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碳纳米材料PPT课件

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《纳米碳材料》课件

《纳米碳材料》课件
传感器与探测器
纳米碳材料可以作为传感器和探测器 的敏感元件，用于气体、温度、压力 等物理量的检测与控制。
05
纳米碳材料的未来发展 与挑战
提高制备效率与可控性
总结词
提高纳米碳材料的制备效率和可控性是未来发展的重要方向，有助于实现大规模生产和应用。
详细描述
目前纳米碳材料的制备方法主要包括化学气相沉积、物理气相沉积、溶胶-凝胶法等，但这些方法的效 率和可控性仍有待提高。未来需要研究新的制备技术，优化制备条件，实现高效、低成本、大规模的 纳米碳材料生产。
阈值电压和高发射电流密度使得电子能有效地从材料表面发射出来。
光学性质
吸收光谱
纳米碳材料具有宽的吸收光谱范 围，从紫外到可见光再到近红外 。这种特性使得它们在太阳能吸
收和光电器件中有广泛应用。
发光特性
一些纳米碳材料，如碳纳米点， 具有独特的荧光性质，这使得它们 在生物成像、显示技术和照明领域 有潜在的应用。
纳米碳材料的应用领域
总结词
纳米碳材料在许多领域都有广泛的应用前景，如能源、环境、生物医学和电子器件等。
详细描述
在能源领域，纳米碳材料可用于制备高效能电池、超级电容器和太阳能电池等。在环境 领域，纳米碳材料可用于污水处理、空气净化和土壤修复等。在生物医学领域，纳米碳 材料可用于药物输送、生物成像和肿瘤治疗等。在电子器件领域，纳米碳材料可用于制
造高性能电子器件和光电器件等。
02
纳米碳材料的制备方法
化学气相沉积法
化学气相沉积法是一种常用的制备纳米 碳材料的方法，通过将气体反应物在一 定条件下进行化学反应，生成固态物质 并沉积在基底上形成纳米碳材料。
常用的气体反应物包括甲烷、乙炔、苯等烃 类物质，以及氨气、一氧化碳等非烃类物质 。

碳纳米管的制备与纯化ppt课件

碳纳米管的制备与纯化ppt课件
天、军事等方面都有广泛. 应用。
碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量 子材料，径向尺寸为2~20nm，轴向尺寸 为微米量级、管子两端基本上都封口主要 由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十 层的同轴圆管。
.
碳纳米管也可以看成是由石墨层卷曲而成 的圆柱形管状物。 碳纳米管可以分为多壁碳纳米管和单壁碳 纳米管两类。 多壁碳纳米管：由多层石墨卷曲而成的一 组同轴圆柱形管。 单壁碳纳米管：由一层石墨卷曲而成的一 个圆柱形管。
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碳纳米管的主要性质
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二、制备方法
➲ 电弧放电法。（已用于工业化生产） ➲ 激光蒸发法。 ➲ 化学气相沉淀法。 ➲ 太阳能法。 ➲ 火焰法。 ➲ 增强等离子体热流体化学化学蒸气分解沉法。 ➲ 等离子体法。 ➲ 水热法。 ➲ 超临界流体技术。 ➲ 固相复分解反应制备法。…………
.
➲ 碳源 石墨是最早也是最容易获得的碳源。激光法、电弧 法中常以石墨靶为碳源，后来随着碳纳米管制备技 术的发展，纳米管的碳源也可从各种含碳物质的热 解或转化来制得。含碳和氢，以及混杂有氧、氮、 硫等其它杂质的有机化合物，低沸点的有机金属化 合物(如各种金属茂、金属酞脊等)，在加热时，特 别是催化加热时通过歧化或炭化转化为高碳或纯碳 材料，然后在合适的条件下部分或完全转化成碳纳 米管。根据碳源的物理形态可以设计相应的实验。 如石墨可用作电弧法和激光蒸发法。co,烃类气体适 用于各类CVD法、低沸点的金属茂、金属酞菁等也 可通过加热升华后用于CVD法;苯、金属茂、金属酞 菁等经有机溶剂溶解，利用溶胶-凝胶技术和载体均
➲ 激光蒸发法
.
Smalley 等制备C60时，在电极中加入一 定量的催化剂，得到了单壁碳纳米管。Thess 等改进实验条件，采用该方法首次得到相对较 大数量的单壁碳纳米管。实验在1 473 K条件 下，采用50 ns的双脉冲激光照射含Ni/Co催 化剂颗粒的石墨靶，获得高质量的单壁碳纳米 管管束。这种方法易于连续生产，但制备出的 碳纳米管的纯度低，易缠结，且需要昂贵的激 光器，耗费大。

第11 章碳纳米材料及其高分子修饰-课件

第11 章碳纳米材料及其高分子修饰-课件

预言，碳纳米管具有超常的强度、热导率、磁阻，且性质会随结构的变化而变化，可
由绝缘体转变为半导体、由半导体变为金属；具有金属导电性的碳纳米管通过的磁通 量是量子化的，表现出阿哈诺夫-波姆效应(A-B效应）。
Introduction 碳纳米管的发现
1985年，美国莱斯大学的Smalley和英国苏塞克斯
• 良好的热学性能 –一维管具有非常大的长径比，因而大量热是沿着长度方向传递的，通过 合适的取向，这种管子可以合成高各向异性材料。另外，碳纳米管有着 较高的热导率，只要在复合材料中掺杂微量的碳纳米管 ,该复合材料的 热导率将会可能得到很大的改善 。 • 优良的储氢性能. –碳纳米管的中空结构，以及较石墨(0.335nm)略大的层间距(0.343nm)， 是具有更加优良的储氢性能，也成为科学家关注的焦点。清华大学吴德 海教授所领导的碳纳米材料研究小组，近日发现将碳纳米管制成电极， 进行恒流充放电电化学实验，结果表明,混铜粉定向多壁碳纳米管电极 的储氢量是石墨电极的10倍, 是非定向多壁碳纳米管电极的13倍, 比电 容量高1625mAh/g,单位体积储氢密度为39.8kg/m3,具有优异的电化学储 氢性能。
以及单壁纳米碳管束之
间 的孔隙 ，使 具有极 佳 的 储氢能 力 ， 据推测 单
壁纳米碳管的储氢量可
达10％（重量比）
美国通用汽车公司液氢为能源的燃料电池 概念车－氢动一号
27
场发射装置
1999年汉城三星高等技术研究所（SAIT）的研究人员将碳纳米管以
薄膜方式分散在电子控制器件上，再在膜表面安置涂有磷光粉的玻璃，成 功制作了彩色场射平板显示器。
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超级电容器
比表面积大（250-3000m2/g)
碳纳米管电容量可到每克 15-200F ，目前

第六章 碳纳米材料的合成与应用PPT课件

第六章 碳纳米材料的合成与应用PPT课件
由基的加合物 .
.
12
2.3 富勒烯的氧化还原反应 C60可以像烯烃一样用OsO4氧化，生成C60的锇酸 酯。
C60＋OsO4＋2C5H5N C6H5CH3，0～25℃ [Os(O)2(py)2(OC60O)]
13
2.4 C60的聚合反应： 在光照、辐射等外界条件下，发生聚合反应
1.高分子链上悬挂C60（On-chain型）； 2.C60结合进高分子链中（ In-chain型）； 3.以C60为节点形成高分子网络；(Polymer Network ) 4.C60通过化学键连接在基质材料表面。(Martrix -Bound)
14
2.5 富勒烯与金属的反应
金属包含于富勒烯笼内部
M@C60
金属与富勒烯的笼外壁发生反应 M-C60
有机超导体
15
四、 C60的合成方法 4.1 电弧法 原理：
阳极电极在电弧产生的高温下蒸发，于阴极附近 沉积出纳米管。 特点： 简单快速 质量不稳定
16
4.2 苯火焰燃烧法
纯碳和氧在苯火焰上燃烧 从1000g纯碳中得到3g富勒烯凹凸弯曲：由于在碳六边形网格中引入了 五边形和七边形缺陷所致。
当出现五边形时：张力作用导致碳纳米管凸出； 当出现七边形时：碳纳米管则凹进。
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三、碳纳米管的性质 1）力学性能 (1)高机械强度：钢100倍强度，
1/6重量 (2)高长径比: 103数量级 (3)高比表面: 400-500m2/g
子中的介于单键和双键之间的特殊键
6
3.2 C60的物理化学性质 （1）物理性质 颜色：黑色粉末，密度1.65g/cm3±0.05g/cm3，
熔点>700℃； 力学性能：抗冲击能力强 能在不裂解情况下升华； 溶解性：易溶于CS2、甲苯等非极性溶剂；

神奇的纳米材料PPT课件

神奇的纳米材料PPT课件

科学新视野
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5/23/2020
• 2001年 当时美国总统Clinton建立了 National Nanotechnology Initiative ( NNI) ，以推动和协调美国的纳米研究。
The covers of the reports from the National
Nanotechnology Advisory Panel to US President.
科学新视野
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5/23/2020
3. 观察纳米世界的主要工具
• 扫描隧道显微镜（STM） • 原子力显微镜（AFM） • 扫描电子显微镜（SEM） • 透射电子显微镜（TEM）
科学新视野
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5/23/2020
3.1 扫描隧道显微镜(STM)
扫描隧道显微镜的照片
刻蚀的钨针尖
科学新视野 5/23/2020
科学新视野
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5/23/2020
• 1990年 首届国际纳米技术科技会议在美国 巴尔的摩（Baltimore）举办
科学新视野
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5/23/2020
科学新视野 5/23/2020
一道习题
Klever = 2 nN/nm Ksilicon = ∞ KZnO = ? 如果纳米线长1um，直 径100nm，请计算纳米 线的弹性模量E。
碳纳米管， 各种纳米线
薄膜
科学新视野
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5/23/2020
科学新视野
14
5/23/2020
2. 纳米的起源和发展Fra bibliotek• 1959年 美国物理学家费曼（Richard Feynman）首先提出，组装原子或分子是 可能的。
科学新视野

《纳米材料》PPT课件 (2)

《纳米材料》PPT课件 (2)
• 纳米半导体微粒存在不连续最高被 占分子轨道能级和最低未被占分子 轨道导致能隙带变宽（画图说明）
34
Quantum siБайду номын сангаасe effect
Bulk Metal
Nanoscale metal
Unoccupied states
Decreasing the size…
occupied states
Close lying bands
21
纳米材料的独特效应
※小尺寸效应 ※表面效应和边界效应 ※量子尺寸效应 ※宏观隧道效应
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小尺寸效应
• 当超细微粒的尺寸和光波波长，传 导电子的德布罗意波长，超导态的 相干长度或者透射深度等物理尺寸 相当或者比它们更小时，一般固体 材料的周期性边界条件被破坏，声 光电磁，热力学等特性均会呈现新 的尺寸效应
纳米科技。
1
神奇的纳米材料
走近纳米材料.rm
2
纳米材料的发展过程
• 1959年Feynman提出许多设想:在原子或分子的 尺度上加工制造材料和器件，制造几千百纳米的 电路和10～100纳米的导线。
• 1962年Kubo理论提出:金属的超微粒子将出现量 子效应，显示出与块体金属显著不同的性能。
• 1969年Esaki和Tsu提出了超晶格的概念。
15
碳纳米管
由石墨的片状结构上运 用激光手段剥离下来 ，形成的石墨烯卷成 的无缝中空管体
直径虽只有头发丝的十 万分之一，可是导电 性为铜的一万倍。强 度是钢的100倍，质量 却只有其七分之一。 硬似金刚石，却可以 拉伸
16
超晶格材料
• 由两种不同组元以几个纳米至几十个纳米 的薄层交替生长。并保持严格周期性的多 层膜

碳纳米管简介PPT课件

碳纳米管简介PPT课件

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9
分离提纯
➢ 碳纳米管在进行结构表征、性能测试和应用之前，通常须进行分离与提纯 ➢ CVD碳纳米管，根据应用需要，有时须进行高温石墨化处理以提高其结构完整性
合成产物中，常伴有大量杂质，如无定型碳、富勒烯、金属催化剂等 常用的提纯方法 氧化法和高温热处理
直接合成的SWNT
提纯后的SWNT
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10
应用领域
AFM image
CNT电性能测试装置（左） 电性能测试结果（右）
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5
➢ 热性能
性能
热稳定性 真空环境可耐温至2800oC，空气中700oC 热导率 理论值6000W.(m.K)-1；实验值3000W.(m.K)-1
❖ 单根MWNT（直径14nm）的热导性测 试结果
❖ 插图为用于热导性测试的微器件，标 尺为10μm
利用纳米尺度的过渡金属或其氧化物为催化剂，在相对较低的温度 (500-1200℃)下热解碳 源气体(甲烷、乙炔、乙烯、丙烯、苯和一氧化碳等)来合成碳纳米管 可生产SWNT和MWNT 成本低，收率高，可大量生产 碳纳米管的管径在很大程度上依赖于催化剂颗粒的成分和尺寸，分布较宽；较多的结晶
缺陷，石墨化程度较低，常发生弯曲和变形，管端和管壁上包有催化剂颗粒
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15
应用前景
蜘蛛衣”的吸附力取决于与固体表面接触处 的碳纳米管数量。这种材料的外部直径只有几 到几十纳米，相当于头发丝的1/10万，因此一 片手掌大小的纤维中可容纳数十亿的碳纳米管， 由此产生的单位面积吸附力是壁虎脚的200倍。 把一双用这种材料制成、手掌面积为200平方 厘米的高粘力手套粘在屋顶上，可以同时吊起 14个重量为83公斤的壮汉。当然，要移动也很 简单，只要沿着表面稍微上下左右挪动一下， 粘结处就会一点点断开。

纳米碳材料简介

纳米碳材料简介

2.3.4 应用与展望
C60的研究已涉及到有机化学、无机 化学、生命科学、材料科学、高分子 科学、催化化学、电化学、超导体与 铁磁体等众多学科和应用研究领域， 并越来越显示出巨大的潜力和重要的 研究及应用价值。
碳60超导体 60超导体
碳60的奇异性能举例 的奇异性能举例
已经试验过往C60中掺杂，引入碱金属、碱土金属原子， 可以得到各向同性的超导性，制成了有机超导体。
2.4.8催化裂解无基体法 2.4.8催化裂解无基体法
采用该装置制备的碳纳米管，质量较好，管径一般能有效地控制在 20～30nm，长度达200m以上，多是直管且平行成束，很少看到催 化剂颗粒的存在，杂质很少。
2.4.9 浮动催化法制备多壁碳纳米管
浮动催化法是一种可以批量半连续制备碳纳米 管的方法，一般采用有机金属化合物为催化剂 原料，与碳氢化合物一同引入反应室，在一定 温度下分解出铁原子并聚集成一定大小的催化 剂颗粒。碳氢化合物在催化剂颗粒上吸附、分 解、扩散并析出碳纳米管。 反应室为陶瓷管，放置在立式电阻炉(额定温度 1200℃)中。反应溶液随载气(氢气)以蒸气的形 式引入反应室。
1985年11月14日，Kroto，Curl和Smalley等人，《自然》杂志，正式 宣布C60的发现及结构模型；1996年，获得诺贝尔化学奖。 C60分子中每一个C原子与周围三个C原子形成3个σ键，剩余的轨道和 电子共同组成离域π键，可简单地将其表示为每个碳原子与周围3个 每个碳原子与周围3 每个碳原子与周围 碳原子形成2个单键和1个双键。C60的结构参数为C—C—C，键角平均 碳原子形成2个单键和1个双键 为116，杂化轨道类型为SP2.28，六边形键长为0.1388nm，五边形键长 为0.1432nm，晶体型式为面心立方 面心立方的分子晶体。 1967年加拿大蒙特利尔万国博览会，美国展览馆是由五边形和六边形 组成拼接构成的圆顶建筑-----启发 启发，提出了C60的分子结构。因此， 启发 他们决定以该展览馆建筑师的名字Buckminster Fuller命名，定为 “Buckmister fullerene”, 词尾ene为英文“烯烃”的后缀，表示C60 的不饱和性，简称“Fullerene”或“Buckyball”亦称footballene

碳纳米材料ppt课件

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❖ nanocrystalline MnO thin film, and MnO powder as anode has shown low overpotential超电势 and good cycling performance
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5
❖ In this paper
The prepared MnO/C core–shell nanorods much higher specific capacity than that of MnO microparticles and MnO2 nanowires as anode material of lithium ion battery.
电化学实验部分
❖ performing using 2032 coin-type cells assembled in an argon-filled glove box
❖ slurry :active materials (70 wt%), acetylene black乙 炔黑 (20 wt%), and polyvinylidene fluoride 聚偏二氟乙烯 (PVDF 10 wt%) in N-methyl-2-pyrrolidone 氮甲基二吡 咯烷酮(NMP).
❖ Cyclic voltammetry循环伏安法 (CV) ❖ Charge–discharge testing was performed in
the range of 0.01–3.0 V ❖ specific capacity
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返回 11
Results and discussion
精选编辑ppt
返回 6
Experiment
合成部分 ❖ MnO/C core–shell nanorods were
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2.4.1电弧放电法
石墨电弧法实验装置
改进型电弧放电装置
2.4.2 碳氢化合物催化分解法(又称 化学气相沉积CVD法)
单壁碳纳米管的CVD合成条件
2.4.3 激光蒸发（烧蚀）法
2.4.4 等离子体法
• 1967年加拿大蒙特利尔万国博览会，美国展览馆是由五边形和六边形 组成拼接构成的圆顶建筑-----启发，提出了C60的分子结构。因此， 他们决定以该展览馆建筑师的名字Buckminster Fuller命名，定为 “Buckmister fullerene”, 词尾ene为英文“烯烃”的后缀，表示C60 的不饱和性，简称“Fullerene”或“Buckyball”亦称footballene
• 纳米金刚石
2.3 富勒烯
C80
狮子
2.3.1 C60的发现及命名
• 1985年11月14日，Kroto，Curl和Smalley等人，《自然》杂志，正式 宣布C60的发现及结构模型；1996年，获得诺贝尔化学奖。
• C60分子中每一个C原子与周围三个C原子形成3个σ键，剩余的轨道和 电子共同组成离域π键，可简单地将其表示为每个碳原子与周围3个 碳原子形成2个单键和1个双键。C60的结构参数为C—C—C，键角平均 为116º，杂化轨道类型为SP2.28，六边形键长为0.1388nm，五边形键长 为0.1432nm，晶体型式为面心立方的分子晶体。
C60作成的分子算盘 碳60的奇异性能举例
• 1996年11月，IBM公司在瑞士苏黎士研究室 工作的物理学家金泽夫斯基等，想能否用一 台扫描隧道显微镜和一些布基球，制成一个 能计算的机器。结果研究出第一台分子算盘， 储存信息容量是常规电子计算机存储器的10 亿倍，可能是将来制造出分子般大小的机器 的第一部。
• C60的研究已涉及到有机化学、无机 化学、生命科学、材料科学、高分子 科学、催化化学、电化学、超导体与 铁磁体等众多学科和应用研究领域， 并越来越显示出巨大的潜力和重要的 研究及应用价值。
碳60超导体 碳60的奇异性能举例
已经试验过往C60中掺杂，引入碱金属、碱土金属原子， 可以得到各向同性的超导性，制成了有机超导体。
• 2003年5月4日， 日本信州大学和三井物产下属的CNRI子公司研制成功Ф= 0.4nm的碳纳米管。同年，日本名古屋大学筱原久典教授制备出了纳米电缆；
• 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;
• 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Ф=0.33nm的碳 纳米管,但稳定性较差;
• 2002年4月5日， 美国纽约州的伦斯勒工业大学（RPI Rensselar Polytechnic Instiyan的研究小组报道制备出了“雏菊”
• （2）化学性质 芳香性，倾向于得到电子，易于与亲核试剂反应。多种C60衍生物，其中金属包含于 C60笼内部：M@C60；金属和C60在球外表起反应：MC60。
➢ C60和金属的反应 ➢ C60的氧化还原反应 ➢ C60与自由基反应 ➢ C60的加成反应 ➢ C60聚合反应
2.3.4 应用与展望
• 移动单个分子或原子的技术，将是下一代电 子元件和开发纳电子集成电路的关键。
2.4 碳纳米管的制备
• 电弧放电法 • 催化裂解法(复合电极电弧催化法、碳氢化合物催化
分解法CVD、)---化学气相沉积法 • 激光蒸发（烧蚀）法 • 等离子体法 • 增强等离子热流体化学蒸气分解沉积法PE-HF-CVD • 热解聚合物法（化学热解法） • 离子（电子束）辐射法 • 催化裂解无基体法 • 电解法
• 2004年4月30日 Science杂志报道，我国科学家合成出了C50Cl10(厦门大学)；
2.2 碳纳米材料的分类
• 富勒烯:碳的第四种同素异形体(金刚 石、石墨和无定形碳)
• 富勒烯包括：巴基球（C50 、 C60 、 C70、C76、C80、C82、C84、C90、 C94等）、巴基管（单壁和多壁碳纳 米管）和巴基葱
2.3.2 C60的合成方法
• 电弧放电法 1990年, Kraschmer和Huffman等人
• 苯火焰燃烧法 1991年7月,麻省理工学院教授Jack Howard及 其实验伙伴，从1000g纯碳中得到3g富勒烯。
• 高频加热蒸发石墨法 1992年，Peter和Jansen等人,2700℃， 150KPa ,氮气氛中
• 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，叫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)；
第二讲 碳纳米材料的特性 及其应用
2.1 碳纳米材料发展简史 2.2 碳纳米材料的分类 2.3 富勒烯 2.4 碳纳米管的制备 2.5 碳纳米管的物理化学性质 2.6 碳纳米管的应用
碳家族
2.1碳纳米材料发展简史
• 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。因此，1996年获得诺贝尔化学奖。
2.3.3 C60的物理化学性质
• （1）物理性质 黑色粉末，密度1.65g/cm3±0.05g/cm3，熔点>700℃，易溶于CS2、甲苯等，在脂肪 烃中溶解度随溶剂碳原子数的增加而增大。能在不裂解情况下升华。生成热为ΔH°f (C)=2280KJ/mol，电离势为2.61ev±0.02ev，电子亲合势2.6ev～2.8ev，可压缩率为 7.0×10-12cm3/dyn，抗冲击能力强。具有非线性光学性能，室温下是分子晶体，适 当的金属掺杂后的C60表现出良好的导电性和超导性。