碳纳米管材料的研究现状及发展展望.doc

碳纳米管材料的研究现状及发展展望摘要：碳纳米管因其独特的结构和优异的物理化学性能具有广阔的应用前景和巨大的商业价值。本文综述了碳纳米管的制备方法、结构性能、应用以及碳纳米管发展趋势。关键词：碳纳米管；制备；抗静电；隐身涂料；吸波涂料纳米材料由于其尺寸处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等特性展现出许多独特的物理化学性质。20世纪80年代初期纳米材料这一概念形成以后世界各国都给予了极大关注。它所具有的独特性质给物理、化学、材料、生物、医药等领域的研究带米新的机遇。1、碳纳米管的制备、结构与性能1.1、碳纳米管的制备1．1.1电弧法石墨电弧法是最早的、最典型的碳纳米管合成方法。其原理为电弧室充惰性气体保护两石墨棒电极靠近拉起电弧再拉开以保持电弧稳定［1］。放电过程中阳极温度相对阴极较高所以阳极石墨棒不断被消耗同时在石墨阴极上沉积出含有碳纳米管的产物[2]。这种方法具有简单快速的特点碳纳米管能够最大程度地石墨化管缺陷少。但存在的缺点是：电弧放电剧烈难以控制进程和产物合成物中有碳纳米颗粒、无定形炭或石墨碎片等杂质杂质很难分离。经过多年研究科研工作者对该方法进行了改进如Takizawa等人利用电弧放电法通过改变催化剂镍和钇的比例实现了控制产物直径分布的目的。Colbert[3]等人将一般阴极(大石墨电极)改成一个可以冷却的铜电极再在上面接石墨电极这样产物的形貌和结构大为改观使电弧法再次焕发了青春。1．1．2催化裂解法催化裂解法亦称为化学气相沉积法通过烃类或含碳氧化物在催化剂的催化下裂解而成。其基本原理为将有机气体(如乙炔、乙烯等)混以一定比例的氮气作为压制气体通入事先除去氧的石英管中在一定的温度下在催化剂表面裂解形成碳源碳源通过催化剂扩散在催化剂后表面长出碳纳米管同时推着小的催化剂颗粒前移[4]。直到催化剂颗粒全部被石墨层包覆碳纳米管生长结束。该方法的优点是：反应过程易于控制设备简单原料成本低可大规模生产产率高等。缺点是：反应温度低碳纳米管层数多石墨化程度较差存在较多的结晶缺陷对碳纳米管的力学性能及物理化学性能会有不良的影响。1．1．3离子或激光蒸发法1996年诺贝尔化学奖获得者之一的Smally研究小组首次利用激光蒸发法合成了纳米碳管。此后激光蒸发法成为制备单壁碳纳米管的有效方法之一[5]。此法在氩气气流中用双脉冲激光蒸发含有Fe／Ni(或Co／Ni)的碳靶方法制备出直径分布范罔在0．81—1．51nnl的单壁碳纳米管。该法制备的碳纳米管纯度达70％～90％基本不需要纯化但其设备复杂、能耗大、投资成本高。1．1．4其他合成方法近几年来科研工作者在改进传统制备技术的同时探索和研究出了一系列新型碳纳米管的制备技术其中有水热法、火焰法、超临界流体技术、水中电弧法、固相热解法、太阳能法等。较典型的如：1996年Yamamoto等人在高真空(5．33×10-3Pa)下通过氩离子束对非晶碳进行辐射的方法获得了较纯的纳米碳管。Chemozatonskii等人通过电子束蒸发涂覆在Si基体上的石墨的方法制备了规则排列的纳米碳管。Feldman等人利用电解碱金属卤化物的方法制备了直径为30～50nm的多壁纳米碳管。在碳纳米管产业化进程中日本和美国一直处于领先的位置。目前中国的碳纳米管生产技术在国际上也具有一定的优势如深圳纳米港公刮拥有了具有完全自主知识产权的沸腾床催化热解法生产工艺和装置清华大学和中科院等科研院所已具备一定规模化生产的条件。1.2、碳纳米管的结构碳纳米管是由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的无缝、中空纳米管(原子排列结构见图1)。按照所含石墨片层数的不同碳纳米管可以分成单壁碳纳米管(Single—wallednanotubesSWNTs)和多壁碳纳米管(Multi—wallednanotubesMWNTs)。其中SWNTs由一层石墨片组成；MWNTs由多层石墨片组成形状与同轴电缆相似。1．3、碳纳米管的性能碳纳米管因其小尺寸效应和独特的分子结构具有优异的物理化学性能。一维分子材料和六边形完美连接结构使碳纳米管具有质量轻、强度高的特点；较大长径比及sp2、sp3杂化几率不同使碳纳米管具有优良的弹性；直径、螺旋角以及层间作用力等存在的差异使碳纳米管兼具导体和半导体的特性；独特的螺旋状分子结构使碳纳米管构筑的吸波材料具有比一般吸收材料高得多的吸收率。此外碳纳米管还具有独特的光学性能良好的热传导性极高的耐酸、碱性和热稳定性。2、碳纳米管的应用由于CNTs独特的结构使其具有很好的电学性能和力学性能因此被广泛应用于研制CNTs基电子器件、CNTs的纳米复合材料、表面强化等领域。2．1、电学应用领域由于CNTs具有很好的电学性能特别是经高温退火处理消除部分缺陷后的CNTs导电性能