碳纳米管的制备及其导电性的研究定稿资料
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碳纳米管材料的制备及应用一、引言碳纳米管是一种由碳原子组成的纳米管状材料,具有很高的强度和导电性能,在电子学、生物医学等领域有着广泛的应用前景。
本文将介绍碳纳米管的制备方法以及在电子学、生物医学等领域中的应用情况。
二、碳纳米管的制备方法碳纳米管的制备方法主要有两种:一种是气相法,一种是化学还原法。
1.气相法气相法是指利用化学气相沉积技术制备碳纳米管。
其过程主要包括两个步骤:一是将含有碳源和催化剂的气体注入反应釜,使其在高温条件下发生反应;二是使反应产物在低温下凝聚成分散的碳纳米管。
2.化学还原法化学还原法是指利用还原剂将氧化的碳化合物还原成纯碳,从而制备碳纳米管。
其过程主要包括三个步骤:一是将碳化合物与还原剂混合悬浮在水中;二是加热溶液,使反应发生;三是通过离心等方法,将碳纳米管分离出来。
三、碳纳米管在电子学中的应用碳纳米管的高导电性和特殊结构使其成为电子学领域内的研究热点之一。
目前,已经有许多研究表明碳纳米管在场效应晶体管、能带结构调控、光电检测器等领域中都有着广泛的应用。
1.场效应晶体管场效应晶体管是一种用来控制电流的器件,当前许多电子产品都广泛使用这种器件。
碳纳米管因其高导电性和尺寸可控性,成为研究场效应晶体管的新材料。
研究发现,碳纳米管作为场效应晶体管的通道材料,其性能优于传统的有机材料。
2.能带结构调控由于碳纳米管的电子能带结构与其结构排列方式有关,因此能够通过控制其结构排列方式来调控其电子能带结构。
研究表明,调节碳纳米管的结构排列方式可以实现电子能带的控制,为制备新型电子器件奠定了基础。
3.光电检测器碳纳米管具有良好的光电响应特性,因此用于制备光电检测器具有很大的潜力。
一些研究表明,利用碳纳米管制备光电检测器可以获得优异的性能,为实现高性能光电器件奠定了基础。
四、碳纳米管在生物医学中的应用碳纳米管具有良好的生物相容性和生物活性,因此在生物医学领域中应用前景广阔。
在各种应用领域中,碳纳米管可以用于制备生物传感器、药物递送等。
第28卷㊀第5期2018年9月㊀㊀㊀黑㊀龙㊀江㊀科㊀技㊀大㊀学㊀学㊀报JournalofHeilongjiangUniversityofScience&Technology㊀㊀Vol.28No.5㊀㊀Sep.2018㊀㊀㊀㊀㊀㊀石墨烯-碳纳米管导电油墨的制备及其导电性能王振廷ꎬ㊀李㊀洋ꎬ㊀尹吉勇(黑龙江科技大学材料科学与工程学院ꎬ哈尔滨150022)摘㊀要:为改善导电油墨的导电性能ꎬ以自制膨胀石墨为原料ꎬ在液相剥离法制备少层石墨烯的基础上ꎬ将复合石墨烯和碳纳米管作为导电相ꎬ以环氧树脂作为黏结剂制备导电油墨ꎮ利用SEM等手段表征石墨烯和导电油墨涂层的形貌特征ꎬ采用霍尔效应法测定少层石墨烯的薄膜电导率ꎬ应用四探针薄膜方块电阻测试仪测试导电涂层的方块电阻ꎮ结果表明:用液相剥离法制备的石墨烯表面形貌完整ꎬ边缘略有卷曲呈薄纱状ꎬ厚度为2.1~3.2nmꎬ层数小于3层ꎬ电导率达到104~105S/mꎮ当复合导电相中石墨烯质量分数为20%时ꎬ导电油墨的方块电阻最小为25.2Ωꎮ石墨烯和碳纳米管复合可显著增大导电粒子间的有效接触面积和导电网络的完整性ꎬ有效提高导电油墨的导电性能ꎮ关键词:导电油墨ꎻ石墨烯ꎻ碳纳米管ꎻ导电性能doi:10.3969/j.issn.2095-7262.2018.05.007㊀㊀中图分类号:TQ127.11文章编号:2095-7262(2018)05-0514-05文献标志码:APreparationandresearchofgraphene ̄carbonnanotubesconductiveinkanditsconductivepropertyWangZhentingꎬ㊀LiYangꎬ㊀YinJiyong(SchoolofMaterialsScience&EngineeringꎬHeilongjiangUniversityofScience&TechnologyꎬHarbin150022ꎬChina)Abstract:Thispaperaimstoimprovetheconductiveperformanceofconductiveink.Theresearchinvolvespreparingtheconductiveinkbythemethodofliquidphasestrippingꎬusingcompositegrapheneandcarbonnanotubeasconductivephaseandepoxyresinasbinderꎻcharacterizingthetopographychar ̄acteristicofthecoatingofgrapheneandconductiveinkusingthatmethodoftheSEMꎻmeasuringthefilmconductivityofthelowlayerofgrapheneusingthehalleffectmethodꎻandtestingtheresistanceoftheconductivecoatingbyusethefour ̄probefilmcuberesistancetester.Theresultsshowthatthegraphenepreparedbyliquidphasestrippingmethodhasanintactthesurfaceꎬwithslightlycurlededgesofgauzeꎬthethicknessof2.1-3.2nmꎬthenumberoflayersoffewerthan3ꎬandtheminimumelectricalconduc ̄tivityof104-105S/mꎻthepresenceofthegraphenemassfraction(20%)inthecompositeconductivephasemeansaminimumsquareresistanceofconductiveink(25.2Ω).Grapheneandcarbonnanotubesenablesasignificantincreaseintheeffectivecontactareabetweenconductingparticlesandtheintegrityofconductingnetworkꎬthuseffectivelyimprovingtheconductivityofconductiveink.Keywords:conductiveinkꎻgrapheneꎻcarbonnanotubesꎻconductiveproperty㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2018-05-07㊀㊀基金项目:哈尔滨市应用技术研究与开发项目(2015RQXXJ004)㊀㊀第一作者简介:王振廷(1965-)ꎬ男ꎬ黑龙江省哈尔滨人ꎬ教授ꎬ博士ꎬ研究方向:石墨烯ꎬE ̄mail:wangzt2002@163.comꎮ0㊀引㊀言印制电子技术是一种将电子和打印技术结合的先进制造技术ꎬ主要用导电油墨进行电路的直接印制ꎬ从而进行柔性电路的制造ꎮ导电油墨具有良好的导电性ꎬ是印制电子技术的关键材料[1]ꎮ其是一种复合材料ꎬ由导电填料㊁连接剂㊁溶剂和助剂组成ꎮ按照导电填料的不同ꎬ导电油墨可分为金属系和非金属系两大类ꎮ其中金属系又分为金系导电油墨㊁银系导电油墨㊁铜系导电油墨ꎬ非金属导电油墨中主要以碳系导电油墨为主ꎮ金属系导电油墨主要以贵重金属作为导电填料ꎬ因其过高的成本在实际应用中受到很大限制ꎮ另外ꎬ其自身存在着易迁移㊁硫化㊁抗焊锡侵蚀能力差㊁烧结过程容易开裂等缺陷[2]ꎮ碳系导电油墨虽然成本低ꎬ但其附着力差㊁涂层结构不稳定ꎬ在实际应用中易出现质量问题ꎬ因此ꎬ研制一种低成本高性能的新型导电油墨成为当前研究的热点ꎮ在碳材料中碳纳米管因具有独特的电子㊁化学和力学性能已成为纳米科技的主导材料ꎬ碳纳米管导电油墨已用于各种电子电路和器件的制备[3]ꎬ同时新型材料石墨烯电导率为104S/m[4]ꎬ具有较好的电学性能ꎬ已被证实能在导电油墨领域发挥显著作用[5-6]ꎮ2015年ꎬ李金焕等研究了少量石墨烯对导电碳浆性能的影响ꎬ发现当石墨烯的添加量小于5%时ꎬ导电碳浆的电阻率随石墨烯的添加量增加而减小ꎬ而当石墨烯的添加量超过5%后ꎬ电阻率反而上升[7]ꎮ崔铮等研究了不同石墨烯含量的导电油墨的微观形貌㊁晶体结构㊁热稳定性㊁力学性能㊁固化状态及导电性能[8]ꎮ华成杰等以聚氨酯树脂为黏结剂ꎬ以混合填料(石墨与炭黑质量比为3ʒ2)为导电填料制备导电碳浆ꎬ综合性能良好ꎬ能够满足薄膜开关应用的要求ꎬ并对环氧树脂进行了改性ꎬ改善了碳浆的柔性ꎬ制得的碳浆在PET薄膜上有很强的附着力ꎬ制作的导电线路的耐弯折性能能够达到10万次[9]ꎮL.Huang等于2011年报道了由氧化石墨烯制备喷墨印刷导电油墨ꎬF.Torrisi等也在同年报道了控制超声分散条件由石墨制备石墨烯ꎬ石墨烯分散液可直接用于喷墨印刷[10-11]ꎬ相比于L.Huang等的研究ꎬ后者后处理温度下降ꎬ在承印材料的普适性上有很大优势ꎮ目前ꎬ传统的碳系导电油墨已被研究得很充分ꎬ而对碳纳米管和石墨烯为导电填料的导电油墨研究较少ꎮ因此ꎬ笔者研究将碳纳米管和石墨烯复合作为导电填料制备导电油墨ꎮ1㊀实㊀验1.1㊀材料膨胀石墨(以天然鳞片石墨为原料ꎬ自制)㊁碳纳米管(电导率为102S/cmꎬ北京博宇高科新材料技术有限公司)㊁无水乙醇(天津市富宇精细化工有限公司ꎬ质量分数99.7%)㊁去离子水(自制)㊁N-甲基吡咯烷酮(天津市广远国际贸易有限公司ꎬARꎬ99.00g/mol)㊁环氧树脂(大连油漆有限公司)㊁四乙烯五胺(北京世纪拓鑫精细化工有限公司ꎬ质量分数95%)㊁丁酮(ARꎬ广州化学试剂二厂)㊁草酸(ARꎬ靖江市光大五交化有限公司)ꎮ1.2㊀设备电子分析天平(JA2003)㊁行星式球磨机(XQM-2)㊁真空抽滤机(SHB-IIIA)㊁冷冻干燥机(LGJ-18)㊁扫描电子显微镜(SIGMA-500)㊁原子力显微镜(cy ̄pherS)㊁超声波细胞破碎仪(DL-1005)㊁旋涂机(KW-4A)㊁四探针薄膜方块电阻测试仪(ST2258C)ꎮ1.3㊀样品制备1.3.1㊀石墨烯石墨膨胀后放入分散剂中搅拌均匀ꎬ再放入高剪切研磨分散机内ꎬ在40ħꎬ6000r/min下搅拌60min得到膨胀石墨浆料ꎬ浆料抽滤㊁洗涤后在10ħ下冷冻干燥24hꎬ得到处理后的膨胀石墨ꎬ取膨胀石墨20gꎬ加入到80mLN-甲基吡咯烷酮中ꎬ利用搅拌器搅拌30min使其均匀混合ꎬ通过超声波细胞破碎机超声12hꎮ然后将液体在3000r/min下离心45minꎬ取上层液体在真空抽滤机上抽滤ꎬ所得沉积物在冷冻干燥机中冷冻24hꎬ得到石墨烯样品ꎮ1.3.2㊀导电油墨以石墨烯为导电填料进行导电油墨的制备ꎮ首先把环氧树脂和丁酮在转速为500r/min的条件下混合30minꎬ再将制备的石墨烯粉体按质量分数20%㊁25%㊁30%㊁35%㊁40%的比例分别加入到四乙烯五胺(总质量的6%)中ꎬ最后把两组溶液充分混合后超声30minꎬ得到五组导电油墨试样ꎬ然后放入电阻炉中以120ħ加热20minꎬ得到导电油墨的固化膜ꎮ相同条件下ꎬ以碳纳米管作为导电填料ꎬ制备导电油墨试样ꎮ以石墨烯和碳纳米管复合作为导电填料进行导电油墨的制备ꎮ导电填料中石墨烯的质量分数分别为15%㊁20%㊁25%㊁30%ꎮ将混合物放入球磨罐中并添加30g草酸助剂ꎬ以500r/min球磨2hꎮ将得到的混合物用无水乙醇分散后超声30minꎬ静置后515第5期王振廷ꎬ等:石墨烯-碳纳米管导电油墨的制备及其导电性能抽滤洗涤ꎬ再加入10%的分散剂得到石墨烯和碳纳米管的分散液ꎮ在分散液中加入四乙烯五胺㊁环氧树脂和丁酮ꎬ将混合液在500r/min转速条件下混合30minꎬ得到四组导电油墨试样ꎬ然后放入电阻炉中120ħ加热20minꎬ得到导电油墨的固化膜ꎮ1.4㊀表征与测试利用SEM㊁AFM㊁TEM表征分析石墨烯的表面形貌及厚度ꎬ采用霍尔效应法测定石墨烯的薄膜电导率ꎻ用SEM分析导电油墨的表面形貌ꎬ用四探针薄膜方块电阻测试仪测试导电油墨的方块电阻ꎮ2㊀结果与分析2.1㊀石墨烯形貌特征与电导率2.1.1㊀SEM表征图1是液相剥离法制备的石墨烯SEM照片ꎮ由图1可见ꎬ石墨片层间的范德华力受到破坏后分离出薄纱状的石墨烯ꎬ在石墨烯表面存在大量褶皱ꎬ倾向于由二维向三维转变ꎮ褶皱的存在将石墨烯体系的自由能降低ꎬ使其能够稳定存在ꎮ石墨烯表面结构完整ꎬ具有保留石墨烯高电子迁移的理论基础ꎮ图1㊀石墨烯SEM形貌Fig.1㊀SEMimagesofgraphene2.1.2㊀AFM表征图2是石墨烯的AFM照片及高度分布ꎮ在图2a中将石墨烯作剖面线ABꎬ其形貌扫描结果如图2b所示ꎮ由图2a可见ꎬ用液相剥离法制备的石墨烯形貌完整ꎬ整体形状为细薄片状ꎬ图中的石墨烯尺寸分布比较均匀ꎬ石墨烯边缘略有卷曲ꎮ由图2b可知ꎬ石墨烯片的卷曲高度约为2.700~3.200nmꎬ石墨烯片的中心区域厚度小于2.700nmꎮ因为单层石墨烯的厚度为0.375nmꎬ两层间的间隙大约为0.9nm[12]ꎬ因此ꎬ文中用液相剥离法所制备的石墨烯的层数在3层以内ꎮ图2㊀石墨烯的原子力显微形貌Fig.2㊀AFMimagesofgraphene2.1.3㊀TEM表征图3是石墨烯的TEM照片ꎮ由图3可见ꎬ石墨烯表面形貌完整ꎬ由于石墨烯的卷曲使得部分区域隆起ꎮ从红色标记处能够看到2~3条亮纹ꎬ条纹之间有一定的距离ꎬ由于每一条条纹对应着一层碳原子ꎬ因此用液相剥离法制备的石墨烯层数约为3层ꎮ图3㊀石墨烯TEM形貌Fig.3㊀ImagesofgrapheneTEM2.1.4㊀电导率测试将液相剥离法所得少层石墨烯制成八组薄膜样品进行电导率测试ꎬ其电导率δ依次为7.735ˑ105㊁8.042ˑ105㊁9.063ˑ104㊁8.842ˑ104㊁1.791ˑ105㊁7.556ˑ105㊁8.152ˑ105和9.238ˑ104S/mꎮ石墨烯电导率的范围为104~105S/mꎬ不同样品在数量级上有一定差异ꎬ误差主要来源于薄膜样品厚度不615黑㊀龙㊀江㊀科㊀技㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第28卷㊀均或者是测量过程中的误差导致ꎮ2.2㊀导电油墨形貌特征与导电性能2.2.1㊀方块电阻测试图4为不同导电相制备的导电油墨方块电阻ꎮ由图4可知ꎬ随着石墨烯质量分数增加ꎬ电阻R逐渐下降ꎬ石墨烯达到35%时电阻最低ꎬ继续增加石墨烯电阻值随之快速升高ꎮ导电通道理论认为ꎬ导电涂层导电功能的实现是靠导电填料粒子之间的彼此接触ꎬ搭接成链状以及网格状的三维立体导电结构ꎬ形成能够传送电子的导电通道ꎬ导电通路形成后的导电过程是载流子的迁移过程[13]ꎮ当导电涂料中添加的导电填料粒子浓度达到渗流临界值后ꎬ大量的导电填料粒子之间彼此接触ꎬ使得电子在载流子的承载下定向移动形成电流[14]ꎬ因此ꎬ当石墨烯含量增加时方块电阻降低ꎮ当石墨烯的含量超过渗流临界值时ꎬ石墨烯在体系中的分散受到限制ꎬ大量导电粒子发生沉降ꎬ从而破坏了导电网络的完整ꎬ电子在导电通道中的迁移受阻ꎬ导致电阻快速升高ꎮ图4㊀不同导电相制备的导电油墨电阻Fig.4㊀Resistivevalueofconductiveinkpreparedbydifferentconductivephases由图4可见ꎬ随着碳纳米管的增加导电油墨的电阻逐渐减小ꎬ这是因为导电油墨涂层中随着导电粒子的增加ꎬ导电粒子的间距逐渐缩小ꎬ由导电通道理论可知随着导电网络的形成ꎬ电子迁移过程中不需要克服界面效应ꎬ因此电阻逐渐减小ꎮ当碳纳米管的质量分数达到35%时电阻值最小ꎬ随着碳纳米管含量的继续增加ꎬ电阻开始升高ꎬ但是并没有像石墨烯导电油墨那样快速升高ꎬ这是因为石墨烯中存在很强的极性共价键ꎬ达到一定含量后对电荷的束缚增强阻碍了电子的迁移ꎬ另一方面石墨烯的大量凝聚导致颗粒沉降破坏了导电网络[15]ꎬ所以电阻变化比碳纳米管更加明显ꎮ石墨烯和碳纳米管复合ꎬ随着复合填料中石墨烯质量分数的增加ꎬ电阻先下降后升高ꎬ当质量分数达到20%时电阻最小ꎬ质量分数继续增加电阻逐渐变大ꎬ最后趋于平缓(图4)ꎮ对比三条曲线可知ꎬ导电填料复合后导电油墨的电阻ꎬ小于石墨烯或碳纳米管单独做导电填料的电阻ꎮ这是因为片状石墨烯与棒状碳纳米管共用ꎬ可因形状互补而使性能具有协同效应ꎬ表现优于单纯棒状碳纳米管的导电性[16]ꎮ2.2.2㊀微观形貌分析图5是不同导电相制备的导电油墨SEM照片ꎮ图5㊀不同导电相制备的导电油墨SEM形貌Fig.5㊀SEMimageofconductiveinkspreparedbydif ̄ferentconductivephases㊀㊀由图5a可见ꎬ石墨烯团聚在一起ꎬ石墨烯层片715第5期王振廷ꎬ等:石墨烯-碳纳米管导电油墨的制备及其导电性能之间以面接触为主ꎬ由于石墨烯的聚集使得导电涂层中出现一定的孔洞ꎬ这些缺陷不利于电子的迁移和导电网络的形成ꎮ由图5b可见ꎬ碳纳米管之间以线接触为主ꎬ碳纳米管在体系中发生团聚形成线状网络团ꎬ部分区域中出现空洞ꎬ这些缺陷的存在在一定程度上影响导电网络的完整ꎮ对比图5a和5b可知ꎬ以碳纳米管为导电相制备的导电油墨ꎬ导电粒子的紧密程度比石墨烯导电油墨差ꎬ从而导致电阻略高于石墨烯导电油墨ꎬ电阻测试也证明了这一点ꎮ由图5c可见ꎬ碳纳米管缠绕在石墨烯表面ꎬ导电粒子之间的连接是线接触和面接触复合的模式ꎬ大片径的石墨烯互相搭接形成导电网络框架ꎬ碳纳米管填充了大部分空隙使得导电网络更加完整ꎬ及大地提高了导电粒子之间的有效接触面积ꎬ使得电子在迁移过程中遇到的阻碍减小ꎬ导电性能提高ꎮ3㊀结㊀论(1)用液相剥离法制备的石墨烯表面形貌完整ꎬ边缘略有卷曲呈薄纱状ꎬ厚度为2.1~3.2nmꎬ石墨烯层数小于3层ꎬ电导率达到104~105S/mꎮ(2)以石墨烯和碳纳米管复合制备的导电油墨ꎬ片状石墨烯与棒状的碳纳米管共用ꎬ因形状互补而使性能具有协同效应ꎬ形成完整稳定的导电网络ꎬ其电阻小于石墨烯和碳纳米管单独作导电填料时的电阻ꎮ当复合导电填料中石墨烯的质量分数为20%时ꎬ导电油墨的电阻最小ꎬ其电阻值为25.2Ωꎮ参考文献:[1]㊀李㊀伟.高导电金属纳米结构及其印制电子油墨的制备与应用研究[D].天津:天津大学ꎬ2014.[2]㊀王㊀望ꎬ郭彦峰ꎬ孙振锋.碳系导电油墨填料的研究进展[J].化工进展ꎬ2015ꎬ34(12):4259-4264ꎬ4279.[3]㊀ShaoFꎬNgTWꎬFuJꎬetal.Electricalcircuitsfromcapillaryflowdrivenevaporationdepositionofcarbonnanotubeinkinnon ̄porousV 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碳纳米管的制备和表征研究碳纳米管是一种非常重要的纳米材料,由于其具有优异的物理和化学性质,能够广泛应用于电子、化学、生物和医学等领域,成为了当今最热门的研究课题之一。
本文将介绍碳纳米管的制备和表征研究,旨在尽可能全面深入地介绍它的相关研究进展。
一、碳纳米管的制备方法碳纳米管的制备方法主要有以下几种:1. 等离子体增强化学气相沉积法该方法先用金属作为催化剂,在氧化镁或氧化铝的载体上制备成催化剂阵列,通过引入碳源和氢气,使用等离子体的方式来生成碳纳米管。
2. 化学气相沉积法该方法将催化剂和碳源同时放置在反应器内,不用外加能量,通过化学反应来制备碳纳米管。
3. 化学还原-热解法该方法先用催化剂将氧化石墨烯还原为石墨烯,然后利用热解技术进行碳化反应,制备碳纳米管。
以上三种方法是主流的制备碳纳米管的方法,但随着研究的深入,其它方法,如水热合成法、溶液-液相界面法等也逐渐被应用于制备碳纳米管。
二、碳纳米管表征技术为了对制备的碳纳米管进行表征和刻画,研究人员开发出了各种表征技术来研究其结构和性质,下面我们来介绍一些常用的表征技术:1. 透射电子显微镜(TEM)透射电子显微镜是最常用的碳纳米管表征技术之一,通过它可以直观的获得碳纳米管的观察图像。
2. 扫描电子显微镜(SEM)与TEM不同,扫描电子显微镜可以观察到碳纳米管的表面形貌,并能够获得表面形貌的三维结构图像。
3. 拉曼光谱(Raman)拉曼光谱具有非常高的灵敏性和分辨率,能够通过对碳纳米管的拉曼光谱图像进行功率谱分析,可以获得碳纳米管的结构、相互作用和物理特性等信息。
4. X射线粉末衍射(XRD)利用X射线的衍射实验,可以得到碳纳米管的晶格结构,晶格常数以及结晶度等信息。
5. 热重分析(TGA)热重分析可以帮助我们展现出材料在温度变化下的失重信息,从而推断出碳纳米管的热稳定性和热分解温度等相关信息。
以上技术对于制备和表征碳纳米管都有非常大的帮助,不同的表征方法可以从不同角度来对碳纳米管进行综合分析,有助于我们更好地了解碳纳米管的结构和性质。
碳纳米管导电原理
碳纳米管是一种一维纳米材料,由碳原子通过特定方法排列而成的管状结构。
碳纳米管具有优异的力学、电学和热学性质,因此在纳米电子器件中具有广泛的应用前景。
碳纳米管的导电原理主要涉及其内部结构和碳原子之间的相互作用。
首先,碳纳米管内部的碳原子按照一定的规则排列成不同的结构,其中最常见的是单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。
在单壁碳纳米管中,碳原子呈现出螺旋状排列,而多壁碳纳米管则由多个壁组成。
其次,碳纳米管的导电性主要依赖于碳原子之间的化学键和共轭作用。
碳原子之间的σ键和π键是导致碳纳米管导电的主要原因。
具体来说,σ键是由碳原子之间的共价键形成的,能够
提供一定的电子导电性。
而π键是由共面排列的p轨道形成的,具有高度的电子共享性,可以形成π电子云区域,进一步增强碳纳米管的导电性能。
此外,碳纳米管的导电性还受到其长度、直径和结构缺陷等因素的影响。
一般来说,碳纳米管的导电性随着长度的增加而降低,这主要是因为长碳纳米管中存在较多的结构缺陷和杂质,导致电子在导电过程中发生散射损失。
而碳纳米管的直径也会影响其导电性能,较小直径的碳纳米管具有较高的导电性。
综上所述,碳纳米管的导电原理主要包括内部结构的排列、碳原子之间的化学键和共轭作用等因素。
深入理解碳纳米管的导电特性有助于进一步开发纳米电子器件并应用于各种领域。
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。
碳纳米管导电母粒制备
碳纳米管是一种由碳原子构成的纳米材料,它具有很好的导电性能和力学性质,在电子学、化学、机械工程等领域具有广泛应用前景。
为了获得高质量的碳纳米管,研究人员经过多年的努力,终于发现了一种能够制备出高质量碳纳米管的方法,就是碳纳米管导电母粒制备方法。
碳纳米管导电母粒制备方法是一种通过化学气溶胶凝胶还原法制备高质量碳纳米管的方法。
在这个方法中,首先将碳源材料和催化剂混合在一起,然后加入还原剂和表面活性剂,制备成一种可溶的凝胶。
然后将凝胶置于热处理炉中,在一定温度下进行还原热处理,使得碳纳米管从凝胶中析出。
在这个过程中,由于表面活性剂的作用,碳纳米管被稳定分散,并形成一种称为“导电母粒”的物质。
最后,将导电母粒中的碳纳米管进行浓缩和纯化处理,以获得高质量的碳纳米管。
这种方法能够制备出具有高纯度、高晶格度和高导电性的碳纳米管,可以广泛应用于电子设备、催化剂、生物医学和材料科学等领域。
总的来说,碳纳米管导电母粒制备方法是一种有效的制备高质量碳纳米管的方法,具有制备简单、成本低、产量高等优点。
它为开发新型碳纳米管材料和应用提供了基础。
碳纳米管增强复合材料的制备与性能研究近年来,碳纳米管(Carbon Nanotube,简称CNT)因其出色的力学性能和独特的电子性质,成为研究领域的热门话题之一。
在复合材料领域,将CNT作为增强填料注入基体中,可以大幅度提升材料的力学性能,使复合材料具备更广泛的应用潜力。
首先,我们来了解一下碳纳米管的制备方法。
目前,常用的制备碳纳米管的方法主要有热解法和化学气相沉积法。
热解法是通过将碳源(例如甲烷、乙炔等)加热至高温,使其分解生成纳米级碳粉末,再通过高温炉进行淀粉状碳纳米管的制备。
化学气相沉积法则是在特定的温度和压力条件下,将金属催化剂与碳源气体(例如苯、甲烷等)共同进入炉管,通过热裂解反应在金属催化剂表面形成碳纳米管。
这两种方法各有优劣,根据具体需求选择合适的方法进行制备。
然而,对于碳纳米管的应用而言,单纯制备碳纳米管还不足以满足要求,还需要将其与基体材料相结合,形成增强复合材料。
常见的方式是通过浸渍法或机械混合法将碳纳米管注入到基体中。
浸渍法是将碳纳米管悬浮液浸渍于基体表面,并通过真空或气压的作用使其渗透至基体内部,达到均匀分散的目的。
机械混合法则是将碳纳米管与基体材料一同进行混合,利用机械力将其均匀分散。
这两种方法的选择取决于基体材料的性质和应用场景。
通过以上的制备方法,得到的碳纳米管增强复合材料具备了优异的力学性能。
首先,碳纳米管以其高强度和高刚度,使得增强复合材料的强度得到显著提升。
研究表明,在添加低浓度的碳纳米管的情况下,复合材料的拉伸强度可以提高 30%-100%。
其次,碳纳米管具有优异的导电性,可以赋予复合材料良好的导电性能。
这样的复合材料多用于电子元器件、防静电材料等领域。
此外,碳纳米管还具有优异的导热性能,使得复合材料具备了良好的散热性能,适用于热管理领域。
然而,碳纳米管增强复合材料的制备与性能研究仍有待进一步深入。
首先,目前碳纳米管的制备方法仍存在高成本、低产率的问题,限制了其在工业化生产中的应用。
碳纳米管导电浆料及其制备方法和用途碳纳米管(Carbon Nanotubes,简称CNTs)是由碳原子通过特定方式排列构成的纳米管状结构,具有优异的导电性、导热性、力学强度和化学稳定性等特点。
它们在许多领域具有广泛的应用潜力,例如电子器件、能源储存和转换、纳米材料增强等。
碳纳米管导电浆料是一种将碳纳米管分散在溶剂中形成稳定悬浮液的制备材料,它可以很方便地用来涂覆在各种基底材料上,制备电极和导电薄膜等器件。
制备碳纳米管导电浆料有多种方法,常见的方法包括机械混合、超声处理、化学修饰以及电化学等。
其中,机械混合是一种简单的方法,通过将碳纳米管和溶剂一起放入瓶中进行摇晃或搅拌,使碳纳米管在溶剂中均匀分散。
超声处理则是通过超声波的机械作用来实现碳纳米管的分散,这种方法可以更加高效地分散碳纳米管,得到更稳定的浆料。
化学修饰是将碳纳米管表面进行改性,增加其与溶剂之间的相容性,以提高浆料的稳定性。
电化学方法则是通过电解或电析的方式来制备碳纳米管导电浆料,这种方法可以控制碳纳米管的含量和分散度。
碳纳米管导电浆料在电子器件领域有着广泛的应用。
例如,可以将碳纳米管导电浆料涂覆在玻璃基板上,制备柔性导电薄膜,用于可弯曲的触摸屏、柔性显示器等设备中。
此外,还可以将碳纳米管导电浆料涂覆在导电胶带上,制备高导电性的电子细线,用于微电子封装和连接。
碳纳米管导电浆料还可以应用于太阳能电池、超级电容器等能源器件中,用于提高器件的光电转换效率和储能性能。
另外,碳纳米管导电浆料还可以作为导电涂料、导电油墨或导电粘合剂等应用于航空航天、防护涂料等领域,发挥导电性能和耐久性的优势。
总之,碳纳米管导电浆料具有优异的导电性和分散性,其制备方法简单、灵活,具有广泛的应用潜力。
未来随着相关技术的进一步发展和改进,碳纳米管导电浆料在各个领域将得到更广泛的应用。
碳纳米管的制备及在催化领域的应用研究碳纳米管是一种由碳原子构成的管状结构,具有极高的韧性和导电性能,因此在催化领域有着广泛的应用。
本文将探讨碳纳米管的制备方法及其在催化领域的应用研究。
一、碳纳米管的制备方法碳纳米管的制备方法主要有化学气相沉积法、电化学沉积法、毛细管拉伸法等。
其中,化学气相沉积法是较为常用的一种制备方法。
1.化学气相沉积法化学气相沉积法是利用化学反应在高温下使含有碳源和催化剂的气体形成碳纳米管的方法。
这种方法制备的碳纳米管,具有高纯度、尺寸均一等优点,因此在催化领域中有着广泛的应用。
该方法具体步骤如下:首先,在高温下将含有碳源和催化剂的气体通入反应室中,使其在反应室中反应。
通常所用的反应气体为乙烯、甲烷等含碳气体,而催化剂一般采用镍、钴等金属。
在反应过程中,碳源和催化剂发生反应生成碳纳米管。
2.电化学沉积法电化学沉积法是利用电化学反应在导电表面沉积碳纳米管的方法。
该方法操作简便,但是所得到的碳纳米管质量较差,难以控制其尺寸和分布。
3.毛细管拉伸法毛细管拉伸法是利用毛细管将含有碳源和催化剂的毛细管拉长,从而形成碳纳米管的方法。
该方法制备的碳纳米管,尺寸较小,但是产量较低,故不在工业上应用。
二、碳纳米管在催化领域的应用研究碳纳米管在催化领域的应用主要分为两类:一类是作为催化剂载体,另一类是作为催化剂的组成部分。
下面将对这两种应用分别进行讨论。
1.碳纳米管作为催化剂载体碳纳米管具有极高的表面积、导电性能和化学稳定性,因此可被用作载体,将催化剂负载在其表面上,从而改善催化剂的稳定性和活性。
最常用的载体是氧化铝和二氧化硅等氧化物,但是这些载体具有一定的缺点,如活性不稳定、易磨损等。
近年来,研究者们利用碳纳米管的优异特性,将其作为载体,载入一些金属离子或氧化物,如镍、钴、氧化钨等,制备出不同的催化剂。
这些催化剂具有高催化活性、优异的选择性和较长的寿命,因此在化工及环保等领域具有重要应用。
2.碳纳米管作为催化剂的组成部分碳纳米管具有极高的导电性能和化学稳定性,在催化反应中具有广泛的应用价值。
碳纳米管导电
碳纳米管是一种近年来备受关注的纳米材料。
它具有优异的导电
性能,可以被用于制造半导体器件、传感器等。
下面我们就从几个方
面来介绍碳纳米管导电的原理及应用。
一、碳纳米管的导电原理
碳纳米管的导电原理主要是由其特殊的结构所决定的。
碳纳米管
的结构形态是由一个或多个碳原子层以具有不同直径的管状结构组成。
这种结构决定了碳纳米管具有极高的比表面积和长寿命。
碳纳米管的导电性能是由其内部的电子传输方式决定的。
在碳纳
米管内,电子通过晶格较好组织的管状结构运动,使得电子在管道内
的传输速度大大加快,这就使得碳纳米管的导电性能远远优于其他材料。
二、应用领域
1、半导体器件
碳纳米管作为高效能、高精度的材料,能够被用于更强大的半导
体器件的制造。
碳纳米管可以作为通道来集成各类晶体管,因此可以
协助半导体器件更快、更精准地处理信息。
2、催化剂
碳纳米管具有极高的比表面积,对于催化反应有着良好的催化效果。
将碳纳米管与其他金属元素组合,可以制造出更加高效、高稳定
的催化剂。
3、传感器
碳纳米管的导电性能可用于制作传感器,包括电化学、光学、机
械等传感器。
在生物医学领域,通过在碳纳米管表面修饰适当的化学
基团,可以识别、反应天然荷尔蒙及疾病标志物,从而起到检测生物
活性的作用。
三、结语
碳纳米管的导电性能在各种实际应用中具有广泛的应用及它的应
用前景更是非常乐观。
未来必将继续挖掘碳纳米管的应用潜力,为人类的生产生活带来诸多便捷。
碳纳米管材料的制备及应用碳纳米管作为一种非常重要的纳米材料,其具有良好的力学、导电和导热性能,因此被广泛地应用于许多领域,包括电子、生物医学和能源等各个领域。
本文将介绍碳纳米管的制备方法和其应用场景。
一、碳纳米管的制备方法1. 化学气相沉积法化学气相沉积法是制备碳纳米管最常见的方法之一。
该方法依靠热解碳源气体在催化剂表面生成碳或石墨烯薄膜,然后卷起形成碳纳米管。
常用的碳源气体包括甲烷、乙烷和乙炔等,催化剂一般采用金属催化剂,包括铜、铁、镍和钴等。
2. 电弧放电法电弧放电法也是一种常见的制备碳纳米管的方法。
该方法使用高强度电弧放电穿过两个电极之间的气体来产生高温和压力,进而形成碳纳米管。
该方法可产生大量的碳纳米管,但其纯度较低,同时还需要高电压和高温。
3. 溶剂热法溶剂热法是一种较新的制备碳纳米管的方法。
该方法通过在有机溶剂中加入碳源和催化剂前体,然后在高温和高压的条件下合成碳纳米管。
该方法的优点是操作简单,可控性强,但生产量较低。
二、碳纳米管的应用场景1. 电子学领域碳纳米管具有非常好的导电性能和韧性,因此在电子学领域中被广泛应用,包括晶体管、场效应晶体管、半导体器件和纳米电子学领域。
2. 生物医学领域碳纳米管具有生物相容性,因此在生物医学领域被广泛应用,包括药物输送、治疗和影像等方面。
此外,碳纳米管通过改变管径和表面化学性质,还能改变其对生物体的相互作用和药物释放效果。
3. 能源领域由于碳纳米管具有高导电性和高能源密度等特点,它们被应用于制备高性能电池、超级电容器和燃料电池等能源领域。
此外,单壁碳纳米管因其优异的传热和导电性能,还能应用于制备高效的热电器件。
三、总结由于碳纳米管的优异性能和广泛的应用场景,它已成为当前纳米材料研究的重要分支。
虽然碳纳米管的制备和应用已经取得了大量的进展,但仍有许多挑战需要克服,例如生产成本、生物相容性和寿命等。
希望在未来的研究中,能够加快碳纳米管的研究和应用。
碳纳米管的制备与应用研究进展碳纳米管是一种高度可控的新材料,具有优异的力学性能、导电性能和热导性能。
它有很多广泛的应用,例如纳米电子学、光电储存、传感器、复合材料等。
在制备和应用方面,碳纳米管的研究一直是材料科学领域的热点之一。
本文将介绍碳纳米管的制备方法和应用研究进展。
1.碳纳米管的制备方法碳纳米管的制备方法主要包括两种:单壁碳纳米管的制备和多壁碳纳米管的制备。
单壁碳纳米管可以使用化学气相沉积、电弧法和激光热解法等方法制备。
而多壁碳纳米管的制备可以使用等离子化学气相沉积、化学气相沉积、化学气相氧化还原法、高压水热法等方法制备。
其中,等离子化学气相沉积法被认为是制备高质量碳纳米管的一种有效方法。
在这种方法中,金属催化剂和加热源被放置在石英管中,通过气相反应制备碳纳米管。
这种方法可以获得高质量的碳纳米管,但成本较高。
化学气相沉积法则常被用于制备大面积单壁碳纳米管膜,在这种方法中碳源物质被分解,然后在合适的条件下聚合形成碳纳米管。
这种方法具有制备面积大的优点,但制备的碳纳米管不稳定。
高压水热法则在保持碳纳米管晶格结构高度连续和高可控性方面具有很大的潜力。
2.碳纳米管的应用研究进展(1)纳米电子学碳纳米管在纳米电子学领域的应用研究进展非常迅速。
由于其极小的尺寸和优异的电学性能,碳纳米管被认为是一种理想的纳米电子元器件。
由于单壁碳纳米管比多壁碳纳米管的电学性能更加优良,所以在纳米电子学领域,单壁碳纳米管得到了更多的关注。
碳纳米管晶体管在纳米电子学中是一个重要的应用领域。
它们由一个金属电极、一个半导体电极和一个碳纳米管电极组成,可以用于制作高效的电荷传输装置。
然而,碳纳米管晶体管也存在许多问题,例如金属/碳纳米管接触的电阻、电极标记位置不一致、多个管子强耦合等。
(2)传感器碳纳米管在传感器中的应用也具有很大的发展前景。
由于碳纳米管的高表面积、高强度和优异的电学性能,碳纳米管传感器能够快速、灵敏地检测各种化合物。
碳纳米管及其复合材料制备和性能3110103439傅航雷一、实验目的1.了解碳纳米管的微观结构特征和主要制备方法;2.制备碳纳米管催化剂,采用化学气相沉积法制备多壁碳纳米管;3.研究碳纳米管填充复合材料前后材料热导率的变化。
二、实验原理1.碳纳米管制备方法概括1991年日本NEC公司的电子显微镜专家饭岛在高分辨透射电子显微镜下检测石墨电弧设备中产生的球状碳分子时,意外发现由管状的同轴纳米管组成的碳分子,这就是现在被称作的“Carbon nanotube”,即碳纳米管,又名巴基管。
它主要由呈六边形排列的碳原子石墨面构成的,层数从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。
根据其管壁石墨面层数可将其分类为:管壁由一层石墨面构成的称为单臂碳纳米管,管壁由多层石墨面构成的则称为多壁碳纳米管。
目前常用的碳纳米管制备方法主要有:电弧放电法、激光蒸发法、化学气相沉积法等合成法。
电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法。
电弧放电法的具体过程是:将石墨电极置于惰性气体保护或者真空的反应容器中,在两极之间大电流激发出电弧,此时温度可以达到3000度以上(示意图见图1)。
在这种条件下,石墨会蒸发,生成的产物有富勒烯(C60)、无定型碳和单壁或多壁的碳纳米管。
通过控制催化剂和容器中的气氛,可以调节几种产物的相对产量。
使用这一方法制备碳纳米管技术上比较简单,但是生成的碳纳米管与C60等产物混杂在一起,很难得到纯度较高的碳纳米管,并且得到的往往是多层碳纳米管。
但是该方法反应消耗的能量太大,而且难以实现连续化制备。
图1 电弧放电法装置示意图激光蒸发法就是在一定温度和惰性气体流中用激光蒸发石墨靶,使其转化为碳纳米管。
Smalley R.E等采用该法合成了克数量级高质量的单臂碳纳米管,他们采用强激光束轰击含有0.5wt%镍和钴的石墨块。
整个系统安置在一个管式炉中,炉子加热到1200摄氏度,在激光轰击的同时,惰性气体流经该反应器,气流将生成的单臂碳纳米管吹到冷却器上进行收集(示意图见图2)。
碳纳米管的研究和应用碳纳米管是由碳元素构成的管状结构,具有极高的导热和导电性、强度和轻量化等优异性能,近年来已成为纳米材料研究领域的热点话题。
本文将简要介绍碳纳米管的性质特点、制备方法以及它们在电子学、医学和能源等方面的应用。
一、碳纳米管的性质特点碳纳米管具有许多独特的性质特点,这些性质使得它们在许多领域有着广泛的应用前景。
首先是碳纳米管的导热和导电性能极高,比铜的导电性能还要好。
理论上,碳纳米管的电阻率可以达到金属的1/1000,而且能够在室温下运输电子。
这些性能几乎没有与之相媲美的材料。
其次是碳纳米管的强度极高。
碳纳米管中的碳原子排列方式可以形成类似鸟巢的纳米空腔结构,使得碳纳米管的刚度和强度远高于其他材料。
利用碳纳米管可以制备出超级强度复合材料,提高材料的强度和耐磨性能。
最后是碳纳米管的轻量化特性。
碳纳米管的质量只有同等体积下石墨材料的1/6,而且具有高表面积和大的空气孔隙结构,与其他材料相比有着更强的吸附和催化作用,因此有着良好的吸附分离和催化性能。
二、碳纳米管的制备方法碳纳米管有多种制备方法,包括化学气相沉积法、电弧放电法、激光热解法和化学还原法等。
其中,化学气相沉积法是目前应用最为普遍的一种制备方法。
化学气相沉积法是通过在高温下将碳源气体转化为碳纳米管的方法。
一般来说,碳源气体为甲烷、乙烯或乙炔等。
通过控制反应条件,可以制备出长度、直径、数量、结构等不同的碳纳米管。
与其他制备方法相比,化学气相沉积法具有制备出高质量、大量、结构比较规则的碳纳米管的优点。
三、碳纳米管的应用碳纳米管在许多领域都有着广泛的应用,以下仅列出其中的几个方面。
1. 电子学碳纳米管具有优越的导电性能和热导性能,被认为是下一代电子学元器件的有力竞争者。
碳纳米管可以作为场效应晶体管、热电元件、透明电极等电子元件,还可以应用于柔性电子、纳米电池等领域。
2. 医学碳纳米管可以作为药物输送载体,具有较大的表面积和大量表面官能团,能够帮助药物靶向传输和细胞内吸收。
碳纳⽶管(CNTs)及其制备技术综述碳纳⽶管(CNTs)及其制备技术1.概述1991年,Iijima在⽯墨电弧放电产物中发现了碳纳⽶管(CNTs),从此碳纳⽶管成为碳家族的⼀个新成员。
CNTs是纳⽶科学的⼀颗耀眼明珠,其独特的结构、优良的物理和化学性能、巨⼤的应⽤前景吸引了⼤批的物理学家、化学家和材料学家的兴趣,成为科学领域的研究热点。
尤其是单壁碳纳⽶管的发现和研究被科学界权威杂志《Science》评为1997年世界⼗⼤科技成果之⼀。
2.碳纳⽶管的结构和性能2.1碳纳⽶管的结构碳纳⽶管是由多个碳原⼦六⽅点阵的同轴圆柱⾯套构⽽成的空⼼⼩管,相临的同轴圆柱⾯之间的距离与⽯墨的层间距相当,约为0.34nm,管壁由六边形排列的碳原⼦组成,每个碳与周围的三个碳原⼦相邻,碳/碳间通过sp2杂化键结合。
管的直径为零点⼏纳⽶到⼏⼗纳⽶,管的长度为微⽶级。
管的直径和长度随不同的制备⽅法及条件的变化⽽不同。
管的端部由五边形排列的碳原⼦封顶。
碳纳⽶管绝⼤多数两端是封闭的,并且这种封闭与碳纳⽶管圆管平滑连接,较⼩直径的碳纳⽶管的封闭形式⼀般呈半圆状,这对应于半个富勒烯(Fullerence)笼。
依据组成碳纳⽶管的⽯墨⽚层数的不同,碳纳⽶管可分为单壁碳纳⽶管即含⼀层⽯墨⽚的碳纳⽶管以及由⼀层以上⽯墨⽚组成的多壁碳纳⽶管。
碳纳⽶管结构⽰意图如图1所⽰。
图1 碳纳⽶管结构⽰意图(a)四层碳纳⽶管结构(b)单层碳纳⽶管结构2.2碳纳⽶管的性能碳纳⽶管具有独特的电⼦结构和物理化学性质,可以在许多⽅⾯得到⼴泛的应⽤。
碳纳⽶管的直径-长度⽐很⼤,⼀般情况下,长度都是直径的⼏千倍,远远⼤于普通的纤维材料;它的强度⽐钢⾼约100倍,⽽重量仅仅为钢材料的六分之⼀,有可能成为⼀种新型的⾼强度碳纤维材料。
这种“超级碳纤维”材料既具有碳素材料的固有本性,⼜具有⾦属材料的导电性、导热性,陶瓷材料的耐热和耐腐蚀性,纺织纤维的可编织性以及⾼分⼦材料的轻质、易于加⼯性,因⽽具有极⼤的应⽤潜⼒。
陕西理工学院毕业论文 第 1 页 共 7 页 碳纳米管的制备及其导电性的研究 33 (陕西理工学院 物理与电信工程学院 物理1103 陕西 汉中 723000) 指导老师:黄文登
[摘要] 碳纳米管是纳米材料中研究价值最高的材料之一。它的导电性能优于铜,稍逊于超导体,其硬度也与
金刚石相当,并且还是已知的弹性模量和抗拉强度最高的材料。由于拥有这些优越性能,可以预见,随着研究领域新的发现,碳纳米管的应用领域将会越来越广,其蕴藏的潜在的巨大经济价值将随着人们对它的认识的不断加深而充分体现出来。本文简单介绍了碳纳米管的性能、制备和去杂方法,同时讲述了电弧放电法、催化裂解法、激光蒸发法制备碳纳米管的原理,并且对制备碳纳米管方法的特点进行了相互比较。重点阐述了其导电性,简要说明了碳纳米管材料在超级电容器、催化剂载体、储氢材料等领域的应用前景。 [关键字] 碳纳米管;制备方法;应用;导电性能
前言 碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量子材料,这就决定了其本身独特的性质。碳纳米管正是因为这些特性,所以才会受到各大领域的广泛应用。比如制备纳米电子仪器的导线、电池里的储电装置等就是运用了本身导电导热性能;同时它拥有良好的柔韧性、质轻、易弯曲,可用于航空、航天飞行器的超轻超强结构材料,节省能耗[1]。 现如今石墨电弧法、激光法、催化裂解法等是制备碳纳米管的主要方法,其中运用前两种方法得到的碳纳米管产量低下,不能实现工业化生产;而催化裂解法所需的设备和工艺都比较简单,方便控制,催化时所需温度较低,相对而言节约能源,目前是制备碳纳米管的主流方法。 碳纳米管上碳原子的P电子形成大面积的离域π键,由于显著的共轭效应,碳纳米管具有良好导电性质[2]。将其与一些材料混合后,可以发挥各自的优势,从而得到性能高、成本低的复合电极材料,这将是碳纳米管以后的一个发展方向。 现在碳纳米管未实现真正的工业化应用主要面临两个问题:一是怎样实现碳纳米管的工业化的生产,二是如何进一步探究碳纳米管实际应用问题。要解决这两大难题,就需要研究人员一方面突破原有技术的障碍,探讨出可以降低成本,适用于大规模生产纳米管的技术;另一方面就是再深入研究碳纳米管的应用,使其充分发挥它的特性,在各个领域创造出特有的价值[3-5]。 随着碳纳米管的逐步的深入研究,人们迫切需求纳米功能器件,为作为该器件基础的碳纳米管等纳米材料提供了广阔的发展空间。在不久的将来,碳纳米管有望在超级电容器、储氢材料、催化剂载体等应用方面取得重大的突破。可以说,碳纳米材料将会成为全世界的科学和经济的领头羊。
1 碳纳米管的制备方法 1.1电弧放电法 最早使用的制备方法就是电弧放电法,如图1所示,它的具体工艺过程为:将石墨电极置于充满一定压力的惰性气体反应容器中,以在加入催化剂的石墨为阳极,并于阴阳两极激发出电弧,在这个反应过程中,阳极石墨不断被蒸发消耗,与此同时,阴极中沉积出含有碳纳米管、富勒烯、无定型碳等其他形式的碳纳米科颗粒的混合物,经过提纯后可得到碳纳米管[1]。Takizama[2]等人以含金属催化剂的碳棒采用电弧放电法制备碳纳米管,发现用镍-镱作为催化剂,在反应温度为600℃时最高产率可达70%以上,就算是在室温下产率也在30%—40%之间。而同等条件下,在Ar环境中得到的碳纳米管要比He环境中的多,碳纳米管粘附颗粒少、管径较小,在H2环境下制备的碳纳米管的管径较大且不均匀。而当稀释气中混有杂质时,比如CF4中含有F原子,H2中含有O2或H2O分子 陕西理工学院毕业论文 第 2 页 共 7 页 的情况下,碳纳米管的生长会得到阻碍。实验表明制备碳纳米管的影响因素主要有:惰性气体压力的大小会影响其管径、管长,氧气和水蒸气的存在使制成的碳纳米管存在许多缺陷,并且相互烧结在一起无法进行纯化。 电弧法制备碳纳米管的特点是:操作简单、制得的碳纳米管的管径直、结晶度高,但产量低下,所得的杂质也不利于以后的分离提纯,并且反应期间消耗的能量太大。
图1石墨电弧法工艺装置 1真空计 2真空室 3进料系统 4阳极石墨电极 5真空泵 6.冷却水气流流通 7阴极石墨电极 8冷却水系统 9惰性气体 1.2激光蒸发法 激光蒸发法是一种制备单壁碳纳米管的有效方法,其原理是将石墨靶(金属催化剂与石墨相互混合)置于石英管中央,紧接着将石英管放于加热炉内。当炉内温度达到1473K 时,往管内充入惰性气体,并将一束激光照射至石墨靶上。在激光的照射下将形成气态碳,反应气流会把这些气态碳和催化剂粒子从高温区送至低温区,然后在催化剂的作用下沉积出碳纳米管[3]。Iijima [4]等发现激光脉冲间隔时间与碳纳米管的产率成正相关关系,然而脉冲间隔时间对单壁碳纳米管的结构不会造成影响。这种方法便于持续生产,但生成的单壁碳纳米管容易缠结,并且所用的激光设备耗费大,成本太高,因此不易推广。 1.3催化裂解法 目前,在所有制备碳纳米管的方法中,催化裂解法是应用较为广泛的一种。该方法的催化剂主要以过渡金属为主,在催化剂的作用下烃类或者含碳氧化合物裂解而形成碳纳米管。其基本原理是:将一定比例下的氨气与有机气体混合后,通入无氧的石英管内,在相应的温度下,碳源在催化剂表面裂解而成;与此同时,通过催化剂的扩散和前移,在其后表面长出碳纳米管,直至石墨层把催化剂颗粒全部包裹,碳纳米管生长就此结束[5]。 一般选用铁、钴、镍等及其化合物作为催化剂,二氧化硅、氧化铝等作为载体,烃类或者含碳氧化合物作为碳源,氢气、氮气、氩气等作为稀释气体。如图2所示。
图2 催化裂解简易装置 1催化剂 2电炉 3石英管4热电偶5温度控制 6气体混合 陕西理工学院毕业论文 第 3 页 共 7 页 1.3.1催化剂 在制备碳纳米管的过程中,碳纳米管的质量受催化剂特性影响。金属催化剂元素的类别有很多,但是一般情况下选取过渡金属元素(Fe、Co、Ni 等)、镧系元素(Ld、Nd、La等)或者其混合物作为催化剂。 1.3.2反应温度 碳纳米管制备催化的温度需在一个合适的范围下进行。反应温度太高会使碳源的裂解速度加快,导致碳原子以无定形碳等形式沉淀下来;反应温度过低会使碳源的裂解速度变慢,降低了碳原子的浓度,反应管口容易被封住从而使得碳纳米管停止生长[6]。 1.3.3碳源 催化裂解法合成碳纳米管是含碳反应物在催化剂上裂解形成的。因此,含碳的有机小分子都可以作为制备碳纳米管的底物。然而随着底物碳源不同,其分解能力与方式也不尽相同。不仅在活性上有很大差异,而且所生成碳纳米管的性能和结构也会随之改变。 1.3.4气体流量 在反应过程中,合适的气体流量可以提升碳纳米碳管的产率和纯度。气体流量过小,碳源分解的速度低下,将导致合成碳壁纳米碳管的产率过低;若气体流量过大,所得产物中不但含无定形碳多,而且还会造成碳源的浪费。 该方法的优点是所需的设备和工艺都比较简单,方便控制,催化时所需温度较低,相对而言节约能源。并且可以大规模工业化生产,反应后的残余物是气体,易于提纯。美中不足的是所制得的碳纳米管层数较多、管径不整齐、形状不规则、结晶度低、石墨化程度也差。 碳纳米管还有其他类型的制备方法,如电子束辐射法、火焰法等。但所有方法制备的碳纳米管都存在着纯度低、产率低下等缺点,因此在碳纳米管的提纯和大规模生产还有一段艰辛的路要走。
2 碳纳米管的性能 2.1力学性能 在碳纳米管中碳原子采取SP2杂化,S轨道成分相比SP3杂化比较大,使碳纳米管具有高模量、高强度的力学性能。碳纳米管具有良好的延展性,可以拉伸,但碳纳米管的硬度却与金刚石相当。目前在工业上常用的增强型纤维中,决定强度的关键因素是长径比。材料工程师希望得到的长径比至少是20:1,而碳纳米管的长径比一般都在1000:1以上,是理想的高强度纤维材料[7]。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。碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。若将其他工程材料与碳纳米管混合制成复合材料,可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性等,这将给复合材料的性能带来很大的改进[3]。 2.2导电性能 由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同,碳原子的P电子形成离域π键,再加上显著的共轭效应,因此碳纳米管具有良好的导电性能。通过理论分析其导电性是由管径和管壁的螺旋角所决定的,理论计算表明当碳纳米管管径大于6mm时,它的导电性能会降低,反之则可以被当作具有良好导电性的一维量子导线[8]。 2.3传热性能 碳纳米管具有良好的传热性能,CNT具有非常大的长径比,因此其长度热交换性能高,在垂直方向上有相对较低的热交换的性能,通过合适的取向,碳纳米管可以合成高度各向异性的热导率材料。另外,碳纳米管具有高的热导率,只要少量掺杂复合碳纳米管,该复合材料的热导率将有可能被极大的提高[4]。
3 碳纳米管的去杂化处理 目前所制得的碳纳米管杂质较多,将会限制碳纳米管的深入研究与应用。因此对碳纳米管去杂研究是至关重要的。又因为制备方法和实验条件的差异而产生的杂质不尽相同,所以去杂的方法还因相关的制备方法而异。到目前为止,其去杂方法有很多种,大致可分为物理去杂和化学去杂。 陕西理工学院毕业论文 第 4 页 共 7 页 3.1物理方法 物理去杂是根据碳纳米管与杂质的粒径、形态、电性、比重等物理性质的差异,利用离心分离、电泳法等物理方法将杂质分离出去,从而达到去除杂质的目的。物理去杂是一种既能保障碳纳米管的结构不被破坏又能将杂质有效的分离出去的方法[9]。比如电泳法是根据电泳速率不同将碳纳米管与其他杂质颗粒分离出去;而离心分离法则是由于纳米碳管比无定形炭、富勒烯等杂质的粒度大,所以在离心时纳米碳管受离心力的作用先沉积下来,而粒度较小的杂质则留在溶液中,使悬浮液在加压下通过微孔滤膜就可使粒度小于微孔滤膜的杂质粒子除去。但是基于碳纳米管与大部分杂质的性能近乎接近,除了离心法之外,其他方法或多或少还是有杂质的存在。 3.2化学方法 氧化法是利用氧化剂对碳纳米管与杂质之间的氧化速率不同来完成的。由于有无定形碳和碳纳米颗粒等杂质因为耐氧化性差,容易被氧化,而碳纳米管的结构有悬挂键的存在,相对而言需要较长的时间才能被氧化[10]。因此需要精确控制氧化反应的时间和氧化剂用量可以使杂质先被氧化,从而达到提纯的目的,主要方法有气相氧化法、液相氧化法、固相氧化法、电化学氧化法等。然而这一方法有一个缺点,就是在其他杂质被氧化的同时,有一部分的纳米碳管管壁或管端会受到影响,也相应被氧化掉,甚至被完全氧化掉。使得碳纳米管的管径、管长小于初始状态,其结构也受到破坏。
4 碳纳米管的导电性能 单壁碳纳米管的螺旋性能可以通过六角点阵的手性来确定,Ch= na2+ ma1其中Ch表示在石墨晶体上连接碳纳米管两个等价碳原子的向量,1a和2a表示石墨平面结构的单位矢量,参数n, m均为整数,手性角θ为矢量Ch与2a的夹角;碳纳米管的手性矢量如下图3所示依据(n, m)不同的数值来确定单壁碳纳米管是否具有导体或者半导体的性质[8]。其中,对于单壁碳纳米管,n-m=3k(k为整数并且是n和m的最大公约数)时,才有可能具有导体特性,而其他形式下则为半导体性质。