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碳纳米管的特性及其高性能的复合材料综述摘要作为一种具有较强力学性能的材料，碳纳米管自诞生以来就受到了广泛关注，并且从以往的实践经验上来看，碳纳米管是非常理想的制备符合材料的形式。
在本文的研究当中，主要立足于这一领域进行分析，提出了碳纳米管本身所具备的特性，以及这种材料在实践过程当中的优越性，进而提出应用策略，希望能够在一定程度上起到借鉴作用。
关键词碳纳米管；复合材料；复合镀迄今为止，碳纳米管材料已经在诸多领域当中得以运用，并且取得了比较显著的成果，其中包括电极材料、符合材料、催化剂载体等诸多方面。
在应用过程当中，碳纳米管的优异性能能够使其在符合材料当中起到较强的作用。
本文研究的侧重点在于碳纳米管的制备和复合材料的应用方面，提出了碳纳米管的特性及其高性能的复合材料。
1 碳纳米管的结构及其性能从结构上来看，碳纳米管具有石墨层状的结构，其中包括单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。
组成纳米碳管的C-C共价键是自然界当中具有稳定特征的化学键，无论在理论计算还是实践当中，都能够看出来，碳纳米管具有非常强的韧性。
在制备过程当中，碳纳米管主要涉及的电弧放电、催化热解和激光蒸发等。
具体来讲，在电弧放电当中，主要制备单壁碳纳米管，但是其中具有一定的弊端，比如产率非常低，但是成本却很高；而催化热解法当中所表现出来的是设备简单和生长速度较快等特点，一般在现代工程的批量化生产过程当中，会用到这种方法。
在当前应用领域，高强度的微米级碳纤维复合材料有着非常广阔的应用前景和较好的应用效果。
但是当前我国在这一领域所取得的进展依旧比较滞后，要想在强度上取得新的突破，必须要有效减少碳纤维的直径，提高纵横比。
碳纳米管是比较典型的纳米材料，纵横比非常可观。
更为重要的是，从长度上来讲，纳米管对于复合材料的加工性能并没有非常明显的不良影响，使用这一材料能够有效聚合复合材料，改变传统加工当中的一些问题，增强复合材料的导电性能。
再加上纳米管当中所具备的结构优势，使得聚合物电导率提升的同时也不容易被改变性能[1]。
碳纳米管的制备技术与应用碳纳米管（Carbon nanotubes，CNTs）是一种以碳元素为原材料制备的一维纳米材料，由于其具有良好的力学性能、电学特性以及化学稳定性等特点，已经成为当今研究领域中最为热门的材料之一。
本文将介绍碳纳米管的制备技术以及其在各个领域的应用。
一、碳纳米管的制备技术碳纳米管的制备技术可以分为两种类型：单壁碳纳米管（Single-walled carbon nanotubes，SWCNTs）和多壁碳纳米管（Multi-walled carbon nanotubes，MWCNTs）。
1. SWCNTs的制备技术SWCNTs是由单个碳原子组成的圆柱形分子，其直径只有1纳米左右，是碳纳米管中最小的一种。
目前SWCNTs的制备技术主要有以下几种：(1) 弧放电法：将石墨电极在惰性气体氛围下通电，随着通电时间的延长，在电极表面就会形成一个由碳原子组成的弧，此时就会产生SWCNTs。
(2) 化学气相沉积法：将碳源放入通有气源的高温管道中，在特定的条件下产生SWCNTs。
(3) 气味解法：将金属铝、镁等材料和碳合成物物质放入高温的石墨炉中加热，从而产生SWCNTs。
2. MWCNTs的制备技术MWCNTs是由许多个碳单层环形结构套在一起形成的管状结构，由于其具有较高的机械强度和导电性能，因此在材料科学等领域有着广泛的应用。
其制备主要有以下几种方式：(1) 化学气相沉积法：将碳源放入通有气源的高温管道中，在特定的条件下产生MWCNTs。
(2) 电磁纺丝法：将金属铜制成细丝，并加热到一定温度，然后向铜丝上喷射石墨或其它碳源，从而产生MWCNTs。
(3) 化学还原法：将单壁和多壁碳纳米管分散在水溶液中，然后将还原剂缓慢加入到溶液中，之后用超离心机或过滤器将沉淀的MWCNTs分离出来。
二、碳纳米管在材料科学中的应用碳纳米管因其高催化性能、热稳定性及导电性能等优异特点，将在材料科学领域中得到广泛的应用。
碳纳米管的制备方法和应用碳纳米管是由纳米级的碳原子构成的一种纳米材料，具有独特的物理和化学性质，被广泛应用于各个领域。
本文将探讨碳纳米管的制备方法以及其在材料科学、电子学和生物医学中的应用。
一、碳纳米管的制备方法目前，常见的碳纳米管制备方法主要有化学气相沉积法、电化学沉积法、电弧放电法和碳热还原法等。
化学气相沉积法是制备碳纳米管最常用的方法之一。
该方法利用金属催化剂（如铁、铜等）和含碳的气体（如一氧化碳、甲烷等）在高温下反应，生成碳纳米管。
这种方法可以控制碳纳米管的尺寸和结构，制备出高质量的碳纳米管。
电化学沉积法是一种较为简单和经济的制备方法。
通过在电极表面施加电压，使金属离子在电极上还原并沉积成碳纳米管。
这种方法可以在常温下进行，对环境友好，但产出的碳纳米管质量较低。
电弧放电法是一种高温高压条件下制备碳纳米管的方法。
通过在金属电极之间施加高电压，形成电弧放电，使电极表面的碳物质蒸发并在高温高压下形成碳纳米管。
这种方法制备出的碳纳米管尺寸较大，结构较不规则。
碳热还原法是使用碳源将金属氧化物还原成金属，并在高温下生成碳纳米管。
这种方法能够制备出高纯度的碳纳米管，但操作条件较为复杂。
二、碳纳米管在材料科学中的应用由于碳纳米管具有优异的力学性能、导电性和热导性，因此在材料科学中有广泛的应用。
碳纳米管可以添加到复合材料中，提高材料的力学性能和导电性。
此外，碳纳米管还可以用于制备超级电容器和锂离子电池，因为其具有较大比表面积和良好的电化学性能。
另外，由于碳纳米管具有较高的比表面积和孔隙结构，可以用作吸附剂来去除水和气体中的有害物质。
碳纳米管的应用还延伸到柔性电子学和传感器领域，用于制备柔性显示器件和高灵敏度的传感器，如压力传感器和化学传感器等。
三、碳纳米管在电子学中的应用碳纳米管由于其独特的电子性质，被广泛应用于电子学领域。
碳纳米管可以用作场发射源，用于制备高亮度和高分辨率的显示器件。
此外，碳纳米管也可以用于制备柔性电子器件，如柔性电池和柔性晶体管等，具有重要的应用价值。
碳纳米管的合成和应用碳纳米管(Carbon Nanotubes, CNTs)是由纯碳构成的一种纳米材料，以其独特的物理和化学性质，在材料科学、生物医学等众多领域都有重要的应用和研究价值。
本文将从碳纳米管的合成方法、结构特征以及应用等方面进行讨论。
一、碳纳米管的合成方法碳纳米管最早是由日本科学家Sumio Iijima于1991年发现，并提出了一种制备碳纳米管的方法——电弧放电法。
该方法是通过电弧放电在高温下制备，得到的碳纳米管平均直径为10-20nm。
随后，人们发现在碳纳米管形成的高温条件下，化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition, CVD)也可以用来合成碳纳米管。
通过CVD法合成的碳纳米管平均直径可以达到数纳米级别。
此外，离子束辅助CVD、体积扩散法、等离子炮击法等方法也被用来合成碳纳米管。
这些方法各有优缺点，可以根据具体应用需求选择合适的方法。
二、碳纳米管的结构特征碳纳米管分为单壁碳纳米管(Single-Walled Carbon Nanotubes, SWNTs)和多壁碳纳米管(Multi-Walled Carbon Nanotubes, MWNTs)两种。
SWNTs是由一个或几个碳原子层叠而成的单层碳纳米管，直径在1-2nm左右；MWNTs则是由多层碳原子管叠加在一起构成的，直径在10-30nm左右。
SWNTs的结构主要包括芳香环、周边的螺旋结构以及端部的官能团等。
SWNTs具有高比表面积和高机械性能，同时还有超疏水性、高导电性和热导率等重要的物理和化学性质。
MWNTs的壁层数越多，直径越大，内壁和外壁之间的距离也越大。
MWNTs的直径越大，其比表面积也越小，但其机械性能就越强。
MWNTs和SWNTs相比，其电导率、热导率和力学性能都要略低。
同时，MWNTs相较于SWNTs更便于分散处理，应用更为广泛。
除了单壁和多壁两种结构外，根据碳纳米管的管径、手性和烯结构等进一步可将碳纳米管细分为不同类型，如外径为几百纳米的纳米线状碳纳米管和手性控制的带有特定电学性质的碳纳米管等。
碳纳米管材料的制备与应用随着科技的不断发展，人类需要的材料也越来越多样化。
其中，碳纳米管材料已经逐渐成为各个领域的研究热点。
碳纳米管是由碳原子组成的管状结构，具有优异的电学、热学和机械性能，因此在材料科学、能源、电子学、生物医学等领域都有广泛的应用。
本文将着重讨论碳纳米管的制备与应用。
一、碳纳米管的制备方法碳纳米管的制备方法分为两类：化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)。
其中，化学气相沉积是目前主流的制备方法。
1. CVD法CVD法是一种将碳源物质通过高温反应在衬底上形成碳纳米管的方法。
该方法在过去几十年间被广泛应用。
其原理是将在高温下分解的碳源物质(MgO、Fe、Co、Ni等金属薄膜)与甲烷(CH4)等碳源反应，生成碳纳米管。
产生的碳纳米管在金属薄膜上进行生长，成品碳纳米管可以被用于许多领域，如生物医学、电子学和机械工程。
2. PVD法PVD法是物理气相沉积法，是将高温高真空条件下的碳到金属薄膜表面，使其发生化学反应产生的碳纳米管。
PVD法和CVD法相比，能够控制制备的材料的形态，所以在某些行业中得到了广泛应用。
二、碳纳米管的应用碳纳米管可应用于生物医学、电子，机械工程等诸多领域中。
下面我们将简述几个典型应用案例。
1.生物医学碳纳米管是最有前途的纳米生物材料之一，具有良好的潜在应用前景。
例如，在体内使用碳纳米管作为药物载体能够提高药物在体内的分布，从而改善治疗效果。
同时还可以在生物医学领域中应用到组织修复等方面。
虽然在生物医学应用领域，碳纳米管还有各种缺陷需要克服，但其无疑是一个相当有前景的材料。
2. 电子碳纳米管在电子领域中的应用被认为是随着大小更小的范围的涌现而产生的。
碳纳米管的应用在电学方面主要有两个方面：体积很小时还能保持完美的电性；因其结构的高度均匀性而成本效益较高。
3. 机械工程由于碳纳米管的力学性质优异，具有较高的韧性和高强度，可以有效解决一些结构耐磨、化学稳定度和热稳定度较差、承载能力不足，同时仍具有大量不仅仅是机架化的性能的问题，也具有广泛的应用和前景。
碳纳米管增强铝基纳米复合材料制备及性能研究碳纳米管增强铝基纳米复合材料是一种新型的高性能材料，具有独特的优势。
随着科技的不断进步，越来越多的研究人员开始关注这一领域。
本文将探讨碳纳米管增强铝基纳米复合材料制备及其性能研究。
一、碳纳米管碳纳米管是由碳原子排列成的管状结构，直径在几纳米到几十纳米之间，长度可以从纳米到厘米级别。
它具有高强度、高导电性和高导热性等特点，被认为是一种理想的纳米材料。
二、铝基纳米复合材料铝基纳米复合材料是由铝基合金和纳米材料混合制成的复合材料，具有高强度、高硬度、高韧性、高耐腐蚀性和高温稳定性等特点。
与传统的铝合金相比，铝基纳米复合材料的机械性能更加优越。
三、碳纳米管增强铝基纳米复合材料将碳纳米管添加到铝基纳米复合材料中可以改善其力学性能、导电性能和导热性能等。
碳纳米管与铝基复合材料的结合可以增加其界面强度和弹性模量，同时也可以增加其准晶程度和基体强度。
因此，碳纳米管增强铝基纳米复合材料具有非常好的综合性能。
四、碳纳米管增强铝基纳米复合材料的制备碳纳米管增强铝基纳米复合材料的制备方法主要包括机械合金化、熔体渗透、电化学合成和等离子喷涂等方法。
其中，机械合金化方法是一种广泛应用的方法，它可以实现大规模的制备。
五、碳纳米管增强铝基纳米复合材料的性能研究碳纳米管增强铝基纳米复合材料的性能研究主要包括力学性能、导电性能和导热性能等方面。
研究表明，添加适量的碳纳米管可以显著提高铝基纳米复合材料的力学性能，增加导电性能和导热性能。
同时，不同制备方法和制备参数也会对其性能产生影响。
六、未来发展碳纳米管增强铝基纳米复合材料的应用前景十分广泛。
它可以被广泛应用于航空航天、汽车制造、电子电器、医疗器械和建筑材料等领域。
未来，我们需要进一步加强对这种新型材料的研究，探索更加高效的制备方法和更加理想的应用场景。
七、结论碳纳米管增强铝基纳米复合材料是一种非常有前途的新型高性能材料。
研究表明，它具有非常好的力学性能、导电性能和导热性能等优势，可以被广泛应用于多个领域。
2006年第64卷化学学报V ol. 64, 2006第20期, 2123～2126 ACTA CHIMICA SINICA No. 20, 2123～2126* E-mail: nanozjut@Received November 19, 2005; revised February 28, 2006; accepted June 30, 2006.国家自然科学基金(No. 20476097)和浙江省自然科学重大基金(No. ZD0024)资助项目.2124化学学报V ol. 64, 2006自上个世纪中叶发现碳化钨(WC)在催化领域具有类Pt的催化性能以来, 其制备与应用研究已引起人们广泛的关注[1～6]. 在化学催化领域, WC可用作加氢、脱氢、异构化和烃类转化与合成等反应的催化剂[7]; 在电化学领域, WC在氢离子化和析氢反应等电催化方面有着广泛的应用前景[8,9]. 氢离子化反应是燃料电池中一个重要的电极反应, 该反应最大的难点之一是如何减少Pt等稀有贵金属催化剂的用量, 并解决上述贵金属在催化作用过程中的中毒问题. 由于WC有其独特的电催化性能、抗中毒能力和可替代Pt等贵金属催化剂的特性, 不仅可以应用于燃料电池中取代Pt等贵金属催化剂和解决中毒问题, 而且还可以广泛应用于其它化学催化领域, 因此, WC是一种非常有发展前景的催化剂. 但是, 如何进一步提高碳化钨的催化性能, 使其接近于铂等贵金属催化剂的催化活性, 是目前碳化钨催化剂研究过程中所面临的主要难题之一.研究表明[10～13], 纳米碳管具有优越的电子性能, 且可采用相应的技术手段对其进行调控. 纳米碳管这一独特性能使其可应用于复合材料, 并很好地改善复合材料的各种性能. 在复合材料制备方面, 纳米碳管因其优越的电子和机械性能, 是稳定复合材料的优秀载体候选材料[14]. 实验研究表明, 将Ru, Pt和Au纳米颗粒沉淀在纳米碳管上, 生成的杂化材料的光催化性能比Ru, Pt和Au纳米颗粒的好[15,16]. 在TiO2/C催化剂中, 金属氧化物和碳相之间体现出很好的协同效应或合作效应, 当金属氧化物颗粒在碳相中分散很好时, 上述效应可以得到加强[16]. 上述研究结果表明, 若将碳化钨颗粒沉淀到纳米碳管上, 同样可以增强其催化性能. 但是, 迄今为止国内外还没有WC/纳米碳管复合材料制备及其催化性能研究方面的文献报道.本文将表面修饰与原位还原碳化技术相结合, 制备出WC/纳米碳管复合材料, 对样品的形貌、晶相组成和化学成分进行了表征, 并采用粉末微电极对其电催化性能进行了评价, 并取得预期实验结果. 为WC/纳米碳管复合材料制备及其催化性能研究探索出了一条可行的技术途径.1 实验部分1.1 试剂与仪器实验所用原料及药品: 纳米碳管(市售, 深圳纳米港有限公司); 偏钨酸铵[市售, (NH4)2W4O13•H2O (AMT), ω(WO3)≥89%], H2(≥99.999%), CH4≥99.99%). 红外干燥箱, 管式电阻炉(SK2-2-10), 温度控制仪(厦门宇光). 1.2 样品制备(1) 采用湿化学法对纳米碳管进行纯化处理: 首先, 将适量的纳米碳管置于浓硝酸溶液中, 升温至150 ℃, 保温 4 h, 过滤后用去离子水冲洗六遍, 放置于红外灯干燥箱内干燥后备用.(2) 将适量的纯化后纳米碳管置于浓度为15%的偏钨酸铵水溶液中, 在60 ℃条件下处理4 h, 过滤后在80 ℃条件下干燥, 取适量的干燥后样品置于石英舟内, 并将石英舟推入管式电阻炉内. 通入氮气30 min, 然后通入H2和CH4 [V(CH4)∶V(H2)＝10∶1), 同时将电阻炉升温到900 ℃, 保温4 h. 自然冷却后即获所需样品. 1.3 样品表征X射线衍射分析在X射线衍射分析仪(XRD) (Thermo ARL SCINTAG X'TRA)中进行, 分析时采用Cu Kα靶(λ＝0.1541 nm), 工作电压45 kV, 管流40 mA, 步长0.04°, 扫描速度2.4 (°)/min, 范围15°～90°. 样品形貌与结构分析采用配有X射线能量散射谱(EDS, Cambridge)的高分辩透射电子显微镜(JEOL2010), 工作电压200 kV, 束流103 mA.1.4 电化学性能测试电化学测试所用的仪器为CHI660B型电化学工作站, 测试在三电极体系电解槽中进行. 工作电极为样品, 其半径为30 µm, 参比电极为饱和甘汞电极(SCE), 对电极为大面积Pt片. 在本文中所提及的电极电位均相对于SCE, 图中显示的峰电流均已扣除背景电流.实验测试在(298±0.1) K下进行. 在测试之前电解液中先鼓N2 0.5 h, 以除去其中的溶解氧.2 实验结果2.1 样品晶相组成样品的X射线衍射分析结果如图1所示. 从图中可以看出, 样品主要由三相组成: WC (JCPDS: 25-1047)、纳米碳管(JCPDS: 26-1079)和非化学计量比的氧化钨W18O49 (JCPDS: 05-0392). XRD分析结果表明, 样品中WC的结晶程度较高, 其(100), (101)晶面相对比较发育, 其次是(001)晶面, 而(102)晶面发育相对较差, 如图1中各衍射峰所示. 纳米碳管的衍射峰仅出现(003)面衍射峰, 其它晶面的衍射峰不明显, 如图1所示. W18O49衍射峰也以(100)面为主, 其它衍射峰不明显, 如图1所示.2.2 样品形貌与结构图2为纳米碳管纯化后的形貌. 从图中可看出, 纳米碳管经纯化后, 其离散性良好, 管径30～60 nm, 长大于600 nm, 部分碳管出现了开口现象.No. 20马淳安等：WC/纳米碳管复合材料制备及其电化学性能2125图1 样品XRD 图谱Figure 1XRD patterns of the products图2 纯化后纳米碳管的形貌Figure 2 SEM image of carbon nanotube treated样品的透射电子显微镜照片如图3a 所示, 从图中可以看出, 样品中的WC 颗粒均匀地分布于纳米碳管的外表面, WC 颗粒大小为30 nm 左右, 并与纳米碳管紧密结合, 如图3b 所示. 上述结果说明, WC 颗粒与纳米碳管构成了纳米复合材料. 2.3 电化学性能将样品制备成粉末微电极. 粉末微电极的制备方法及其结构详见参考文献[17]. 图4为介孔空心球状碳化钨及样品所制备的粉末微电极在对硝基苯酚(0.01 mol/L)和氢氧化钠(0.05 mol/L)水溶液中的循环伏安曲线. 从图中可以看出, 碳化钨/纳米碳管复合材料在电位为－0.944 V 附近有一个明显的还原峰, 其对应的峰电流为16.37 µA, 如图4曲线(1)所示; 介孔空心球状碳化钨在电位为 －0.817 V 附近也有一个明显的还原峰, 其对应的峰电流为4.058 µA, 如图4曲线(2)所示. 与介孔空心球状WC 对对硝基苯酚电还原性能[18]相比, 碳化钨/纳米碳管复合材料的还原电位明显后移, 其位移量为0.127 V; 还原峰电流明显增强, 复合材料的峰电流是介孔空心球状峰电流的4倍. 这说明样品对对硝基苯酚电催化作用明显强于介孔空心球状碳化钨样品. 这反映将WC 与纳米碳管构成复合材料后, 其电催化性能得到了明显的增强.图3 样品形貌与结构Figure 3TEM and HRTEM images of the samples图 4 样品和介孔空心球状碳化钨在对硝基苯酚(0.01 mol/L)和氢氧化钠(0.05 mol/L)水溶液中的循环伏安曲线Figure 4 Cyclic voltammograms of the microeletrode of the samples and hollow global WC in 0.5 mol/L NaOH ＋0.01 mol/L p -nitrophenol solution (scan velosity 0.05 V/s)3 结论根据上述结果, 可以得出以下主要结论: (1)将表面修饰与原位还原碳化技术相结合可以制备出WC/纳米碳管复合材料; (2)WC/纳米碳管复合材料对对硝基苯酚的电催化性能明显强于具有介孔结构的2126化学学报V ol. 64, 2006纯碳化钨样品; (3)将WC纳米颗粒复合到纳米碳管的外表面是提高WC电催化活性的有效方法之一.References1 Levy, R. 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