神奇的储氢材料——碳纳米管
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碳纳米管简介潘春旭===================================武汉大学 物理科学与技术学院地址:430072湖北省 武汉市 武昌区 珞珈山电话:027-8768-2093(H);8721-4880(O)传真:027-8765-4569E-Mail: cxpan@;cxpan@个人网页:/cxpan===================================1. 什么是碳纳米管?1991年日本NEC公司的饭岛纯雄(Sumio Iijima)首次利用电子显微镜观察到中空的碳纤维,直径一般在几纳米到几十个纳米之间,长度为数微米,甚至毫米,称为“碳纳米管”。
理论分析和实验观察认为它是一种由六角网状的石墨烯片卷成的具有螺旋周期管状结构。
正是由于饭岛的发现才真正引发了碳纳米管研究的热潮和近十年来碳纳米管科学和技术的飞速发展。
按照石墨烯片的层数,可分为: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0.75~3nm和1~50μm。
又称富勒管(Fullerenes tubes)。
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。
无论是多壁管还是单壁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1 碳纳米管原子排列结构示意图2. 碳纳米管的独特性质1) 力学性能碳纳米管的抗拉强度达到50~200GPa,是钢的100倍,密度却只有钢的1/6,至少比常规石墨纤维高一个数量级。
碳纳米管的特点
碳纳米管是由碳原子形成的细长管状结构,直径只有几纳米到几十
纳米,长度则可以达到数百微米。
它具有众多的特点,使得它成为当
今最受关注的材料之一。
首先,碳纳米管是一种非常强硬的材料。
其强度超过了钢铁,是同等
质量的钢材的100倍。
这种强度源于碳纳米管中的键结构。
碳原子之
间的键具有非常强的共价作用力,使得碳纳米管能够承受非常大的拉
力和压力。
其次,碳纳米管是一种非常轻的材料。
以直径1纳米的碳纳米管为例,它的质量只有钢铁的1/6,玻璃的1/3。
这种轻巧的特点使得碳纳米管
具有很好的可塑性和可加工性。
另外,碳纳米管是一种非常好的电导材料。
由于碳原子之间的键结构,碳纳米管能够有效地传导电子。
这种电导特性使得碳纳米管在电子学
领域具有广泛的应用前景,例如可制造出非常小型化的电子元件。
此外,碳纳米管还具有非常好的导热性能。
由于它的结构和电导特性,碳纳米管不仅可以传导电子,还可以传导热量。
这种特性使得碳纳米
管成为热管理材料的理想选择。
最后,碳纳米管还具有非常好的吸气和吸附能力。
由于其纳米尺度的
孔隙结构和大比表面积,碳纳米管能够吸附和存储气体、液体等物质。
这种特性使得碳纳米管在能源存储、环保等领域有着广泛的应用前景。
总之,碳纳米管具有强硬、轻巧、导电、导热以及吸附等众多的特点,使得它在诸多领域都具有广泛的应用前景。
随着新一代材料技术的发展,碳纳米管将会得到越来越广泛和深入的应用。
碳纳米管材料的介绍碳纳米管是一种由碳原子构成的纳米材料,具有许多独特的性质和应用潜力。
它的发现引起了科学界的广泛关注和研究。
碳纳米管具有极高的强度和刚度。
由于碳原子之间的键合非常强大,碳纳米管能够承受很大的拉伸力和压缩力,使其具有很强的抗弯曲性能。
这使得碳纳米管成为一种理想的材料,用于制造轻巧但坚固的结构,如飞机和汽车部件。
碳纳米管具有优异的导电性和导热性。
碳纳米管内部存在着一维的碳原子排列,使得电子在其内部能够自由传输,形成了高效的电子输运通道。
因此,碳纳米管被广泛应用于电子器件领域,如晶体管和纳米电线等。
同时,碳纳米管还具有良好的热导性能,使其成为制造高效散热器和热电材料的理想选择。
碳纳米管还具有丰富的表面化学活性和高比表面积。
碳纳米管的表面可以通过化学修饰来引入不同的功能团,从而赋予其特定的化学性质和应用功能。
例如,通过在碳纳米管表面引入亲水性团体,可以制备出具有优异吸附能力的纳米过滤器。
而碳纳米管的高比表面积则使其成为一种理想的催化剂载体,可用于提高化学反应的效率和选择性。
碳纳米管还具有良好的光学性能和生物相容性。
由于碳纳米管具有一维结构,使得它们能够吸收和发射可见光和红外光。
这使得碳纳米管在光学传感器和光电器件领域具有广泛的应用前景。
此外,碳纳米管还具有良好的生物相容性,可以用于生物医学领域,如药物传递和组织工程等。
碳纳米管具有多种优异的性质和应用潜力,使其在材料科学、电子学、化学和生物医学等领域具有广泛的应用前景。
随着对碳纳米管性质和制备方法的深入研究,相信碳纳米管将会在未来的科技发展中发挥更加重要的作用。
碳纳米管的应用领域
碳纳米管是一种由碳原子构成的管状结构材料,具有优异的物理、化学和机械性能,因此在多个领域都有广泛的应用。
以下是一些碳纳米管的主要应用领域:1. 电子学:碳纳米管具有出色的导电性和导热性,因此被广泛用于制造电子元件,如晶体管、传感器和电池等。
2. 能源:碳纳米管可以作为高效的催化剂,用于燃料电池和太阳能电池等能源转换装置中。
3. 材料科学:碳纳米管可以作为增强材料,添加到塑料、橡胶、陶瓷等材料中,以提高其强度、韧性和耐磨性。
4. 生物医学:碳纳米管可以作为药物载体和生物传感器,用于药物传递和生物分子检测等领域。
5. 环境科学:碳纳米管可以用于水处理和空气净化等领域,因为它具有优异的吸附性能,可以去除水中的有害物质和空气中的污染物。
总之,碳纳米管具有广泛的应用前景,它的出现为许多领域带来了新的机遇和挑战。
碳纳米管的发展历程碳纳米管是一种极其重要的纳米材料,于1991年被发现,随着拓扑电子的出现,迅速成为了研究领域的热点,被誉为材料科学的“奥秘之子”。
在经过数十年的工艺改进和研究探索后,碳纳米管已经成为了许多领域的主流材料,是未来技术发展的重要推手。
一、碳纳米管的发现1991年,日本科学家伊吹丰文、田中章等人从石墨在石英管中的蒸发凝结过程中发现了碳纳米管。
经过进一步的分析和研究,他们发现这种管状物质是由单层或多层的石墨层叠组成的,而且长度非常长,直径约在5~10纳米之间,既具有晶体的长程周期性结构,又具有无限循环的曲线上升结构,可以用来解释许多神秘的负传输指数现象,被称为"万能线"。
二、碳纳米管的发展在碳纳米管的发现之后,科学家们开始了对它所具有的神奇特性进行进一步的研究和应用。
在1993年,美国的科学家就提出了一种可以制备出单壁碳纳米管的方法。
这种方法是将石墨和金属处理成溶液形态,然后用气体进行化学反应产生单壁碳纳米管。
1996年,奈米技術成为科技新热点,美国将其列入国家科技革新战略的重要内容之一。
碳纳米管成为国家重点研究的重要领域。
随着碳纳米管在材料科学领域的不断应用,其在药物传输、医疗、能源等领域都得到了广泛的应用。
通过纳米技术可以将药物包裹在碳纳米管里,改变药物在体内的分布和释放特性,增加疗效、降低用药剂量。
三、碳纳米管在未来的发展碳纳米管在未来的发展可以分为三个阶段:第一个阶段是进一步完善其工艺技术,提高其制备和组装技术,以及成品的品质和可靠性;第二个阶段是扩大其应用领域,在材料科学、生物领域等方面得到更广泛的应用;第三个阶段是开展碳纳米管的基础研究,寻求碳纳米管的更深层次的物理、化学和物性等研究。
总之,碳纳米管是朝气蓬勃的科技材料之一,它的应用前景非常广阔,值得科学家们继续探索和开发,并为人类的生活和社会进步做出不可磨灭的贡献。
有关“碳纳米管”的成分
有关“碳纳米管”的成分如下:
碳纳米管(Carbon Nanotube,CNT)是由碳原子二维六方晶格组成的一类纳米材料,其向一个方向弯曲并结合形成中空圆柱体。
碳纳米管的主要成分是碳元素,可以看作是由石墨烯层卷起来的直径只有几纳米的微型管体,管的一端或两端由富勒烯半球封帽而成。
根据碳纳米管中碳原子层数不同,将碳纳米管分为单壁碳纳米管(SWCNT)和多壁碳纳米管(MWCNT)两种。
单壁碳纳米管由单层石墨卷成,管径为1~6nm,具有很高的长径比,是结构完美的单分子材料。
多壁碳纳米管可看作由多个不同直径的单壁碳纳米管同轴套构而成,层间距均为0.34nm。
碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似,但其结构却比高分子材料稳定得多,是目前已知的熔点最高的材料。
如需更多信息,建议查阅碳纳米管相关书籍或咨询碳纳米管领域专业人士。
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。
碳纳米管煅烧和碳化效果一、碳纳米管的神奇之处碳纳米管你听说过吧?它可不是什么普通的“管管”,而是比你想象的还要牛的东西。
想象一下,一个非常细的管子,直径比人类头发丝还要小,简直像是“隐形”一样。
别小看它,小小的身躯却隐藏着强大的力量。
它的强度、导电性、导热性都比金属强多了,甚至能让咱们的电子产品变得更小、更强,性能更高。
简直是未来科技的宠儿。
但是,想要让碳纳米管真正发挥它的作用,光是“生出来”可不行,得经过一番“修炼”才行。
这就是我们今天要说的“煅烧”和“碳化”两大功夫。
咱们先从“煅烧”说起吧!二、煅烧:给碳纳米管“热身”你知道煅烧是什么吧?其实就是用高温把碳纳米管处理一遍,给它一个“热身”加个“热烈的拥抱”,让它更具备强大的耐高温、抗腐蚀的能力。
想象你在冬天,冻得直发抖,一进暖气房,哇塞,瞬间暖和了,整个人都放松了。
碳纳米管也是这么个道理,经过煅烧,它的结构会变得更加稳定,杂质会被去掉,孔隙也会更均匀。
这样,碳纳米管不仅更加坚韧,还能更好地发挥它在各种高科技领域的作用,譬如在电池、电容器中就能帮大忙。
这个“煅烧”过程可不是轻松的,它可是需要特定的温度、时间来掌控的。
要是温度太高,碳纳米管容易被烧坏;要是时间过长,它的性质也可能改变,甚至影响到它的性能。
所以,这就像做菜一样,火候很重要,过一秒都可能差之毫厘,失之千里。
大家都知道,炖汤火候掌握不好,汤的味道就“毁了”,碳纳米管也是一样,太过煅烧会变得“焦”掉,没法发挥它应有的作用。
三、碳化:让碳纳米管“变得更黑”我们来说说“碳化”。
这是一个非常重要的步骤,就像把原材料打磨成宝石的过程。
碳化的过程其实就是通过高温把一些物质转化成纯碳,使得碳纳米管的“内核”更加稳定,强度也进一步提升。
通过碳化的处理,碳纳米管的表面会变得更为坚硬,它的结构会变得更加紧密,性能也会更加强大。
简单来说,碳化就像是给碳纳米管上了“硬壳”,让它变得不怕风雨,耐得住高温,冲得过腐蚀。
碳纳米管名词解释
嘿,朋友!您知道啥是碳纳米管不?这玩意儿可神奇啦!
碳纳米管,简单说,就像是超级微小的管子,但是这管子可不一般哟!它是由碳原子构成的。
您就想象一下,一堆碳原子手拉手,排排站,就组成了这神奇的碳纳米管。
这碳纳米管的管壁,那叫一个薄啊,薄得超乎您的想象。
它的直径通常只有几纳米到几十纳米,这是啥概念呢?就好比一根头发丝的几万分之一那么细!您能想象得到这么细的东西吗?
它的结构也很特别,有的像个直直的竹筒,有的则弯弯曲曲像条小蛇。
这结构的不同,也让它的性能有很大的差别。
碳纳米管的强度那可是杠杠的!您知道吗?它比钢铁还要结实好多倍呢。
这就好比一只小蚂蚁,却有着能举起大象的力量,是不是很不可思议?所以,如果用碳纳米管来制造材料,那得多坚固耐用啊!
而且,它的导电性也特别出色。
就像是一条畅通无阻的高速公路,电子在里面能欢快地奔跑。
这意味着在电子领域,碳纳米管可能会带来巨大的变革。
碳纳米管的热传导性能也不赖。
打个比方,热量在它里面传递,就像水流在宽阔的河道里奔腾,非常迅速。
不过,要把碳纳米管真正大规模地应用起来,可没那么简单。
就像驯服一匹烈马,需要攻克好多难题。
比如说,怎么大量生产高质量的碳纳米管?怎么让它和其他材料完美地结合在一起?
但您可别小瞧了科学家们的决心和智慧。
虽然现在还有很多困难,可谁能说未来不会有突破呢?说不定哪天,我们身边到处都是用碳纳米管制造的神奇物品。
所以说,碳纳米管虽然现在还没有完全融入我们的日常生活,但它就像一颗即将爆发的小宇宙,充满了无限的可能和希望。
您是不是也期待着它能给我们带来更多的惊喜呢?。