纳米材料制备及其聚合物基复合材料的研究进展.pdf

第27卷第2期胶体与聚合物Vol.27No.2
2009年6月ChineseJournalofColloid&polymerJun.2009

碳纳米管的制备及其聚合物
基复合材料的研究进展

向冬
（湖北大学材料科学与工程学院武汉430062）

摘要本文综述了单壁碳纳米管的制备方法，重点阐述了化学气相沉积法的合成运用，并对目前碳纳米管在
聚合物基纳米复合材料方面的研究做了综合阐述。
关键词单壁碳纳米管；化学气相沉积；碳纳米管聚合物复合材料

1991年，日本NEC公司电子显微镜专家S.但是该法操作条件不易掌控，产物中单壁纳米碳
Iijima[1]在高分辨率透射电子显微镜下观察C60结管的含量取决于炉中的位置，不同位置的含量差
构时，偶然发现了直径430nm，长达1um量级、别较大，且合成的单壁纳米碳管纯度不高，含有
~
管壁呈石墨结构的多层碳分子，这就是今天被广较多的无定形碳和金属颗粒，易缠结。
泛关注的碳纳米管。然而，当时所发现的并不是1.2激光烧蚀法
单壁碳纳米管，其最小层数为2，称为双壁碳纳米激光烧蚀法[6]即将一根金属催化剂/石墨混
管。1993年，通过在电弧放电中加入过渡金属催合的石墨靶放置于一长形石英管中间，该管则置
化剂，NEC和IBM研究小组同时成功地合成单于一加热炉内。当炉温升至1473K时，将惰性气
层的碳纳米管[2,3]。单壁碳纳米管(SWCNTs)是一种体充入管内，并将一束激光聚焦于石墨靶上。石
结构的极限状态，具有独特的结构特征，如长径墨靶在激光的照射下将生成气态碳，这些气态碳
比大、结构缺陷少、端部曲率半径小等。这使得和催化剂粒子被气流从高温区带向低温区，在催
SWCNTs表现出奇异的力学、电学、磁学性质，可化剂的作用下生长成单壁碳纳米管。激光烧蚀法
用于纳米电子器件、场发射、扫描探针显微技术、合成的单壁纳米碳管纯度高，但所用设备比较昂
储氢材料和化学传感器等多个领域，其良好的应贵，合成单壁纳米碳管的量极其有限且容易缠
用前景引起了各国科技人员极大的关注。结，因而难以推广。
本文综述了单壁纳米碳管的主要制备方法，1.3化学气相沉积法
分析了化学气相沉积法合成单壁纳米碳管的主化学气相沉积法一般采用过渡金属催化剂，
要影响因素,并着重阐述了碳纳米管在聚合物基在600～1300℃的温度下，通过催化碳化物分解
纳米复合材料方面的应用与研究。出碳原子，得到的碳原子在催化剂的作用下形成
碳纳米管。与电弧放电法和激光烧蚀法相比，催
1单壁碳纳米管的制备化化学气相沉积法具有设备简单、条件易控、产
SWCNTs的制备是SWCNTs研究中一个关量高、成本低等优点，并且最有希望大规模生产，
键的环节，高纯度SWCNTs的大量制备是对其应因而倍受科学工作者的青睐。
用研究的前提和基础。目前SWCNTs通常由电弧CVD法是合成CNTs的主要方法，催化剂的
法，激光烧蚀法及化学气相沉积法(CVD)[4]来制种类、催化剂的粒径、碳源气体的种类和反应的
备。CVD法由于设备简单，条件易控，易于放大，温度等条件[7]是影响CNTs产量和性能的主要因
受到人们的关注。素，寻找合适种类和粒径的催化剂，合适的碳源
1.1电弧法气体以及合适的反应温度是大量制备优质CNTs
电弧放电法[5]是最早的单壁纳米碳管制备方的前提。从目前研究的状况来看，CVD法合成
法，一般采用含金属催化剂的石墨棒作为阳极，CNTs虽然研究较多，但是尚存有许多需要探索
通过电弧放电在阴极上形成烟状沉积物。电弧放的空间。
电法制备单壁纳米碳管具有设备简单、原料易
得、成本低的优势，一直受到科学工作者的关注；
收稿日期：2009-03-12
38胶体与聚合物第27卷

1.3.1催化剂CVD制备SWCNTs的过程中，复合材料新的光电性能。由于碳纳米管具有优良
催化剂的特性直接影响生成SWCNTs的质量。催的电学和力学性能，被认为是复合材料的理想添
化剂由金属催化剂和载体组成，可作为金属催化加相。作为加强相和导电相，碳纳米管在纳米复
剂元素[8]的种类很多，一般为过渡金属元素(Fe、合材料领域有着巨大的应用潜力，碳纳米管聚合
Co、Ni等)、镧系元素(Ld、Nd、La、Y等)，或者它们物复合材料作为结构材料使用的研究也正在世
的混合物。对于CVD制备SWCNTs，催化剂的有界范围内加紧进行。
效组分主要是铁、钴和镍等过渡金属。碳纳米管聚合物纳米复合材料的研究可分
1.3.2反应温度碳纳米管制备反应需在一个合为碳纳米管/聚合物结构复合材料和碳纳米管/
适的温度范围下进行。反应温度不能太高，否则聚合物功能复合材料两个部分。
碳源的裂解速度过快，碳原子来不及规则排列而2.1碳纳米管/聚合物结构复合材料
会以无定形碳等形式沉积下来。反应温度也不宜在结构复合材料方面目前已有贾