样就会严重的后果） ，需要像飞鸟的翅膀一样，既要有力 量，还要老用不坏。 经过这样不懈的努力，是会取得回报的。比如欧洲的 A380 空中客车大型飞 机，约使用了 30‐40%的复合材料来减轻重要，而美国最新研制备的波音 787‐8 飞机大致使用了近 50 %的复合材料。在飞越上万公里的征程中，你就知道后者 比前者多节省燃油，多环保了。 同样的道理，也可以用于大型舰船的减重，来提高速度，增加续航能力，在 民用与军用方面都是非常重要的。这里面也要提示大家一个血的教训。中日甲午 战争中，日本的舰船比清朝的跑得快，在接触战中，无论是许多军舰间保持战斗 阵型，还是单个舰艇的追逐，清军的战舰都吃了大亏。 但即使到目前，我国的各类飞机，舰船装备，仍然需要奋起直追。所以科学 的目的，不仅在于兴趣，普通价值，还重要的目的保家卫国。
六
古代打仗靠什么取胜？?
不知道大家有无看过李连杰演的电演《陈真》,在陈真与日本黑龙会教头格 斗时， 对方问他， 武学的真正意义是什么？陈真答曰： ‘是击倒对方’ 。 而对方说： “年轻人，击倒对方最好的武器是手枪” 。 事实上，手枪已经代表的现代战争的武器了。而即使在古代战争中，也无法 靠陈真所说的“武术”取胜。而是要依赖于长矛，大刀与宝剑，弓箭这样的冷兵 器（工具） 。而金庸的武打小说《倚天屠龙记》中的“宝刀屠龙，惟我独奠；倚 天不出，谁与争锋”应该表现的就是这种对于“武器”的崇拜。诸如此类的描述 很多，如我国经典四大名著之一《水浒传》中所写的“轻易砍断头发，杀人不沾 鲜血” “等等。其实大家真得可以想像一下，如果你拥有一柄削铁如泥的宝刀， 而对方拿的是一柄普通的刀，一接触对方的刀就被削断了，这还怎么玩？ 的确， 在古代冷兵器时代里， 所用兵器的材质最早是石头， 木头， 动物骨头， 后面就发展成为青铜，再后面发展为铁器。走得是一条先要要求有强度，再要求 有韧度与轻质的发展路线。?
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图 16 左：越王勾践剑； 右：大马士革刀?
目前，在长沙的博物馆里，还静静地躺着青铜时代的兵器代表－越王勾践剑 ( 图 16)。两千多年过去了，它依然寒光袭人，锋利如初。当然，关于中国古
代的名剑，还有干将，莫邪，鱼肠等。在世界范围来看，伊斯兰教诸族的大马士 革平面花纹刃（图 16）、马来诸族的糙面焊接花纹刃、日本平面碎段复体暗光 花纹刃分别代表着东西方的冷兵器铸造顶峰之一。 这些武器或多或少见证了腥风 血雨的战争年代与成就（注：这里只谈技术，不谈正义与非正义） 。 由于钢铁发现两千多年来，一直是人类使用金属的主体。这就产生了一个问 题，是什么东西或结构，使得彼刀强于此刀？最近科学家的研究在一个方面揭示 了好兵器的冰山一角。 越来在使用煤炭与木炭的炭火对金属进行反复锤炼与淬火 的过程中，碳在内部生成了碳纳米管，而碳纳米管与钢铁进行了有机结合，在保 持或提高其强度的同时，使其韧性更好（不易折） 。 这里需要强调，在今天这个已经能够大量制造碳纳米管的时代，国际上至少 有几千个研究团队正在耽精竭虑地思考如何来做好金属与碳纳米管的结合。 要知 道二者的性质差异极大，科研道路非常艰难。写到这里，不得不惊叹于古人的杰 出成就。虽然兵器的打造是无这方面的意识的，但打造积累下来的经验，仍然是 一条经得住时间检验的正确工艺路线。
七
碳纳米管能否走近人类的生活，还是已经在人类身边？?
故事写到这里，已经揭示了碳纳米管许多有趣的方面，自然而然产生了一个 问题。即碳纳米管仍是神话，传说，还是已经走近普通大众身边。 严格来说，揭示碳纳米管的结构，并掀起碳纳米管的研究热潮，在国际上也
就是 20 年时间。 但并不代表碳纳米管只存在人类生活 20 年。 大马士革刀早在几 百年前就有了。只不过拥有大马士革刀的人不知道，而且在刀中碳纳米管的含量 也少得可怜。然而，在另外一个行业（化工）里，碳纳米管存在的时间也足够长， 量也足够大。 大家都知道，化肥的出现，才使得现代农业成为可能。不管人类如今有多厌 恶使用化肥生产的作物，如何地青睐纯有机肥得到的绿色食品。但不容否定的事 实是， 如果没有化肥 （合成氨出在 1900 年前后） ， 人类就无法得到如此多的粮食。 那么地球目前所能承载的人口绝到不了 60‐70 亿，而或许只有目前的 1/6‐1/3。 大家也都知道，著名的科学期刊《科学》曾把石油化工选为“人类二十世纪 最伟大的发明创造”中的二十项发明之一。石油化工就是在高温下使用催化剂把 原油变成汽油，柴油，煤油，润滑油，以及三烯（乙烯，丙烯，丁二烯） ，三苯 （苯，甲苯，二甲苯） 。汽，柴煤油把人们从牛拉车，骑马的社会，一下子前进 到了普通人可以像杨贵妃那样吃新鲜荔枝 （ “一骑红尘妃子笑， 无人知是荔枝来” ） 的年代。而以三烯，三苯为基础合成的塑料，化纤衣物，药物，发胶，尼龙袜， 饮料瓶等等，才在真正意义上支撑了现代文明。?
图 17 沸石催化剂上的碳丝?
而有意思的是，无论在化肥或石油化工的生产过程中，最需要有一些高温的 催化剂过程中，有机物不可避免地金属催化剂上变成了碳（图 17） 。而为了恢复 催化剂的活性，常常会把这些碳全部烧掉。或采用适当的工艺条件避免碳的产生 （比如在天然气合成化肥的过程中，多加点水，在高温下水与碳能够生成 CO 或 CO2 而可以直接避免碳的产生） 。当时，研究手段不发达，没有可以放大几十万
倍的电子显微镜，所以不知道这些生成的碳的结构。而到了今天，高性能的高分 辨透射电子显微镜或扫描电子显微镜比比皆是，已经成为科研的常态工具。随便 一照，就发现当年化工界的科学家与工程师最痛恨与最想除掉的碳，竟然就是今 天包括材料学家，物理学家，化学家，机械专家，仪器专家，电子通讯专家以及 产业界都梦寐以求想得到的碳纳米管。委实可以算是个国际大玩笑。 而在今天，大家人人玩手机，大家可知道目前在中国市场上生产的手机电池 几乎全部掺有碳纳米管？碳纳米管的用途是在里面增加导电性，降低内阻，延长 锂离子电池的寿命。 而这种特性对于 Iphone?4 或 Ipad2 这种高级玩意至关重要。
想一想， 游戏虽然好玩， 但天天得充电， 是不是也很不爽啊？不过在此提醒大家， 锂离子电池结构复杂，大家不能为一睹里面碳纳米管的真面目而去拆解手机电 池。一方面，碳纳米管太小，你看不见。另一方面，也是最重要的一方面，不正 确拆解锂离子会爆炸噢。 基于同样的增加导电性的原理，在三两年里，您骑的电动自行车的电池中， 也将掺有碳纳米管了。另外，在未来十年时间里，碳纳米管也会被加到汽车的动 力电池中，真正地行驶在马路上。到时，我们依赖汽油的交通时代就会越来越快 到尽头了。 另外，碳纳米管透明导电薄膜已经比较成熟，将来您拿到的触摸屏手机会有 很大部分是基于碳纳米管的触摸屏，而不是稀有的 ITO 材料（氧化铟等）了，到 真正大量使用的那一天，您的手机的价格会进一步下降。毕竟，碳是地球上最丰 富的元素之一， 可以说是取之不尽， 用之不竭。 而稀土元素？就不是那么回事了。 在此说明，大家可能听过纳米领带，纳米洗衣机，纳米冰箱。那些产品里加 的是别的纳米材料，而不是碳纳米管。
八
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碳纳米管影响人类身体吗？?
在清华大学化工系的实验室，有着用麻袋装的大量碳纳米管。在十年里，约 有上百个国际的研究团体与知名教授来这里参观过。 因为这里是国际上最大的碳 纳米管生产基地。而大家都好奇大多数科学家只能得到几克级的产品，为啥在这 里能够轻易地得到以吨计的碳纳米管(图 18)。?
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
碳纳米管综述 摘要：本文主要介绍碳纳米管的发现及发展过程，并说明碳纳米管的制备方法及其制备技术。同时也叙述碳纳米管的各种性能与应用。 引言：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。 正文： 碳纳米管的制备： 碳纳米管的合成技术主要有：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。电弧法 利用石墨电极放电获得碳纳米管是各种合成技术中研究得最早的一种。研究者在优化电弧放电法制取碳纳米管方面做了大量的工作。 T. W. Ebbeseo[2]在He保护介质中石墨电弧放电，首次使碳纳米管的合成达到了克量级。为减少相互缠绕的碳纳米管在阴极上的烧结，D.T.Collbert[3]将石墨阴极与水冷铜阴极座连接，大大减少了碳纳米管缺陷。C. Journet[4]等在阳极中填人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。 综上所述，电弧法在制备碳纳米管的过程中通过改变电弧放电条件、催化剂、电极尺寸、进料方式、极间距离以及原料种类等手段而日渐成熟。电弧法得到的碳纳米管形直，壁簿(多壁甚至单壁).但产率偏低，电弧放电过程难以控制，制备成本偏高其工业化规模生产还需探索。 催化裂解法或催化化学气相沉积法(CCVD) 催化裂解法是目前应用较为广泛的一种制备碳纳米管的方法。该方法主要采用过渡金属作催化剂，适于碳纳米管的大规模制备，产物中的碳纳米管含量较高，但碳纳米管的缺陷较多。 催化裂解法制备碳纳米管所需的设备和工艺都比较简单，关键是催化剂的制备和分散。目前用催化裂解法制备碳纳米管的研究主要集中在以下两个方面：大规模制备无序的、非定向的碳纳米管;制备离散分布、定向排列的碳纳米管列阵。一般选用Fe, Co、Ni及其合金作催化剂，粘土、二氧化硅、硅藻土、氧化铝及氧化镁等作载体，乙炔、丙烯及甲烷等作碳源，氢气、氮气、氦气、氩气或氨气作稀释气，在530℃~1130℃范围内，碳氢化合物裂解产生的自由碳离子在催化剂作用下可生成单壁或多壁碳纳米管。1993年Yacaman等人[5]采用此方法，用Fe催化裂解乙炔，在770℃下合成了多壁碳纳米管，后来分别采用乙烯、聚乙烯、丙烯和甲烷等作为碳源，也都取得了成功。为使碳离子均匀分布，科研人员还用等离子加强或微波催化裂解气相沉积法制备碳纳米管。 激光蒸发法
碳纳米管性质及应用 摘要:碳纳米管的发现是现代科学界的重大发现之一。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。本文简单综述碳纳米管的基本性质及应用。 关键词：碳纳米管；结构；制备；性质；应用 1 碳纳米管的发现 1991年，日本NEC科学家Lijima在制取C60的阴极结疤中首次采用高分辨隧道电子显微镜(HRTEM)发现一种外径为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，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[1]。 2 碳纳米管的结构 碳纳米管（CNT）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。MWNTs一般由几层到几十层石墨片同轴卷绕构成，层间间距为0.34nm左右，其典型的直径和长度分别为 2-30nm0.1-50μm.SWNTs由单层石墨片同轴卷绕构成，其侧面由碳原子六边形排列组成，两端由碳原子的五边形封顶。管径一般从10-20nm，长度一般可达数十微米，甚至长达20cm[2]。 3碳纳米管的制备 碳纳米管的合成技术主要有：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。 3.1电弧法利用石墨电极放电获得碳纳米管是各种合成技术中研究得最早的一种。研究者在优化电弧放电法制取碳纳米管方面做了大量的工作.T. W. Ebbeseo在He保护介质中石墨电弧放电，首次使碳纳米管的合成达到了克量级。为减少相互缠绕的碳纳米管在阴极上的烧结，D.T.Collbert将石墨阴极与水冷铜阴极座连接，大大减少了碳纳米管缺陷。C. Journet等在阳极中填人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。 综上所述，电弧法在制备碳纳米管的过程中通过改变电弧放电条件、催化剂、电极尺寸、进料方式、极间距离以及原料种类等手段而日渐成熟。电弧法得到的碳纳米管形直，壁簿(多壁甚至单壁).但产率偏低，电弧放电过程难以控制，制备
碳纳米管复合材料生产制造项目 申报材料 投资分析/实施方案
碳纳米管复合材料生产制造项目申报材料 一些有机溶剂（如NMP）可分散和剥离碳纳米管，在有机溶剂中可对石墨进行剥离并得到无缺陷的石墨烯，并且得到的石墨烯产量大没有表面化 学修饰。 该碳纳米管复合材料项目计划总投资13652.07万元，其中：固定资产 投资10591.43万元，占项目总投资的77.58%；流动资金3060.64万元，占项目总投资的22.42%。 达产年营业收入20728.00万元，总成本费用16464.61万元，税金及 附加212.10万元，利润总额4263.39万元，利税总额5063.54万元，税后 净利润3197.54万元，达产年纳税总额1866.00万元；达产年投资利润率31.23%，投资利税率37.09%，投资回报率23.42%，全部投资回收期5.77年，提供就业职位368个。 报告根据项目的经营特点，对项目进行定量的财务分析，测算项目投 产期、达产年营业收入和综合总成本费用，计算项目财务效益指标，结合 融资方案进行偿债能力分析，并开展项目不确定性分析等。 ...... 碳纳米管具有独特的导电性、很高的热稳定性和本征迁移率，比表大，微孔集中在一定范围内，满足理想的超级电容器电极材料的要求。碳纳米
管的电磁效应同样存在着两端正负极场和单极粒子的特质性质，前者是以复合量子态的存在，是在下面第5行成复合材料人们的生活应用，而后着的单极碳粒子的性质是可以组成粒子点阵跃迁跳跃的纳米线，它的能效要有更高的辐射能量存在。
碳纳米管复合材料生产制造项目申报材料目录 第一章申报单位及项目概况 一、项目申报单位概况 二、项目概况 第二章发展规划、产业政策和行业准入分析 一、发展规划分析 二、产业政策分析 三、行业准入分析 第三章资源开发及综合利用分析 一、资源开发方案。 二、资源利用方案 三、资源节约措施 第四章节能方案分析 一、用能标准和节能规范。 二、能耗状况和能耗指标分析 三、节能措施和节能效果分析 第五章建设用地、征地拆迁及移民安置分析 一、项目选址及用地方案
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。 电弧放电法 碳纳米管制备 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：将石墨电极置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，并且得到的往往都是多层碳纳米管，而实际研究中人们往往需要的是单层的碳纳米管。此外该方法反应消耗能量太大。有些研究人员发现，如果采用熔融的氯化锂作为阳极，可以有效地降低反应中消耗的能量，产物纯化也比较容易。 发展出了化学气相沉积法，或称为碳氢气体热解法，在一定程度上克服了电弧放电法的缺陷。这种方法是让气态烃通过附着有催化剂微粒的模板，在800~1200度的条件下，气态 烃可以分解生成碳纳米管。这种方法突出的优点是残余反应物为气体，可以离开反应体系，得到纯度比较高的碳纳米管，同时温度亦不需要很高，相对而言节省了能量。但是制得 的碳纳米管管径不整齐，形状不规则，并且在制备过程中必须要用到催化剂。这种方法的主要研究方向是希望通过控制模板上催化剂的排列方式来控制生成的碳纳米管的结构，已经取得了一定进展。 激光烧蚀法 激光烧蚀法的具体过程是：在一长条石英管中间放置一根金属催化剂/石墨混合的石墨靶，该管则置于一加热炉内。当炉温升至一定温度时，将惰性气体冲入管内，并将一束激光聚焦于石墨靶上。在激光照射下生成气态碳，这些气态碳和催化剂粒子被气流从高温区带向低温区时，在催化剂的作用下生长成CNTs。 固相热解法
碳纳米管科普 骞伟中?
一 心细如发，发真得够细吗？?
中国有句谚语为＂心细如发＂，用来形容一个人的心思缜密，细微程度达 到了头发丝的尺寸。 在古人的眼里， 头发丝已经是非常细的东西的代表了。 或者， 人们形容薄时，爱用“薄如蝉翼” ，但蝉翼真得够薄吗？然而，大家知识头发丝 的直径或蝉翼的厚度是什么尺度的吗？仅仅是几十微米而已。 有没有比头发丝更 细的丝及比蝉翼更薄的纸吗？ 事实上还多得很。 比如铜丝，现代的加工技术可以将铜丝拉伸到小于 10 微米的级别。用于光 导通讯的玻璃纤维丝，也能达到这个级别。 而更绝的是，用激光刻蚀可以在硅片上刻出几十纳米（nm）的细槽，从而成 为现代超级计算机的基础。 但你可能更加想不到的是， 人类真得造出了直径仅 0.4‐1nm 的碳丝(图 1)， 而 且还是中空结构。这种材料与头发丝相比，直径小了 1 万倍。另外一种比喻可以 让你进一步想象 1nm 有多大，人的指甲的生长速度几乎是不为人察觉的。人一 般觉得指甲长了，总得一周左右 的时间。但即使这样，您的指甲 仍以每秒 1nm 的速度在不停地生 长。但由于一个分子的大小也就 在 0.3nm(如氢气分子)到 0.6 nm(如苯分子)，所以你可以想象 这种碳丝在本质上就是一种原子 线或分子线。但它的确构成了一 种长径比巨大的固体材料，成为 一种实物，而不再是无所束缚的， 到处乱跑的分子或原子。
图1 碳纳米管的三种卷曲结构 （从上而下的英文 字形结构；手性结构）?
armchair
zigzag
chiral
为：扶手椅式结构；Z
实际上， 这种神奇的材料的发现是基于非常偶然的机缘。 在 1985‐1990 年间， 科学家热衷于制造一种形状像足球的由 60 个碳组成的分子。这种分子通常是用 电弧放电，将石墨靶上的碳原子进行激发，然后进行自组装而得。而在偶然的机 缘里，科学家发现，只要能量足够，这些碳原子就会自动连接起来，形成一条碳 链。而利用放大倍数在 10 万倍至 100 万倍的电子显微镜下，科学家惊异地发现 这个丝状的材料竟然是中空的管状材料，所以，根据其元素，尺寸与形状，科学 家形象地称这种材料为“碳纳米管” 。应该说这种丝状材料与头发相比，才是真 正算得上细与小。当然如果说一个人“心细如碳纳米管” ，则恐怕不只是“心细 如发”的赞许与褒扬，而或许带有一种调侃或讽刺意味的“小心眼”了。由此可 见，社会科学中的词语包含了粗与细的平衡，什么事都得适可而止，非常玄妙。 然而，在追求真理与真知的“实心眼”科学家那里，却不是这样，自从 C60 与碳纳米管的发现，人类正式进行了纳米时代，可能大家都听过“纳米领带” ， “纳米洗衣机” 或 “纳米药物” 。 不论这些东西是否属实， 却毫无疑问地夸耀 “细” 与“小”的作用。 事实上，追求细小或细微或精细，是人类科技进步的一条主线。 从人类走过的路程可以看到，从旧石器时代，新石器时代，以及青铜时代， 铁器时代，到火车轮船时代，以及飞机及计算机时代。从手工打造，铸造，到普 通车床加工， 再到数字车床加工， 激光刻蚀。 比如， 普通汽车与拖拉机的发动机， 一般有成千至万个零件。而飞机或火箭的发动机则有上百万个零件组成。而保证 这个零件良好组合或密封，以及长时间工作不损伤的关键因素，就在加工结构的 精细化与细微化。一般来说，汽车与拖拉机对应的加工精度为微米级，而计算机 与手机等通讯产品中硅片的加工精度则为纳米级。人类加工的产品越来越精细， 也就越来越有功能。而到达纳米级后，计算机硅片的加工要求又从 100 nm，小 到 60?nm，直到目前的 15?nm。这些数字减小的后面，是一代一代计算机的更新 换代与巨大的产业价值。 而我们故事的主人公：碳纳米管，竟然可以小至 0.4‐1nm。大家可以想见， 如果计算机的加工基础可以小到这个程度，或由这么小的材料来组装器件，则现 代的工业革命又将会发生什么样的变化。 在此开篇，有必要向大家介绍一下时空的概念。在时间尺度上，生物的新陈
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
碳纤维和碳纳米管的区别 碳纤维（carbon fiber，简称CF），是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维“外柔内刚”，质量比金属铝轻，但强度却高于钢铁，并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。 碳纤维具有许多优良性能，碳纤维的轴向强度和模量高，密度低、比性能高，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，X射线透过性好。良好的导电导热性能、电磁屏蔽性好等。 碳纤维与传统的玻璃纤维相比，杨氏模量是其3倍多；它与凯夫拉纤维相比，杨氏模量是其2倍左右，在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性突出。 碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构，具有许多异常的力学、电学和化学性能。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。 碳纳米管，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。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，·石墨烯·分子筛·碳纳米管·黑磷·类石墨烯·纳米材料 江苏先丰纳米材料科技有限公司是国际上提供石墨烯产品很早的公司之一，现专注于石墨烯、
约0.34nm，直径一般为2~20 nm。并且根据碳六边形沿轴向的不同取向可以将其分成锯齿形、扶手椅型和螺旋型三种。其中螺旋型的碳纳米管具有手性，而锯齿形和扶手椅型碳纳米管没有手性。 碳纳米管是中空的，属于纳米级别的，肉眼看不见，有单壁和多壁不同层数的，而炭纤维是微米级别的，比头发丝细但是肉眼肯见，都是碳材料家族的成员。 先进纳米材料制造商和技术服务商——江苏先丰纳米材料科技有限公司，2009年成立以来一直在科研和工业两个方面为客户提供完善服务。科研客户超过一万家，工业客户超过两百家。 南京先丰纳米材料科技有限公司2009年9月注册于南京大学国家大学科技园内，现专注于石墨烯、类石墨烯、碳纳米管、分子筛、银纳米线等发展方向，立志做先进材料及技术提供商。 2016年公司一期投资5000万在南京江北新区浦口开发区成立“江苏先丰纳米材料科技有限公司”，建筑面积近4000平方，形成了运营、研发、中试、生产全流程先进纳米材料制造和技术服务中心。现拥有石墨烯粉体、石墨烯浆料和石墨烯膜完整生产线，2017年年产高品质石墨烯粉末50吨，石墨烯浆料1000吨。 欢迎广大客户和各界朋友莅临我司指导！欢迎电话咨询或者登陆我们的官网进行查看~ ·石墨烯·分子筛·碳纳米管·黑磷·类石墨烯·纳米材料 江苏先丰纳米材料科技有限公司是国际上提供石墨烯产品很早的公司之一，现专注于石墨烯、
碳纳米管的制备方法 摘要：本文简单介绍了碳纳米管的结构性能，主要介绍碳纳米管的制备方 法， 包括石墨电弧法、催化裂解法，激光蒸发法等方法,也对各种制备方法的优缺 点进行 了阐述。 关键词：碳纳米管制备方法 Preparation of carbon nanotubes Abstract： The structure and performance of carbon nanotubes are briefly introduced, and some synthesis methods, including graphite arc discharge method, catalytic cracking method, laser evaporation method and so on, are reviewed. And the advantages and disadvantages of various preparation methods are also described. Key words：carbon nanotubes methods of preparation 纳米材料被誉为是21世纪最重要材料，是构成未来智能社会的四大支柱之一 ,而碳纳米管是纳米材料中最富有代表性，并且是性能最优异的材料。碳纳米管是碳 的一种同素异形体，它包涵了大多数物质的性质，甚至是两种相对立的性质，如从高 硬度到高韧性，从全吸光到全透光、从绝热到良导热、绝缘体/半导体/高导体和高临界温度的超导体等。正是由于碳纳米材料具有这些奇异的特性，被发现的短短十几年
来，已经广泛影响了物理、化学、材料等众多科学领域并显示出巨大的潜在应用前景。 碳纳米管又名巴基管，即管状的纳米级石墨晶体。它具有典型的层状中空结构， 构成碳纳米管的层片之间存在一定夹角，管身是准圆筒结构，并且大多数由五边形截 面组成，端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构。是一种具有特殊结构（径向 尺寸为纳米量级、轴向尺寸为微米两级，管子两端基本上都封口）的一维纳米材料。 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。单层碳纳米管结构模型如图1所示。理想的多层碳纳米管可看成多个直径不等的单层管同轴套构而成，层数可以从二层到几十层，层与层之间保持固定距离约为0.34nm，直径一般为2~20nm.但实际制备的碳纳米管并不完全是直的或直径均匀的，而是局部 1 区域出现凸凹弯曲现象，有时会出现各种形状如L、T、Y形管等。研究认为所有这 些形状的出现是由于碳六边形网络中引入五边形和七边形缺陷所致。五边形的引入引 起正弯曲，七边形的引入引起负弯曲。
碳纳米管复合吸波材料研究进展 电磁波吸收材料在国防民生等领域有重要的应用，早期的吸波材料主要采用的是铁氧体、磁性金属微粉等，这些材料具有高密度，窄吸收频带等缺点，极大地限制了其实际应用。为实现对电磁波“薄轻宽强”的吸收效果，研发新型高效吸波材料意义重大。文章对近年来碳纳米管复合吸波材料的发展状况作了简要的介绍，并对未来碳纳米管基复合吸波材料的发展趋势进行了展望。 标签：电磁波吸收；碳纳米管基；复合材料 Abstract：Electromagnetic wave absorbing materials have important applications in the fields of national defense and people’s livelihood. The early absorbing materials mainly used ferrite，magnetic metal powder and so on. These materials have the shortcomings of high density，narrow absorption frequency band and so on. It greatly limits its practical application. In order to realize the absorbing effect of electromagnetic wave “thin，light，wide and strong”，it is of great significance to develop a new type of high efficient absorbing material. In this paper，the development of carbon nanotube composite absorbing materials in recent years is briefly introduced，and the development trend of carbon nanotube based composite absorbing materials in the future is prospected. Keywords：electromagnetic wave absorption；carbon nanotube matrix；composite materials 引言 电子信息技术的迅猛发展使电磁环境的改善和兼容问题变得日益重要。吸波材料在电磁环境改善，电磁防护等军事、民生领域的应用价值越来越突出，研发新型高效电磁波吸收材料意义重大。早期，铁氧体，磁性金属微粉等高磁损耗材料是吸波材料的研究热点。但是其具有密度大，吸波频带窄，易被氧化腐蚀等缺点，难以满足现代复杂多样的综合性能要求，因而在实际应用中受到极大限制。 随着技术的不断进步，吸波材料的综合性能也越来越强。具有轻质，耐腐，高强度等优势的碳纳米管及其复合吸波材料吸引了众多研究人员关注。 1 碳纳米管复合吸波材料研究现状 1.1 碳纳米管-聚合物复合材料 碳纳米管具有极大的长径比和小尺寸效应，其电损耗性能尤为突出。在量子限域效应作用下，碳纳米管的电子沿轴向方向移动，赋予碳纳米管金属和半导体的性质，利于电磁波的吸收。将碳纳米管与纳米粒子，高分子聚合物等材料复合可实现各组分的优势互补，更加有效的利用碳纳米管的特性，提高复合材料的吸
碳纳米管项目规划方案 投资分析/实施方案
摘要 碳纳米管（CarbonNanotubes,CNTs）是一种同轴管状结构的碳原子簇，其管径与管之间相互交错的缝隙都属于纳米数量级，根据管壁的层数可以 将CNTs分为单壁碳纳米管（SWCNTs）和多壁碳纳米管（MWCNTs）。碳纳米 管自被发现以来就因为其优异的电学、力学、化学等性能，在多项领域中 显示出巨大应用潜力。（1）在锂电池领域，碳纳米管凭借优异导电性能， 被广泛应用于锂电池新型导电剂。（2）在导电塑料领域，碳纳米管凭借其 优越的导电性能和力学性能，用来提升导电塑料的导电性和结构强度，已 经显现出巨大的应用价值。 该碳纳米管项目计划总投资13049.30万元，其中：固定资产投资10161.66万元，占项目总投资的77.87%；流动资金2887.64万元，占 项目总投资的22.13%。 本期项目达产年营业收入27616.00万元，总成本费用22003.91 万元，税金及附加232.83万元，利润总额5612.09万元，利税总额6619.00万元，税后净利润4209.07万元，达产年纳税总额2409.93万元；达产年投资利润率43.01%，投资利税率50.72%，投资回报率 32.26%，全部投资回收期4.60年，提供就业职位480个。
碳纳米管项目规划方案目录 第一章基本信息 一、项目名称及建设性质 二、项目承办单位 三、战略合作单位 四、项目提出的理由 五、项目选址及用地综述 六、土建工程建设指标 七、设备购置 八、产品规划方案 九、原材料供应 十、项目能耗分析 十一、环境保护 十二、项目建设符合性 十三、项目进度规划 十四、投资估算及经济效益分析 十五、报告说明 十六、项目评价 十七、主要经济指标
德国碳纳米管及石墨烯的发展概况 碳纳米管和石墨烯是世界材料行业飞速发展的产物，因为它们代表着更高的性能，更轻的质量，更可靠的环保责任。德国在该领域的研究虽然起步较晚，但随着其后续大量的投入，已经让它成为世界上相关产品研发的领跑者。碳纳米管和石墨的发展前景虽被看好，但高昂的制备成本和较低的产量却严重遏制其大规模应用。 图为：单壁碳纳米管（左），多壁碳纳米管（右） 随着行业对于材料性能的要求越来越高，传统材料的发展占空间逐渐走向萎缩，而高新科技材料将会取而代之成为行业选择的未来之路。众所周知，碳纳米管（CNTs）和石墨烯（graphene）及其复合材料因其卓越的电气及机械特性，已经在诸多领域，如光电，传感器，半导体器件，显示器，指挥，智能
纺织品和能量转换装置（例如，燃料电池，收割机和电池）等，显示出巨大的应用潜能。 从化学结构看，碳纳米管（CNTs）可以用作有机或无机半导体的替代物，但高昂的成本是目前限制其广泛用的最大难题。然而，碳纳米管作为一种新型材料有望在不久的将来实现成本低廉化大规模生产。 在电子学应用领域（电磁屏蔽除外），碳纳米管最大的用途是导体。它不仅具有高电导率，其材料还能呈现透明状，使用起来非常灵活便于拉伸。因此可以取代ITO，用于制作显示器，触摸屏，光电与显示母线和其他产品。经实验证明，碳纳米管的迁移率高于硅，这就意味着碳纳米管可以用于制造快速转换晶体管。此外，碳纳米管能够用于制备高性能的大面积加工设备，如印刷设备，从而帮助提高生产工艺，并显著降低生产成本。碳纳米管还适用于制造超级电容器，其原理是通过利用电容和晶体管的功率密度来平衡电池的能量密度，从而达到弥合电池和电容器的差距的目的。 从目前发展程度来看，碳纳米管的最大挑战是材料纯度，设备制造，以及对其他设备材料（如适当的电介质）的需要。但毋庸置疑的是其无法超越的性能优点（比如高性能，灵活
《高强度新型碳纳米管纤维研制成功》阅读及答案 高强度新型碳纳米管纤维研制成功（4分） ①英国剑桥大学材料科学教授阿兰?魏德尔与美国陆军兵士钻研开发中心的钻研人员共同研制出一种新型碳纳米管纤维。该碳纳米管纤维上最懦弱的处所也需要1吉帕斯卡的应力才能折断，强度足以与钢铁相媲美。 ②碳纳米管是一种棉线状的碳份子，带有仅一个原子厚度的壁。尽管它们拥有无比强的导电机能，但可靠性难以保证。为了制作这种超强纤维，魏德尔在热炉中将碳汽化，然后吹出一股碳纳米管流。当这些碳纳米管在空中被捕获并缭绕一个轴旋转时，就会构成一根由数十亿个份子组成的纤维，而这些份子沿着碳纳米管紧密排列在一起。 ③钻研人员认为，强度的改良主要取决于缠绕速度，以便将碳纳米管更好地排列成线和更紧密地包裹起来。钻研人员通过调理炉温和调剂缠绕速度优化制作工艺，制作出的纤维强度较其他小组制作的要高出0.3倍。为了使制作的纤维密度更大，他们还在制作工艺中增添了一个步骤，让纤维通过丙酮气体。丙酮气体可在纤维上凝结成一层液体，因为表面张力效应将纳米管拉在一起，从而增强纤维强度。 ④新碳纳米纤维一般要在施以大约6吉帕斯卡的应力时才产生断裂，强度要高于制造防弹背心的经常使用材料芳纶，而且可与两种最高强度的商业材料——基纶和迪尼玛相对抗。目前，钻研人员已制作出一根单独的超强碳纳米管纤维，可经受9吉帕斯卡的应力，表现出拥有无与伦比的超强机能，而用别的法子制作的碳纳米管纤维至多可经受3吉帕斯卡的应力。
⑤魏德尔目前能制作出的最佳纤维长度仅为1毫米，这主要是因为纤维越长，包括的细微碳颗粒和其他缺点就越有可能削弱它的强度。即使调理制作工艺，如调剂缠绕速度和利用丙酮法子，都不能扭转这些碳素颗粒，因而必需回到化学合成的法子来解决这种问题。钻研人员称，这种纤维最具前景的利用或许是制作防弹衣和开采油气钻头。 12．第④段利用了哪些说明法子？有何作用？（2分） 13．第⑤段中加点的“目前”能否删去？为何？（2分） 参考答案： 12.作对比、列数字（1分）。具体准确地说明新型纳米纤维强度之高。（1分） 13．不能。“目前”限制了时间，不排除今后能制作出更好的纤维长度，如果去掉就排除了这种可能性，所以不能去掉。“有可能”体现了说明文语言的准确性。
有关碳纳米管复合材料的探讨(doc 9页)
有关碳纳米管复合材料的研究 摘要：自从上个世纪末纳米技术的出现，纳米材料的独特性能引起人们的广泛关注。把纳米材料与高分子材料复合，制备高性能和功能化的复合材料成为高分子材料领域的热点之一。作为纳米材料领域之一的碳纳米管（CNTs）具有独特的物理性能，是一种具有纳米直径的管状碳纤维，它具有超强的韧性和强度以及优异的导电性能。通过不同的复合方法可制备出增强、导电和电磁屏蔽的优异性能的材料，具有广泛的应用前景。 本论文通过不同的方法制备了不同高分子基碳纳米管复合材料，研究了CNTs在基体中分散状况和复合材料的力学、热学和导电性能，并探讨了CNTs对复合材料的结构和性能的影响。 关键词：纳米材料碳纳米管复合材料 前言：由于高分子材料来源丰富、制造方便、加工容易、节省能源和投资、效益显著、品种繁多、用途广泛，因而在材料领域占有的比重越来越大。但是随着科学技术的发展以及人们生活水平的提高，对高分子材料不断提出各种各样的新要求，使高分子材料科学的发展呈现出高性能化、功能化、复合化、精细化和智能化的趋势。而纳米技术的出现则为材料科学的发展带来革命性的变化，为高性能、功能化的材料开创了新的领域。因而世界上许多国家把纳米材料的开发放在了特别重要的位置，并形成一股纳米复合材料的热潮[1]。 纳米材料是指平均粒径在纳米级（1-100nm）范围内的固体材料的总称。而作为其中重要的一个部分则是聚合物/无机纳米粒子复合材料，一般是指以有机高分子聚合物为连续相与纳米粒子进行复合而得到的复合材料。这种材料能够充分的结合高分子材料以及纳米粒子所具有的特性，大大的扩展了高分子材料的应用领域，而成为纳米材料里的研究热门。 1、纳米材料的特性 1992年国际纳米材料会议对纳米材料定义如下:一相任一维的尺寸达到 100nm以下的材料为纳米材料[2]。由此可知,纳米材料的几何形状既可以是粒径小于100nm的零维纳米粉末,也可以是径向尺寸小于100nm的一维纳米纤维或二维纳米膜、三维纳米块体等。纳米材料的材质可以是金属或非金属;相结构可以是单相或多相;原子排列可以是晶态或非晶态。当物质进入纳米级后,其在催化、光、电、热力学等方面都出现特异化,这种现象被称为“纳米效应”。具体表现在以下几个方面： （1）表面效应