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碳纳米材料优势及品质控制碳纳米材料是一类由碳元素组成的纳米尺度材料，具有独特的物理、化学和力学性质。
在过去几十年里，碳纳米材料已经在诸多领域展现出了巨大的潜力和广泛的应用。
本文将介绍碳纳米材料的优势以及品质控制的重要性。
首先，碳纳米材料具有高比表面积的优势。
由于其纳米级的尺寸，碳纳米材料拥有巨大的比表面积，这使得它们具有出色的吸附和催化性能。
比表面积越大，材料与周围环境的接触面积就越大，从而提高了材料的反应效率和吸附能力。
例如，碳纳米管具有高比表面积和优异的导电性能，已被广泛应用于电池、催化剂和传感器等领域。
其次，碳纳米材料具有优异的机械性能。
由于碳原子之间的强键结合，碳纳米材料具有出色的机械强度和刚度。
碳纳米材料不仅具有高拉伸强度和弹性模量，而且还具有出色的耐磨性和抗腐蚀性。
这使得碳纳米材料在材料加工和结构设计中具有巨大的潜力。
例如，碳纳米纤维可以增强复合材料的力学性能，用于航空航天、汽车和船舶等领域。
此外，碳纳米材料还具有优异的电子和光学性能。
碳纳米材料，如石墨烯和碳纳米管，表现出了与传统材料完全不同的电子运输和光学特性。
石墨烯具有高载流子迁移率和极低的电阻率，被认为是下一代电子器件的理想材料。
而碳纳米管则具有优异的光学吸收和发射性能，适用于光电子器件和光学传感器等领域。
这些优异的电子和光学性能使得碳纳米材料在纳米电子和纳米光子学中具有广阔的应用前景。
然而，要实现上述碳纳米材料的优势，品质控制显得至关重要。
品质控制涉及到多个方面，包括材料的纯度、形貌、尺寸以及结构等。
首先，高纯度的碳纳米材料对于确保其性能的一致性和可靠性至关重要。
杂质和缺陷会显著影响材料的物理和化学性质，降低其性能。
因此，采用高效的材料合成和纯化技术是品质控制的重要一环。
其次，形貌和尺寸的一致性也是品质控制的关键。
碳纳米材料的形貌和尺寸决定了其物理和化学性质，在应用中起着重要作用。
例如，碳纳米管的直径和长度对其电子输运性能有较大影响，因此确保形貌和尺寸的一致性是品质控制的重要任务。
碳纳米材料概述名字：唐海学号：1020560120前言纳米碳材料是指分散相尺度至少有一维小于100nm的碳材料。
分散相既可以由碳原子组成，也可以由异种原子（非碳原子）组成，甚至可以是纳米孔。
纳米碳材料主要包括三种类型：碳纳米管，碳纳米纤维，纳米碳球。
近年来，碳纳米技术的研究相当活跃，多种多样的纳米碳结晶、针状、棒状、桶状等层出不穷。
2000年德国和美国科学家还制备出由20个碳原子组成的空心笼状分子。
根据理论推算，包含20个碳原子仅是由正五边形构成的，C60分子是富勒烯式结构分子中最小的一种，考虑到原于间结合的角度、力度等问题，人们一直认为这类分子很不稳定，难以存在。
德、美科学家制出了C60笼状分子为材料学领域解决了一个重要的研究课题。
碳纳米材料中纳米碳纤维、纳米碳管等新型碳材料具有许多优异的物理和化学特性，被广泛地应用于诸多领域。
分类(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、多壁碳纳米管和双壁碳纳米管。
(2)碳纤维分为丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维两种。
碳纤维质轻于铝而强力高于钢，它的比重是铁的1／4，强力是铁的10倍，除了有高超的强力外，其化学性能非常稳定，耐腐蚀性高，同时耐高温和低温、耐辐射、消臭。
碳纤维可以使用在各种不同的领域，由于制造成本高，大量用于航空器材、运动器械、建筑工程的结构材料。
美国伊利诺伊大学发明了一种廉价碳纤维，有高强力的韧性，同时有很强劲的吸附能力、能过滤有毒的气体和有害的生物，可用于制造防毒衣、面罩、手套和防护性服装等。
(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)未完全石墨化的纳米碳球，直径在50nm一1μm之间；(3)碳微珠，直径在11μm以上。
另外，根据碳球的结构形貌可分为空心碳球、实心硬碳球、多孔碳球、核壳结构碳球和胶状碳球等。
碳纳米材料综述课程：纳米材料日期：2015 年12 月碳纳米材料综述摘要：纳米材料是一种处于纳米量级的新一代材料，具有多种奇异的特性，展现特异的光、电、磁、热、力学、机械等物理化学性能，这使得纳米技术迅速地渗透到各个研究领域，引起了国内外众多的物理学家、化学家和材料学家的广泛关注，也成为当前世界最热门的科学研究热点。
物理学家对纳米材料感兴趣是因为它具有独特的电磁性质，化学家是因为它的化学活性以及潜在的应用价值，材料学家所感兴趣的是它的硬度、强度和弹性。
毫无疑问，基于纳米材料的纳米科技必将对当今世界的经济发展和社会进步产生重要的影响。
因此，对纳米材料的科学研究具有非常重要的意义。
其中，碳纳米材料是最热的科学研究材料之一。
我们知道，碳元素是自然界中存在的最重要的元素之一，具有sp、sp2、sp3等多种轨道杂化特性。
因此，以碳为基础的纳米材料是多种多样的，包括常见的石墨和金刚石，还包括近几年比较热门的碳纳米管、碳纳米线、富勒烯和石墨烯等新型碳纳米材料。
关键词：纳米材料碳纳米材料碳纳米管富勒烯石墨烯1．前言从人类认识世界的精度来看，人类的文明发展进程可以划分为模糊时代（工业革命之前）、毫米时代（工业革命到20世纪初）、微米和纳米时代（20世纪40年代开始至今）。
自20世纪80年代初，德国科学家Gleiter提出“纳米晶体材料’，的概念，随后采用人工制备首次获得纳米晶体，并对其各种物性进行系统的研究以来，纳米材料己引起世界各国科技界及产业界的广泛关注。
纳米材料是指特征尺寸在纳米数量级（通常指1—100 nm）的极细颗粒组成的固体材料。
从广义上讲，纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。
通常分为零维材料（纳米微粒），一维材料（直径为纳米量级的纤维），二维材料（厚度为纳米量级的薄膜与多层膜），以及基于上述低维材料所构成的固体。
从狭义上讲，则主要包括纳米微粒及由它构成的纳米固体（体材料与微粒膜）。
碳纳米材料用途
纳米碳材料是指分散相尺度至少有一维小于100nm的碳材料。
分散相既可以由碳原子组成，也可以由异种原子(非碳原子)组成，甚至可以是纳米孔。
纳米碳材料主要包括三种类型:碳纳米管，碳纳米纤维，纳米碳球。
1.锂电池领域，在锂电池中该材料主要用于正负极中增加导电性使用，以降低电池内阻，从而减小电池内阻降低自放电等，一般加了碳管的电池低温性能会好一点，总而言之这是一款电池里面的味精，对电池性能提升有一定的作用，但无法起到决定性作用。
2.塑料领域，一般是将碳纳米管干粉通过双螺杆挤出等工艺与聚合物材料共混然后造粒，可以提高塑料产品的导电能力，在一些如静电屏蔽领域有较好的应用。
3.重防腐涂料，如船泊、集装箱等经常需要在海上工作的金属部件会受到海水的严重侵蚀，所以一般会在其表面涂覆重防腐涂料，传统的重防腐涂料会有大量的锌粉添加剂，出于降成本和改善涂料性能的目的，很多做涂料的公司正在开发将石墨烯，碳纳米管等新型碳材料添加到涂料中可在性能指标一致的情况下大幅度降低锌粉的用量，这一块的应用还是很不错的，个人认为比在电池中的作用大。
最轻最硬的材料碳纳米管（carbon nanotube，简称CNT）是一种由碳原子构成的纳米材料，具有极其轻巧和出色的机械性能，因此被誉为“最轻最硬的材料”。
碳纳米管的直径约为1到2纳米，长度可以达到数毫米甚至更长，其比表面积非常大，而且具有优异的导电性和导热性。
这些特性使得碳纳米管在诸多领域具有广泛的应用前景。
首先，碳纳米管在材料科学领域具有巨大的潜力。
由于其出色的机械性能，碳纳米管可以用于制备高强度、高韧性的复合材料，例如碳纳米管增强的聚合物复合材料，可以用于制造轻质、高强度的航空航天材料。
此外，碳纳米管还可以用于制备导电性能优越的复合材料，例如碳纳米管与聚合物复合材料可用于制造柔性电子产品，如可穿戴设备和柔性显示屏等。
其次，碳纳米管在电子器件领域也有着重要的应用价值。
由于碳纳米管具有优异的导电性能，可以作为微电子器件的材料。
研究人员已经成功地制备了碳纳米管场效应晶体管，并展示了其在逻辑电路和射频电路中的潜在应用。
此外，碳纳米管还可以作为场发射材料，用于制备纳米尺度的发射器件，如碳纳米管场发射显示器和碳纳米管场发射射频放大器等。
此外，碳纳米管还在能源领域具有重要意义。
由于碳纳米管具有优异的导电性和导热性，可以作为电池、超级电容器和热管理材料的关键组成部分。
研究人员已经利用碳纳米管制备了高性能的锂离子电池和超级电容器，并展示了其在储能和能量转换方面的潜在应用。
此外，碳纳米管还可以作为高效的热导材料，用于制备热界面材料和热导管，用于提高电子器件和光电器件的散热性能。
综上所述，碳纳米管作为“最轻最硬的材料”，具有广泛的应用前景。
在材料科学、电子器件和能源领域，碳纳米管都具有重要的应用价值，将为相关领域的发展带来新的机遇和挑战。
随着人们对碳纳米管的深入研究和应用，相信碳纳米管必将在未来发挥越来越重要的作用，为人类社会的发展做出更大的贡献。
第一章碳纳米材料简介碳元素碳在元素周期表中排第六位,是自然界分布非常广泛的元素,也是目前最重要、最使人着迷的元素之一。
尽管它在地壳中含量仅为0.027%,但是对一切生物体而言,它是最重要且含量最多的元素,人体中碳元素约占总质量的18%。
碳元素是元素周期表中ⅣA族中最轻的元素。
它存在三种同位素：12C、13C、14C。
碳单质有多重同素异形体,他是迄今为止人类发现的唯一一种可以从零围到三维都稳定存在的物质。
如零维的富勒烯（fullerenes）,一维的碳纳米管（carbon nanotubes）,二维的石墨烯（graphene）,三维的金刚石（diamond）和石墨（graphite）等。
碳纳米材料富勒烯富勒烯是指完全由碳原子组成的具有空心球状或管状结构的分子。
1985年,Kroto,Smalley和Curl在美国莱斯大学发现了第一个富勒烯分子——C60。
这一发现使得他们赢得了1996年的诺贝尔化学奖。
C60由60个原子组成,包含20个六元环和12个五元环。
这些环平面堆积在一起的方式和足球的表面结构一样,因此也也被称为足球烯。
从那以后,不同分子质量和尺寸的富勒烯纷纷被制备出来。
C60的发现和研究开启了对碳元素和碳纳米材料广泛、深入研究的新时代,对纳米材料科学和技术的发展起到了极大的推动作用。
由于其独特的结构,富勒烯同时具有芳香化合物和缺电子烯烃的性质,表现出很多优良的物理和化学性质（表1-1）表1-1 C60的一些基本物理和化学性质形态密度电阻率相变温度溶解性化学特性范德华直径毒性黑色固体 1.65g/cm3 4.5*103Ω·cm 800℃升华可溶于常见有机溶剂具有芳香性、多烯特性及优良的电化学特性1.1nm无毒碳纳米管碳纳米管（carbon nanotubes）是由碳原子形成的管状结构分子,包括单壁碳纳米管（single-walled carbon nanotubes,SWNTs）和多壁碳纳米管（multi-walled carbon nanotubes,MWNTs）。
其直径从几百皮米到几十纳米,而长径比可以上万。
碳纳米管是前最重要的一维纳米材料之一。
虽然对碳纳米管发现的确切时间存在争议,但公认碳纳米管从1991年才引起了科学界的广泛兴趣。
1991年日本的Iijima在研究富勒烯的制备过程中由于电弧产物中发现了多壁碳纳米管,并利用透射电镜证实了它的存在。
随后在1993年,他又发现了单壁碳纳米管,与此同时,Bethune等也独立观察到了单壁碳纳米管。
单壁碳纳米管可看成是由一层石墨烯沿一定角度卷曲而成的管状结构（图1-1）。
根据卷曲角度的不同,可以形成具有不同手性和直径的碳纳米管,因此常用两个整数（n,m）表征单壁碳纳米管的结构。
当m=0时,该类单壁碳纳米管被称为锯齿形（zigzag）单壁碳纳米管；当n=m时,该类单壁碳纳米管被称为扶手椅形（armchair）单壁碳纳米管；其他的均被称为手性（chiral）碳纳米管。
单壁碳纳米管的直径可以通过两个指数算出来。
图1-1 单壁碳纳米管结构示意图由于其特殊的结构,碳纳米管具有许多优良的性质。
从电学性质来看,碳纳米管可分为金属型（metallic,带隙为零）和半导体型（semiconducting,带隙可达2eV）。
单壁碳纳米管的一些重要性质如表1-2。
表1-2 单壁碳纳米管的一些重要性质形态密度溶解性拉升强度杨氏模量迁移率热导率黑色固体0.8-2.0g/cm3常见溶剂中完全不溶100GPa 1TPa 100000cm2/(V·s) 3500W/(m·K)石墨烯石墨烯是碳的二维同素异形体,虽然它在理论上很早就被关注,也很早被制备出来,但真正的广泛研究却始于2004年。
曼彻斯特大学的Geim和Novoselov首次利用简单的胶带粘揭的方法（Scotch taping）获得了近乎完美和自由状态的石墨烯,并观察到了其前所未有的电学性质。
两人因此荣获2010年的诺贝尔物理学奖。
石墨烯是构成碳元素其他几种重要同素异形体的基本组件。
如图1-2所示,多层石墨烯的堆叠可构成三维的石墨,石墨烯卷曲成环可构成一维的碳纳米管,具有一定形状的石墨烯缠绕闭合可构成零维富勒烯。
因此,石墨烯这种最新发现的碳的同素异形体一直是众多早期理论研究的对象,而早期相关的实验工作大部分局限于石墨插层化合物和石墨氧化物。
从化学结构来看,碳的这几种同素异形体,富勒烯、碳纳米管和石墨烯,均由sp2杂化碳原子组成,是具有很大π电子共轭体系的芳香化合物。
然而在此之前,尚没有任何一种材料能够像石墨烯一样,同时具有惊人的迁移率、显著的室温霍尔效应、稳定的狄拉克电子结构、媲美ITO的透光性、超高的机械强度和热导率等众多诱人的性质。
图1-2 石墨烯是构成碳元素其他几种重要同素异形体的基本组件第二章石墨烯的发现、基本结构和性质石墨烯的发现和历史石墨烯是由一层碳原子构成的二维碳纳米材料。
根据严格意义上的二维原子晶体理论,热力学上严格和独立的二维原子晶体是不稳定的,但是准二维（quaitwo dimension）原子晶体材料,即具有褶皱的或附着在其他基底上的二维材料是可以存在的。
2004年Geim等获得的石墨烯就属于上述准二维原子晶体材料。
石墨烯(graphene)这个术语早在2004年之前就已被使用。
1986年,Boehm等首先给出了“graphene”的定义：“The term graphene layer should be used for such a single carbon layer”。
1997年,IUPAC明确定义“graphene”：“The term graphene should be used only when the reactions,structural relations or other properties of individual layers are discussed”。
目前,中文相应的定义还有待明确和标准化。
20世纪60—70年代,有关石墨烯的研究主要分3个方面：①理论研究；②关于石墨插层（graphite intercalation compound）和石墨氧化物(graphite oxide)在化学和材料方面的研究；③利用显微镜电镜等对碳薄膜材料的研究。
80—90年代由于富勒烯和碳纳米管的发现,人们开始对各种潜在的碳同素异形体进行大规模的探索。
这期间,人们获得了数纳米厚的（几十层）的石墨片（nanoflake）。
严格意义上的石墨烯,即单原子厚度的石墨烯的发现应归功于Geim团队在2004年利用极其简单的taping方法获得的成果。
他们不仅获得了近乎完美的石墨烯,更重要的是他们观察到了石墨烯这一系列前所未有的电学性质。
石墨烯优良性质的发现掀起了科学家继富勒烯和碳纳米管之后对碳同素异形体材料探索研究的第三次浪潮。
石墨烯的基本结构和性质石墨烯的原子排列与石墨的单原子层相同,是碳原子sp2杂化轨道按蜂巢晶格排列构成的单层二维晶体。
石墨烯可想象为由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网。
石墨烯的命名来自英文的graphite(石墨)+ene（烃类词尾）,因此,石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。
石墨烯是由sp2碳原子以蜂巢晶格构成的二维单原子层结构。
每个碳原子周围有3个碳原子成键,C—C键长1.42Å,键角120°；每个碳原子以3个sp2杂化轨道和邻近的3个碳原子形成3个σ键,剩下的1个p轨道和邻近的其他碳原子一起形成共轭体系,每个碳原子贡献1个P电子。
因此,石墨烯的C—C骨架由σ键参与构成,在这个骨架的上下分布有成对的电子云,这种成键形式和苯环的成键模式完全一样,因此石墨烯也可看成是一个巨大的稠环芳烃,这一认识对理解石墨烯的特殊性质和材料性能十分重要。
值得注意的是,虽然石墨烯是其他碳的同素异形体的基本构成单元,但和富勒烯及碳纳米管的成键方式仍有重要不同。
在石墨烯以及石墨中,每个C—C键角都小于120°,C—C键存在一定的张力,因此富勒烯和碳纳米管中碳原子的化学活性要大于石墨烯中的碳原子。
石墨烯的特殊结构决定了其独特的性质。
从分子层面上考虑,石墨烯中碳原子的许多性质和苯环上的碳原子有类似之处,然而由于石墨烯由无数个六元环构成,并且其边缘氢原子对分子贡献远小于苯环,因此其许多性质又有所不同；从宏观层面看,石墨烯就是单层石墨,它的边缘性质和石墨有一定程度上的类似。
因此,石墨烯同时具有部分稠环芳烃和石墨的化学性质。
石墨烯碳骨架周围丰富的电子云导致其很容易进行π-π堆积,形成多层的石墨结构,石墨烯众多优良的物理性质是从这一特殊结构获得的。
表2-1总结了石墨烯的本征性质,下面将逐个简单介绍。
表2-1 石墨烯物理性质总结性质数值备注晶格矢量长度aC =√3aC—CaC—C≈1.42Å比表面积2600m2·g-1理论预测值迁移率15000cm2·V-1·s-1（通常）200000cm2·V-1·s-1（理论）室温测得平均自由程300—500nm 室温测得费米速率C/300=1000000m·s-1室温测得电子有效质量0.06m室温测得e室温测得空穴有效质量0.0me热导率(5.3±0.48)×103W·m-1·K-1比大部分晶体高断裂强度40N·m-1达到理论极限杨氏模量 1.0TPa 10倍于钢透光性97.7% 可见光石墨烯的电子性质和能带结构石墨烯最令人惊奇的是其非常特殊的电子（电学）性质。
和其他绝大多数二维材料不同,它是一个零带隙半导体,该性质取决于其特殊的能带结构。
理想石墨烯的能带结构是完全对称的锥形价带（valence band）和导带（conduction band）对称的的分布在费米能级（Fermi level）上下,导带和价带的交叉点即为狄拉克点（Dirac point）(图2-1)。
和普通金属或半导体不同,石墨烯中电子不遵循薛定谔方程,而是遵循狄拉克方程。
这是因为：①每一个C—C键都有一个成键轨道和反键轨道,且以C—C键为平面完全对称；②整个石墨烯分子结构中的每个π键相互共轭形成≈106m·s-1）移动,表现出零质量行为,从根本上说,石墨了巨大的共轭大π键,电子或空穴在如此巨大的共轭体系中可以以很高的电子费米速率（vF烯中许多电子行为类似于二维电子气,质量只有自由电子的1/10。
图2-1单层石墨烯的能带示意图电荷传输性质由于上述特性,石墨烯中的载流子（也称为狄拉克费米子）具有非同一般的传输性能。
载流子可以以近乎光速的速度移动,因此石墨烯具有很高的电荷迁移率。
