碳纳米管
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碳纳米管定义
碳纳米管是一种由碳原子构成的纳米材料,具有管状结构。
它的直径通常在纳米尺度(纳米级别为1100纳米)范围内,
长度可以从纳米到微米级别。
碳纳米管的结构可以分为单壁碳
纳米管和多壁碳纳米管两种。
单壁碳纳米管由一个原子薄的石墨单层卷曲而成,形成一个
管状结构。
单壁碳纳米管的墙壁由碳原子构成,以六边形的芳
香环排列。
其典型特点是具有高强度、高导电性、高热导率和
良好的力学性能。
多壁碳纳米管由多个同心圆层组成,每个层均由碳原子六边
形结构构成,层与层之间的间距一般为0.34纳米。
多壁碳纳米管具有类似于单壁碳纳米管的特性,但其力学性能和导电性能
相对较差。
碳纳米管具有独特的物理和化学性质,广泛应用于材料科学、电子学、能源储存和传感器等领域。
由于其独特的结构和性能,碳纳米管在电子器件中可以用作纳米导线、场发射器件、纳米
传感器等。
此外,碳纳米管还被研究用于制备高性能锂离子电池、超级电容器和光催化材料等。
相信随着科学技术的不断发展,碳纳米管将在更多领域发挥重要作用。
碳纳米管吸附原理
碳纳米管是一种由碳原子构成的纳米尺寸的管状结构。
碳纳米管具有高强度、高导电性和高导热性等特点,因此被广泛应用于吸附材料的研究领域。
碳纳米管的吸附原理主要有以下几个方面:
1. 表面积效应:碳纳米管具有非常高的比表面积,可以提供大量的吸附活性位点,使其有更高的吸附能力。
这是因为纳米管具有纳米级的空隙和通道,更多的活性位点可以与吸附分子发生相互作用。
2. π-π堆积效应:碳纳米管的构造使其具有良好的π电子体系,可以与含有芳香环结构的吸附分子发生π-π堆积作用。
这种堆
积作用可以增强吸附分子与碳纳米管之间的相互作用力,从而提高吸附效果。
3. 范德华力:碳纳米管表面上存在范德华力,这种力可以从长距离上吸引吸附分子,并将其紧密地吸附在管表面上。
范德华力是一种弱作用力,但由于碳纳米管具有大量的吸附位点,因此可以累积起来,形成较强的吸附效果。
4. 其他作用力:除了上述几种作用力之外,碳纳米管的表面还可能存在静电作用力、氢键作用力等其他吸附相互作用。
这些作用力都可以对吸附分子发挥一定的吸引力,增强吸附效果。
总的来说,碳纳米管的吸附原理是多种相互作用力的综合效应。
通过利用碳纳米管的高比表面积和特殊结构,可以实现对各种不同物质的高效吸附。
这种吸附特性使碳纳米管在环境污染治理、能源储存和分离等领域具有重要的应用前景。
碳纳米管的制备方法碳纳米管(Carbon Nanotubes, CNTs)是一种具有优异性能和广泛应用前景的纳米材料,具有极高的比表面积、优异的导电性和热导率,因此在材料科学、纳米技术、能源存储等领域有着重要的应用价值。
碳纳米管的制备方法多种多样,下面将介绍几种常见的制备方法。
1. 化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition, CVD)。
化学气相沉积法是目前制备碳纳米管最常用的方法之一。
在CVD过程中,碳源气体(如甲烷、乙烯等)与载气(如氢气、氨气等)在高温条件下通过催化剂(如铁、镍、钴等)的作用下发生化学反应,生成碳原子,最终在催化剂表面形成碳纳米管。
CVD方法制备的碳纳米管质量较高,但是需要高温和高真空条件,设备成本较高。
2. 弧放电法(Arc Discharge)。
弧放电法是一种较为简单的碳纳米管制备方法,通过在高温下将碳源(如石墨)和金属催化剂(如铁、钴、镍等)放电,产生高温等离子体,从而在合成碳纳米管。
弧放电法制备的碳纳米管质量较高,但是产率较低,且需要严格控制反应条件。
3. 化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition, CVD)。
化学气相沉积法是目前制备碳纳米管最常用的方法之一。
在CVD过程中,碳源气体(如甲烷、乙烯等)与载气(如氢气、氨气等)在高温条件下通过催化剂(如铁、镍、钴等)的作用下发生化学反应,生成碳原子,最终在催化剂表面形成碳纳米管。
CVD方法制备的碳纳米管质量较高,但是需要高温和高真空条件,设备成本较高。
4. 气相凝结法(Gas-phase Condensation)。
气相凝结法是一种通过在高温下将碳源气体(如甲烷、乙烯等)在惰性气体氛围中加热,然后通过快速冷却的方法制备碳纳米管。
在气相凝结法中,碳原子在高温下先形成团簇,然后在快速冷却的条件下形成碳纳米管。
这种方法制备的碳纳米管产率较高,但是质量相对较低。
5. 水热法(Hydrothermal Synthesis)。
碳纳米管概述碳纳米管是一种由石墨碳原子结晶而成的无缝、中空的管状纳米碳材料,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1-6Na,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0.34Na。
主要性能1、优异的力学性能由于碳纳米管的结构与高分子材料的结构相似,但碳纳米管的结构更稳定,且具有超高的长径比,所以,碳纳米管具有超高的抗拉强度、良好的柔韧性和弹性。
碳纳米管的抗拉强度是钢的100倍,弹性模量是钢的5倍,而密度只有钢的1/6。
碳纳米管在被压扁后撤去压力,可以象弹簧一样立即恢复原状。
2、良好的导电性能由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同,所以具有很好的电学性能,且随着碳纳米管管径的减少表现出更好的导电性能,最高可以达到金属铜的电导率的一万倍。
据称,当管径小于6Na时,碳纳米管可看成是一根量子导线;当管径小于0.7Na时,碳纳米管在低温条件下具有超导性能。
3、良好的传热性能由于碳纳米管具有超高的长径比,沿其长度方向具有很高的热交换性能,而沿其径向方向热交换性能较低,所以,利用碳纳米管可以合成各向异性的热传导材料。
此外,碳纳米管具有较高的热导率,只要在其它材料中掺入少量碳纳米管,就可以大大提高复合材料的热导率。
4、优异的光学性能碳纳米管具有光学偏振性、光学各向异性、电致发光性及对红外辐射异常敏感等性能。
5、良好的电磁性能碳纳米管的尖端具有纳米尺度的曲率, 在相对较低的电压下就能够发射大量的电子, 呈现出良好的场致发射特性。
6、其它性能碳纳米管还具有熔点高(据称是已知材料中熔点最高的)、吸附能力强、催化催催化性能、宽带微波吸收能力强等性能主要应用1、用于制备碳纳米合成材料,如高强度复合材料、导电塑料、电磁干扰屏蔽材料、隐形材料、暗室吸波材料等。
碳纳米管是由单层或多层石墨片围绕同一中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管结构,两端通常被由五元环和七元环参与形成的半球形大富勒烯分子封住,端口的结构遵循鼎足五边形定则和欧拉定理。
端帽大部分都被认为是在六方网格状的碳纳米管中掺杂着五元环或者七元环的拓扑缺陷。
每层纳米管的管壁是一个由碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形网络平面所围成的圆柱面(图1)。
CNT根据管状物的石墨片层数可以分为单壁碳纳米管(SWNTs) 和多壁碳纳米管(MWNTs)。
图1SWNT的结构示意图(1)单壁碳纳米管的结构单壁碳纳米管在概念上可被认为是卷起来的单层石墨烯,直径大小分布范围小、缺陷少,具有更高的均匀一致性,是理想的分子纤维。
SWNT的管径一般为0. 7~3. 0 nm,长度为 1~50 μm,是一种理想的纳米通道,可用作储氢材料、半导体及场发射材料等。
SWNT可看做是由单层石墨烯片卷曲成的,在石墨烯片层卷成圆柱体的过程中,边界上的悬空键随即结合,从而导致碳纳米管轴方向的随机性。
在一般的碳纳米管结构中,碳原子的六边形格子是绕成螺旋型的,碳纳米管具有一定的螺旋度,如果将SWNT的石墨烯面沿纵向展开,就呈现类似于石墨烯面的二维几何形态。
碳纳米管的结构参数都能够由( n,m) 指数来确定。
不同的( n,m) 对应不同的手性矢量、手性角、卷曲方式、直径和周长等结构参数。
根据卷起的方向矢量(n,m)不同,SWNT 大致可呈现金属性(n-m = 3k,k为整数,无能隙)或半导体性(n-m ≠ 3k,k为整数,有能隙)。
根据折起的外部形态的不同,SWNT可分为扶手椅式、锯齿式和手性式。
通常,当m=n 时,称为扶手椅型管; 当 m=0 时,称为锯齿型管; 其他则一般称为手性管。
图2 几种不同类型的单壁碳纳米管(2)多壁碳纳米管的结构MWNT是由几层到几十层石墨烯片同轴卷曲而成的无缝管状物。
其层数从2到50不等,层间距为±nm,与层间距 nm的石墨相当,且层与层之间排列无序。
碳纳米管的各种缺点
碳纳米管听起来很厉害的样子,可它呀,毛病还真不少呢。
就说它的制备吧,那可不容易。
制备过程就像伺候一个特别挑剔的小宝贝,条件要求可严格啦。
稍微有一点没达到要求,出来的碳纳米管就可能质量不行。
这就好比你想烤个完美的蛋糕,温度高一点低一点,烤出来的效果就差远了。
而且制备成本还挺高的,就像你去买很贵很贵的高级食材来做菜,一般人可有点承受不起呢。
碳纳米管在环境方面也有点让人头疼。
如果处理不好,它可能就会成为一个小麻烦制造者。
它要是释放到环境里,可能就会像调皮的小捣蛋鬼一样,不知道会对周围的东西产生啥不好的影响。
还有啊,碳纳米管的安全性也让人心里打鼓。
你想啊,要是把它用到一些和人体接触比较多的东西上,就像穿的衣服或者用的医疗设备里,万一它有啥坏心眼儿,对人体健康搞点破坏可咋整。
就像是请了个不知道底细的人到家里,总是有点不放心的。
在应用的时候呢,它的分散性也是个大问题。
就像一群调皮的小朋友,总是聚在一起,不好分开。
这就导致在很多需要均匀分布碳纳米管的地方,它总是不能好好听话,影响最终的使用效果。
另外呀,对碳纳米管的性能检测和质量控制也不容易。
就像你要检查一个特别复杂的小玩意儿,得费好大的劲儿才能搞清楚它到底好不好,有没有啥毛病。
这就使得在大规模使用碳纳米管的时候,总是得小心翼翼的,生怕出啥岔子。
虽然碳纳米管有很多潜在的用途,但是这些缺点就像它身上的小尾巴,拉着它不能那么快地大步向前呢。
碳纳米管生长方法
碳纳米管是一种具有许多潜在应用的纳米材料,其生长方法主
要包括化学气相沉积(CVD)、电弧放电法、激光热解法和化学溶液
法等。
首先,化学气相沉积(CVD)是最常用的生长碳纳米管的方法之一。
在CVD过程中,碳源气体(如甲烷、乙烯等)与载气(如氢气)通过加热的衬底(通常是金属催化剂)反应,形成碳原子,然后在
金属催化剂表面形成碳纳米管。
其次,电弧放电法是另一种生长碳纳米管的方法。
在该方法中,碳源(如石墨粉末)和金属催化剂(如铁、镍)置于电极间,在高
温高压的条件下进行放电,形成碳原子并在金属催化剂表面生长碳
纳米管。
另外,激光热解法是利用激光对碳源进行加热,使其热解生成
碳原子,并在金属催化剂表面生长碳纳米管的方法。
最后,化学溶液法是一种在溶液中利用碳源和金属催化剂生成
碳纳米管的方法,通常在高温下进行。
总的来说,这些方法各有优劣,选择合适的生长方法取决于所需的碳纳米管类型、规模和应用。
在实际应用中,研究人员会根据具体需求选择最合适的生长方法,以获得所需品质的碳纳米管。
碳纳米管的制备碳纳米管是一种具有独特结构和优异性能的纳米材料,广泛应用于电子器件、储能材料、传感器等领域。
本文将介绍碳纳米管的制备方法及其原理。
一、碳纳米管的制备方法碳纳米管的制备方法主要包括化学气相沉积法、电弧放电法、激光烧蚀法和碳化合物热解法等。
下面将对其中的几种常用方法进行详细介绍。
1.化学气相沉积法化学气相沉积法是目前最常用的制备碳纳米管的方法之一。
其原理是在适当的温度下,将含有碳源和催化剂的气体通过反应管,使之在催化剂表面发生化学反应,生成碳纳米管。
该方法具有制备工艺简单、成本较低等优点。
2.电弧放电法电弧放电法是一种较早被发现的碳纳米管制备方法。
其原理是在高温下,通过电弧放电使碳源蒸发,生成碳烟,进而形成碳纳米管。
该方法制备的碳纳米管质量较高,但成本较高,且产量较低。
3.激光烧蚀法激光烧蚀法是利用激光脉冲对含有碳源的固体进行瞬时加热,使之发生爆炸和蒸发,生成碳纳米管。
该方法制备的碳纳米管结构较好,但对设备要求较高,且产量较低。
4.碳化合物热解法碳化合物热解法是一种将碳源与金属催化剂一起加热至高温,使碳源在催化剂表面发生热解反应生成碳纳米管的方法。
该方法制备的碳纳米管质量较高,但对设备要求较高,且成本较高。
二、碳纳米管的制备原理无论是哪种制备方法,碳纳米管的制备都基于碳原子的重新排列和堆积。
以化学气相沉积法为例,其制备原理如下:在适当的温度下,将含有碳源和催化剂的气体通过反应管。
在催化剂表面,碳源分解生成碳原子,并在催化剂的作用下重新排列和堆积,形成碳纳米管的结构。
催化剂在碳纳米管的形成过程中起到了关键的作用。
一方面,催化剂可以提供活性位点,促使碳原子的重新排列和堆积;另一方面,催化剂还可以调控碳纳米管的直径和结构。
制备碳纳米管的温度也是一个重要的参数。
温度过高会导致碳纳米管的生长速度过快,从而影响其结构和质量;温度过低则会降低碳纳米管的生长速度。
除了制备方法和制备温度,碳源的选择也会对碳纳米管的结构和性能产生影响。
碳纳米管介绍碳纳米管是由碳原子构成的纳米尺度管状结构,具有很多独特的物理和化学性质。
它们在材料科学、纳米技术和电子学等领域具有广泛的应用前景。
碳纳米管的发现可以追溯到1991年,由日本科学家秋刀鱼之丞等人首次合成出来。
碳纳米管的结构可以分为单壁碳纳米管(Single-walled carbon nanotubes,SWCNTs)和多壁碳纳米管(Multi-walled carbon nanotubes,MWCNTs)两种。
单壁碳纳米管由一个或多个碳原子层卷曲而成,形成一个空心的圆柱体结构;而多壁碳纳米管则是由多个碳层套在一起形成的。
碳纳米管的直径通常在纳米级别,而长度可以达到数十微米。
由于其独特的形态和结构,碳纳米管具有很多优异的性质。
首先,碳纳米管具有很高的强度和刚度,可以承受很大的拉伸和压缩力。
其次,碳纳米管具有优异的导电性和热导性,是一种理想的导电材料。
此外,碳纳米管还具有很高的化学稳定性和抗腐蚀性,可以在极端环境下使用。
碳纳米管的应用领域非常广泛。
在材料科学领域,碳纳米管可以用来制备高性能的复合材料,如碳纳米管增强的聚合物复合材料,具有很高的强度和刚度。
在纳米技术领域,碳纳米管可以用来制备纳米电子器件,如碳纳米管场效应晶体管(Carbon Nanotube Field-Effect Transistor,CNTFET),具有很高的电子迁移率和开关速度。
此外,碳纳米管还可以用来制备纳米传感器、纳米催化剂等纳米器件。
碳纳米管还具有很多其他的特殊性质。
由于其纳米尺度的特点,碳纳米管表现出量子效应和量子限制效应,具有优异的量子输运性质。
此外,碳纳米管还具有光学性质、磁性质和声学性质等多种性质,可以用于制备光学器件、磁性材料和声学材料等。
虽然碳纳米管具有很多优异的性质和应用潜力,但是其在实际应用中还面临一些挑战。
首先,碳纳米管的制备方法比较复杂,需要控制碳原子的生长和组装过程。
其次,碳纳米管的制备成本较高,限制了其大规模应用。
1.碳纳米管1)碳纳米管的特性与分类碳纳米管(carbon nanotube),又名巴基管,是碳家族中第5种同素异形体,由自然界最强的C-C共价键结合而成。
碳纳米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(见图4.2.10)。
按照石墨烯片的层数,可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管(见图4.2.11),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材料.2)碳纳米管的物理性质①高强度、低密度(强皮为钢的100倍以上,密度为钢的1/6以下);②高弹性;③优良的导体和半导体特性(量子限域所致);④高的比表面积;⑤强的吸附性能;⑥优良的光学特性;⑦发光强度随发射电流的增大而增强。
3)碳纳米管在电子材料中的应用(1)纳米电子器件。
碳纳米管的电子结构可以是金属性质,也可以是半导体性质,取决于其直径和螺旋度。
因此不同直径和螺旋度的碳纳米管可以作为功能电子器件、微型电路的导线、最小的半导体装置、纳米级的晶体三极管、逻辑门和线路的连接件,应用于微电子器件。
(2)高性能传感器。
碳纳米管特殊的力学、电子、热学性能,可以用于制作高灵敏度、高性能传感器。
例如,碳纳米管在吸附某些气体如H2、NH3、O2和无机气体后电阻发生迅速的突变,可以作为电化学传感器,用作灵敏的环境监测计,监测有毒气体含量的微弱变化和控制环境污染。
(3)作为电极材料,用于高性能电容器、锂离子电池等领域。
(4)电子产品结构材料。
由于碳纳米管可制造高强度碳纤维材料,强度比钢高100倍,但重量只有钢的六分之一,并且具有高比模量、耐高温、热膨胀系数小和抵抗热变性能强等一系列优异性能,因此用作产品的结构材料。
例如,用来制作笔记本电脑外壳,不仅可以提高结构强度,而且可以使产品微小型化和轻型化。
碳纳米管的结构特点
碳纳米管是由碳原子构成的纳米尺寸管状结构,它具有以下结构特点:
1. 单壁或多壁结构:碳纳米管可以是由一层碳原子构成的单壁结构,也可以是由多层碳原子相互包裹形成的多壁结构。
多壁碳纳米管的外壁和内壁之间有一定的间距,形成了空心结构。
2. 稀土结构:碳纳米管呈现出稀土结构,即外壁上的碳原子排列方
式与内壁上的碳原子排列方式不同。
这种稀土结构赋予碳纳米管很强的力学性质和导电性能。
3. 长径比高:碳纳米管的长度可以从几纳米到数百微米不等,而直
径通常在几纳米范围内。
因此,碳纳米管具有很高的长径比,即长度远远大于直径。
4. 结构中的石墨片层:碳纳米管的形成离不开石墨片层之间的卷曲
和相互粘合。
这些石墨片层的排列方式决定了碳纳米管的性质和特性。
5. 高比表面积:由于碳纳米管的小直径和长长度,它们具有很高的
比表面积,有利于表面反应的发生和吸附分子的储存。
6. 高强度和高导电性:碳纳米管具有非常强的力学性能,具有很高的弯曲和拉伸强度。
同时,由于碳纳米管中碳原子的排列方式,它们也具有很好的电导性能,可用于制造微电子器件和导电材料。
这些结构特点使得碳纳米管在诸多领域中具有广泛的应用潜力,如纳米电子学、纳米复合材料、传感器技术、生物医学等。
它们的独特结构和优异性能使得碳纳米管成为纳米科技领域中备受关注的研究对象。
2024年碳纳米管(CNT)市场前景分析引言碳纳米管(Carbon Nanotubes, CNT)作为一种新兴的纳米材料,在过去几十年中引起了广泛的关注。
其独特的性质和广泛的应用前景,使得碳纳米管在众多领域中成为研究的热点。
本文将对碳纳米管的市场前景进行分析,并探讨其在未来的发展潜力。
碳纳米管的基本特性碳纳米管是由碳原子构成的纳米管状结构,具有以下基本特性:1.高强度和刚度:碳纳米管比钢材还要强硬,是已知最强的材料之一。
2.优异的导电性:碳纳米管具有优秀的导电性能,可应用于电子器件领域。
3.良好的热导性:碳纳米管具有良好的热导性能,可以用于制备高效的散热材料。
4.巨大的比表面积:碳纳米管具有巨大的比表面积,可应用于催化剂和吸附材料等领域。
碳纳米管市场应用前景1. 电子器件碳纳米管具有优异的导电性能,可以用于制造高性能的电子器件。
例如,碳纳米管场效应晶体管(CNTFET)在高频电子器件和柔性显示器件等领域具有广阔的应用前景。
此外,碳纳米管还可以用于制备导电性能更好的电极材料,提高电池和超级电容器的性能。
2. 新能源领域碳纳米管在新能源领域中有着广泛的应用前景。
其优异的导电性能和热导性能,使得碳纳米管成为高效催化剂的理想载体材料。
碳纳米管还可以应用于太阳能电池、燃料电池和储能设备等领域,提高能量转换效率和储存容量。
3. 材料强化与增韧碳纳米管具有高强度和刚度的特性,可以应用于材料强化和增韧领域。
将碳纳米管添加到复合材料中,可以显著提高材料的强度和刚性,同时减轻材料的重量。
碳纳米管还可以在纤维增强复合材料中起到桥连接作用,有效防止开裂,提高材料的断裂韧性。
4. 生物医学应用碳纳米管在生物医学领域具有广泛的应用潜力。
其高比表面积和良好的生物相容性,使得碳纳米管可以用作药物传递载体、基因传递载体和组织工程支架等。
此外,碳纳米管还可以用于生物传感器和生物成像等领域,为生物医学研究和临床诊断提供新的工具和方法。
碳纳米管一、简介(结构和性能)碳纳米管是一种具有石墨结晶的管状纳米碳材料,分为单壁碳纳米管(SWCNT)和多壁碳纳米管(MWCNT)两种,直径在纳米量级,具有很高的长径比。
单壁碳纳米管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。
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。
单壁碳纳米管根据六边环螺旋方向螺旋角的不同,可以是金属型碳纳米管也可以是半导体型碳纳米管。
碳纳米管具有典型的层状中空结构特征,构成碳纳米管的层片之间存在一定的夹角碳纳米管的管身是准圆管结构,并且大多数由五边形截面所组成。
管身由六边形碳环微结构单元组成, 端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构,或者称为多边锥形多壁结构。
是一种具有特殊结构(径向尺寸为纳米量级,轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口)的一维量子材料。
它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,约为0.34nm,直径一般为2~20nm。
多壁碳纳米管的电性能和单壁碳纳米管相近。
金属型单壁碳纳米管和金属型多壁碳纳米管碳纳米管均是弹道式导体。
大电流通过不产生热量每平方厘米最大电流密度可达10安培。
碳纳米管也是优良的热传导材料。
多壁碳纳米管的热传导系数超过3000W/m.K,是很好的超导材料。
单壁碳纳米管的超导温度和直径相关,直径越小超导温度越高。
直径1.4nm时超导温度为0.55K,直径0.5nm时超导温度为 5K,直径0.4nm时超导温度为20K 。
碳纳米管还有非常好的力学性能。
小直径的单壁碳纳米管不但坚硬而且强度很高,是目前发现的唯一同时具有极高的弹性模量和抗拉强度的材料。
单壁碳纳米管的弹性模量和抗拉强度分别达到0.64TPa和 37Gpa。
多壁碳纳米管的弹性模量和抗拉强度分别达到0.45TPa和 1.7Gpa。
碳纳米管的抗拉强度可达钢的100倍同时密度只是钢的1/6。
二、碳纳米管的制备方法目前常用的碳纳米管制备方法主要有:电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相淀积法(碳氢气体热解法),固相热解法、辉光放电法和气体燃烧法等以及聚合反应合成法。
碳纳米管“太空天梯”
未来的“太空天梯”
碳纳米管是由石墨分子单层绕同轴缠绕而成或由单层石墨圆筒沿同轴层层套构而成的管状物。
其直径一般在一到几十个纳米之间,长度则远大于其直径。
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,意外发现了这一特别的分子结构。
碳纳米管作为一维纳米材料,重量轻,六边形结构连接完美,具有许多异常的力学、电学和化学性能。
作为人类发现的力学性能最好的材料,碳纳米管有着极高的拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率。
例如,碳纳米管的单位质量上的拉伸强度是钢铁的276倍,远远超过其他任何材料。
目前碳纳米管的研究现状
自从1991年碳纳米管被正式报道以来,为了提高其长度,全世界的碳纳米管研究者进行了大量艰辛的探索。
然而一直到2009年,碳纳米管的最大长度只有18.5厘米,直到目前成功制备出单根长度达到半米以上的碳纳米管。
这种有限的长度极大地限制了碳纳米管的实际应用。
碳纳米管的优点。
(1)界面层的存在和界面层厚度的增大均降低
碳纳米管和界面层的应力传递效率随长径比的变化了应力传递效率和纤维的饱和应力, 但同时增大了碳纳米管纤维的有效长度。
所以界面层比较明显地承担了应力载荷, 则在碳纳米管复合材料中应该考虑界面层存在和界面层厚度的影响。
(2)碳纳米管的长径比只在较小时影响有效长度和应力传递效率。
长径比所影响的具体范围不同, 对碳纳米管有效长度为小于50 , 而对于应力传递效率则小于10 。
(3)碳纳米管的应力传递效率要远比界面层的应力传递效率大。
在碳纳米管复合材料中虽应要考虑界面层的影响, 但应力载荷的最主要承担者仍是碳纳米管纤维。
对碳纳米管复合材料的应力场、纤维的饱和应力和应力传递效率以及有效长度的分析, 为碳纳米管复合材料力学性能的分析、结构优化和功能化设计以及寿命预测等做好必要的准备。
碳纳米管的缺点
(1)如何实现高质量碳纳米管的连续批量工业化生产。
碳纳米管的制备现状大致是:MWNTs能较大量生产,SWNTs多数处于实验室研制阶段,某些制备方法得到的碳纳米管生长机理还不明确,对碳纳米管的结构(管径、管长、螺旋度、壁厚等)还不能做到任意调节和控制,影响碳纳米管的产量、质量及产率的因素太多。
(2)有限的长度极大地限制了碳纳米管的实际应用。
提高了碳纳米管的长度,唯一的途径就是尽可能地提高其催化剂活性概率。
对于碳纳米管的生长而言,在其生长过程中催化剂失活从而使其停止生长是一个不可逆转的规律,从而造成了超长碳纳米管很难达到很长的长度,并且也使其单位宽度上的生长密度急剧下降。
(3) 对人体的毒害作用
碳纳米管对人体存在一定的毒性作用,目前研究主要集中在肺脏毒性和细胞毒性,表现为可引起肺脏炎症、肉芽肿和细胞凋亡、活力下降、细胞周期改变等。
其毒力大小与碳纳米管的特性有关,如结构、长度、表面积、制备方法、浓度、
剂量等,毒性作用机制可能与氧化应激有关。