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普通化学论文

碳纳米管及其在未来材料领域中的潜在应用

徐新宇王一杰陈锟段昊泓
北京大学化学与分子工程学院05级

摘要：碳纳米管自发现以来，由于其独特的结构特征，使其具有独特的物理、化学性质

和广泛的应用前景。本文首先简述碳纳米管的发现和发展历史，碳纳米管的结构和制备，然

后阐述单壁碳纳米管的物理、化学性能和及其应用的最新进展，并且初步探讨了碳纳米管在

电磁学方面的潜在应用前景。

关键词：碳纳米管，结构，单壁碳纳米管，应用，微型发电机

1．引言

[1][2]
继C60在1985年被Smalley等人发现及1990年实现批量制备以来,对

C60的结构和各方面性能的研究也逐渐开展起来。正是基于对C60的研究工作的
深入展开，在1991年，日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家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

[3]
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“Carbon

nanotube”,中文译名为“碳纳米管”。

2．碳纳米管的结构

碳纳米管是富勒碳家族的一个重要成员，是晶体碳的另一种同素异形体。
从富勒碳、碳纳米管到石墨，再到金刚石，晶形碳的结构日趋完美（从零维到三
维）。在碳纳米管被发现之前，在晶形碳的同素异形体中，石墨是二维的（面），
金刚石是三维的（体），C60是零维的（点），如图所示。人们自然会联想到，是
不是还存在一维的晶形碳结构呢？自1991年Iijima发现了碳纳米管后，这个问

[4]
题最终有了答案。

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图1富勒碳图2碳纳米管

图3石墨图4金刚石
2．1一维纳米线

顾名思义，碳纳米管的直径必然在纳米级。一般单壁碳纳米管的直径在
0.4—2nm，多壁碳纳米管的直径也不超过50nm，长度则可达数微米至数毫米，

[5]
因而具有很大的长径比，是准一维的量子线。

2．2碳纳米管的微观结构

碳纳米管可看作是由石墨烯层片卷成、直径为纳米尺度的圆桶，其两端由富

[6]
勒烯半球封帽而成。另一方面，碳纳米管可以想象为由C60或其他富勒碳分

子拉长而成，封口的碳纳米管两端都是半笼形结构，为相应富勒碳球形分子的一

[4]
半。

[4]
2．2．1多壁、中空与螺旋特征

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。采用拓扑学方法将管展开平铺，显示出其螺旋特征，这与普通晶体的螺
旋生长特征相吻合。
2．2．2六边形碳环结构与多边形管状特征
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。

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2．2．3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。

[4]
3．碳纳米管的分类

3．1按形态分类

[7]
碳纳米管形态各异。根据Osawa等人所绘制的碳纳米管形态图，可以将碳

纳米管分为普通封口型、变径型、洋葱型、海胆型等多种形态。

3．2按层数分类

按碳纳米管的层数分类，碳纳米管可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。

3．3其他分类标准

还可以按手性分类，按定向性分类，按导电性分类。

[8]
4．单壁碳纳米管的制备

4．1电弧法

这是制备单壁碳纳米管的传统方法。在真空室中充入一定量的惰性气体，
用填充有铁或钴作为催化剂的较细的石墨棒作为阳极，而较粗的石墨棒作为阴
极。通过石墨电弧法进行反应，在容器内壁上得到富含单壁碳纳米管的碳灰，经
提纯，可以得到单壁碳纳米管。

图5石墨电弧法工艺装置

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4．2激光蒸发法

激光蒸发法是在高温电阻炉中，由激光束蒸发石墨靶，采用钴及硫或Al2O3
载Mo或La等催化剂，反应得到绳索状的直径均匀的单壁碳纳米管，又称为激光
烧灼法。

4．3化学气相沉积法

化学气相沉积法是在制备碳纤维的基础上制备单壁碳纳米管的。在制备中，
常采用浮动裂解法，在1100—1200℃的温度范围内，以二茂铁为催化剂，通过
其引入量来控制催化剂颗粒的大小和碳氢比。以苯为碳源，添加适量的噻吩可以
制得碳纳米管。

图6化学气相沉积法制备碳纳米管装置图

5．碳纳米管的性能及其应用

5．1碳纳米管的力学性能

5．1．1碳纳米管的力学特性
碳原子之间通过较强的共价键结合，碳原子最外层的4个电子通过sp2杂化，
产生3个能级相同的轨道与其他碳原子形成结合力较强的σ键。另外一个电子也

[4]
可以和其他碳原子形成∏键。σ键使碳纳米管形成独特、稳定的微观管状结构

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图7碳原子成键的sp2杂化轨道

碳纳米管的弹性模量与金刚石的基本相同，为已知的最高材料模