碳纳米管历史与发展及其应用

航天学院飞行器设计与工程专业111XXXX818XXXX3538摘要：本文简要介绍碳纳米管的发展历史，对其特性做粗略的介绍。对其制备方法做了一定介绍，综述了碳纳米管当前在各个领域的应用，并对碳纳米管的发展前景做了乐观展望。关键词:碳纳米管；纳米；应用；发展；历史

1.历史与发展

1.1碳纳米管的发现在1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛(Iijima)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，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子,这就是现在被称作的“Car

1.2碳纳米管的发展理论预计该材料具有优异的力学、电学、磁学等性能，极具理论研究和实际应用价值，因而激起了国内外学者的极大兴趣，碳纳米管的研究成为材料界以及凝聚态物理研究的前沿和热点。1993年，XXX等和DS。

2.碳纳米管的特性碳纳米管,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,可看作是由片层结构的石墨卷成的无缝中空的纳米级同轴圆柱体,两端由富勒烯半球封帽而成。按片层石墨层数分类,可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。单壁碳纳米管可看成是由单层片状石墨卷曲而成,而多壁碳纳米管可理解为不同直径的单壁碳纳米管套装而成,层与层之间距离约0.34nm。碳纳米管具有的化学组成及原子结合形态,却展现了最丰富多彩的结构以及与之相关的物理、化学性能。由于它可看成是片状石墨卷成的圆筒,因此必然具有石墨优良的本征特性,如耐热、耐腐蚀、耐热冲击、传热和导电性好、有自润滑性和生体相容性等一系列综合性能。但纳米碳管的尺度、结构、拓扑学因素和碳原子相结合又赋予了碳纳米管极为独而有广阔应用前景的性能,其最为突出的特性主要有以下三点:奇异的导电性碳纳米管的性质与其结构密切相关。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。理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。当CNTs的管径大于6mm时，导电性能下降；当管径小于6mm时，CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。优异的力学性质除了奇特的导电性质之外，碳纳米管还有非凡的力学性质。理论计算表明，碳纳米管应具有极高的强度和极大的韧性。由于碳纳米管中碳原子间距短、单层碳纳米管的管径小，使得结构中的缺陷不易存在，因此单层碳纳米管的杨_模量据估计可高达5太帕，其强度约为钢的100倍，而密度却只有钢的1/6。因此，碳纳米管被认为是强化相的终极形式，人们估计碳纳米管在复合材料中的应用前景将十分广阔。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，也成为科学家们关注的焦点。1997年，

XXX对单壁碳纳米管(SWNT)的储氢性能做了研究，SWNT在0时，储氢量达到了5%。DeLuchi指出:一辆燃料机车行驶500km，消耗约31kg的氢气，以现有的油箱来推算，需要氢气储存的重量和体积能量密度达到65%和62kg/m3。这两个结果大大增加了人们对碳纳米管储氢应用前景的希望。

3.碳纳米管的制备方法

3.1石墨电弧法IIJIMA通过电弧放电法首次得到了碳纳米管。阳极石墨电极在电弧产生的高温下蒸发,在阴极沉积出含有碳纳米管的产物。用纯石墨电极制备的碳纳米管存在石墨碳纳米颗粒、无定形碳等杂质,产量不高且分离困难。在石墨电极中加入Fe,Co,Ni等催化剂可以降低反应温度,择优生成碳纳米管。在反应室中充入惰性气体或氢气,采用不同的工艺条件,可制得单壁碳纳米管或多壁碳纳米管.WANG等8认为,与Ar,He等惰性气体对碳纳米管的形成主要起冷却作用相比,H2具有更高的导热率且可形成CH键,从而刻蚀非晶碳,因此用H2作缓冲气体合成的碳纳米管更加纯净。成会明等开发了半连续氢等离子电弧法,阳极由石墨粉和催化剂组成,阴极是一根石墨棒.用金属络合物催化,含硫化合物抑制杂质生成,促进碳纳米管生长,在H2气氛中电弧放电,单壁碳纳米管0.5h的产量达1g。ISHIGAMI等在液氮环境下得到的多壁碳纳米管,产量可达44mg/mincm2。LI_ue-song等提出水保护电弧放电法,碳纳米管含量高于50%。TIAN等将煤粉和金属粉末混合物直接注入等离子流,用煤电弧法合成了多壁碳纳米管,省却了复杂的煤基电极制作过程。在制备碳纳米管的过程中,通过对电弧放电条件、催化剂、电极尺寸、进料方式、极间距离以及原料种类等工艺条件进行优化,电弧法变得日渐成熟。由电弧法得到的碳纳米管形直,壁簿(多壁甚至单壁),但产出率偏低,电弧放电过程难以控制,制备成本偏高,其工业化生产还需探索。3.2激光蒸发法利用高能量密度激光在特定的气氛下照射含催化剂的石墨靶,激发出来的碳原子和催化剂颗粒被气流从高温区带向低温区,在载体气体中气态碳在催化剂的作用下相互碰撞生成碳纳米管.在1437k下,THESS等采用双脉冲激光照射含Ni/Co催化剂颗粒的石墨靶,获得较大数量和高质量的单壁碳纳米管。陈XX等用脉冲激光轰击流动的乙醇和镍-石墨靶的固-液界面,也制得了碳纳米管.碳纳米管的生长主要受到激光强度、生长腔的压强,以及气体流速等因素的影响.此法得到的大多是单壁碳纳米管,质量高,但产量较低。3.3催化热解法催化热解法(CVD)又叫化学气相沉积法,含有碳的气体流经催化剂纳米颗粒表面时分解产生碳原子,在催化剂表面生成碳纳米管.催化热解法又以催化剂存在方式的不同被分为基体法和浮游法等.基体法利用石墨或陶瓷等作载体,将催化剂附着于其上,高温下通入含碳气体使之分解并在催化剂颗粒上长出碳纳米管;浮游法就是直接加热催化剂前驱体使其成气态,同时与气态烃一起被引入反应室,在不同温区各自分解,分解的催化剂原子逐渐聚集成纳米级颗粒,浮游在反应空间,分解的碳原子在催化剂颗粒上析出,形成碳纳米管。此方法可连续生产。载体的类型、催化剂的种类和制备方法、反应气体种类,以及流量和反应温度等对碳纳米管生长有较大影响。此方法的反应过程易于控制反应温度相对较低,产品纯度较高,成本低,产量高,适用性强,现被广泛用于碳纳米管的制备。3.4其他新型制备技术在改进传统制备方法的同时,研究者还积极探索新的碳纳米管的制备技术.例如开发出增强等离子体热流体化学蒸气分解沉积法、电解法、低温固体热解法、离子轰击生长法、太阳能法和水热合成法等,但这些方法的制备工艺条件较难控制,产品质量和产量都相对较低。

4.碳纳米管的应用

1.高性能导电复合材料因其导电性能良好并具有极大的长径比，将极少量

1.5-4%)碳纳米管添加到聚合物中就能形成导电网络，获得高性能导电复合物，而其它导电碳材料的添加量在20%左右才能达到相同的导电效果，高添加量将严重影响复合材料的机械性能及加工性能

2.硼、氮共掺杂使金属性碳纳米管转变为半导体在生长单壁碳纳米管过程中，原位进行硼、氮共掺杂，实验和理论研究发现，硼、氮共掺杂使金属性碳纳米管转变为半导体。使金属性的单壁碳纳米管的能隙被打开，使其转变为半导体性的纳米管，而

3.用纳米碳管解决个人计算机内部散热通过纳米碳管可以解决个人计算机内部的散热问题。因为纳米碳管导热的效果极佳，而且管子很小，且能在聚合物或涂层中悬浮。

4.碳纳米管在超级电容器电极材料方面的应用碳纳米管具有非常高的比面积，结晶度高，加之优异的导电性能和良好的机械性能，碳纳米管是制造超级电容器电极的理想材料。梁X等研究了硝酸改性处理的碳纳米管来制作电极所得超级电极电容器的质量比电容达到69F/g，而且这种电容器具有良好的频率响应特性。超级电容是目前已知的最大容量的电容器，开发并利用碳纳米管做超级电容的电极材料存在巨大的商业价值。

5.催化剂的良好载体碳纳米管作为纳米材料家族的新成员，其特殊的结构和表面特性，优异的储氢能力和金属及半导体导电性，使其在加氢，脱氢和择型催化等反应中具有很大的应用潜力。碳纳米管一旦在催化上获得应用，可极大提高反应的活性和选择性，必将产生巨大的经济效应。

6.太空缆绳的首选材料碳纳米管具有强度高质量轻的特点，单个碳纳米管的直径只有，万个碳纳米管并在一起相于一根头发丝的直径，碳纳米管可能成为未来理想的超级纤维碳纳米管的一种可能具有突破性的应用是用于太空升降机，用碳纳米管做成的太空缆绳与其他物质不同的关键是它能支持住自身的质量，这就提供了一种把人或物品提升到外层太空的可能方法也许将成为人类移居外星球的理想方法。

7.碳纳米管可实现飞机结构表面裂纹自愈合位于纽约圣特洛伊的伦斯勒理工学院的研究人员已验证了一种能使复合材料结构表面裂纹自愈合的修理技术。基体内埋入纵横交错的导线,在结构表面上形成_2Y格栅,其上覆以碳纳米管/环氧树脂纳米复合材料。通过导线的电脉冲以及碳纳米管能探测出导致格栅断裂的微小裂纹。一旦确定了裂纹区域,通过碳纳米管来传递一种更强的脉冲电流,由它加热的愈合剂混入环氧基体,然后流入裂纹以阻止裂纹扩展。加热愈合剂使之流动的热量来自于纳米管具有的传导高强短脉冲电流的能力。伦斯勒理工学院的研究团队也在开发可自动扫描结构裂纹、分层及其他缺陷的软件,并采用可控制的高强脉冲电流来进行实时修理。

8.其它应用碳纳米管作为一种新型的超级纤材料,可以用作扫描隧道显微镜和原子力显微镜的针尖。研究表明,碳纳米管已经被研究人员制成纳米管显微容器、纳米齿轮、微型天线等,美国发现月刊报道利用碳纳米管制作的太空梯将升向太空。碳纳米管独特的管状结构还可制作纳米装置、超大规模集成电路散热衬托材料、计算机芯片导热板、一维导线、纳米同轴电缆、分子晶体管、电子开关、美容材料、防弹背心、抗震建筑等。

5.展望纳米材料作为新兴的材料贵族一直作为各国科学家的重点研究对象，而碳纳米管作为纳米材料中的超级王_，它所体现的完美特性不断的震撼着科学家们。而这些特性如果能得到运用，那将是创世纪的辉煌成就。可以预见，在接下的十几二十年内，碳纳米管材料将成为各国纳米材料的重点研究对象。而这些特性的运用，将彻底改变这个世界，创造难以想象的价值。