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碳纳米管及其发展 向迪 上海应用技术大学 材料科学与工程院 166081102 摘要 本文综述了碳纳米管的发展背景、制备方法、形成机理、性能和应用，以及其。 关键词 碳纳米管制备性能应用 Carbon Nanotube and its Development Xiangdi （Shanghai Institute of Technology School of materials science and Engineering 166081102） Abstract The developnt and applications of carbon nanotube were discussed briefly in this paper. Some of technologiesfor synthesis of carbon nanotube were introduced. The forming process of carbon nanotube were analyzed. And its application prospect. Key words carbon nanotube synthesis properties application 发展背景 碳纳米管，又名巴基管，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。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，约0.34nm，直径一般为2~20 nm。碳纳米管作为一种新型材料，其理论抗拉强度是钢的100倍，而密度仅为钢的1／6。碳纳米管的理论比表面积可达8 000 m2／g，可作为双电层超级电容器的极板材料，达到很高的比功率。采用碳纳米管作为场发射的阴极材料，在逸出功、阈值电压和散热等方面比钼尖锥具有明显的优越性，因此，在场发射显示器领域有广阔的应用前景。由于碳纳米管具有强度高、重量轻、性能稳定、柔软灵活、导热性好、比表面积大，并具有许多吸引人的电子性质，故在无线电通信、储氢电池、航空航天、军事等各个领域都有着极为广泛的应用1985年英国萨塞克斯大学(University of Sussex)的波谱学家Kroto教授与美国莱斯大学(Rice University)的Smalley和Curl两教授在合作研究中，发现碳元素可以形成由60个或70个碳原子构成的高度对称性笼状结构的C60和C70分子，被称为巴基球(Buckyballs)[1]。这一新发现刷新了人们对碳族这一人们最熟悉的元素的认识，它是继石墨、金刚石之后发现的纯炭的第三种独立形态，在物理、化学、材料和生命科学等众多领域有着巨大的应用。1991年，日本NEC科学家Iijima在制取C60的阴极结疤中首次采用高分辨隧道电子显微镜(HR—TEM)发现一种外径为5．5nm、内径2．3nm，仅由两层同轴类石墨圆柱面叠合而成的碳纳米管[2]。1992年Iijima和美国的Bethune等人在通过掺人过渡金属催化剂的石墨电极间起弧放电的方法，在制备产物中分别发现了单壁纳米管[3,4]。这种纳米尺寸的新型碳材料，由于具有独特的结构、电学及机械等性能，在场发射显示器件[5,6]、纳米电子器件[7,8]、超强度复合材料[9,10]、储氢材料[11]等诸多领域已取得了较大的突破，引起全球性物理、化学及材料等学科界的极大兴趣。 制备方法 碳纳米管作为纳米材料中最具潜力的材料之一，其制备工艺的研究得到了广泛的关注。大规模制备碳纳米管工艺研究已成为当今碳纳米管研究领域的重要研究方向。就其实质而言，碳纳米管为石墨烯卷成的细管，属于碳的同位素。而单壁碳纳米管即为由一张二位单晶碳片卷成的具有一个中心对称轴线的圆筒结构。制备单壁碳纳米管的方法有很多，比较成熟的有电弧放电法、化学气相淀积法和激光蒸发法等[12]。 2.1化学气相淀积法 催化裂解法是目前应用最广泛的、最易实现大规模生产的一种制备CNTs的方法．一般采用铁、钻、镍及其合金作催化剂，粘土、硅酸盐、氧化铝等作载体，乙炔、甲烷、丙烯等作碳源，氮气、氢气、氨气等作稀释气。催化裂解法是在常压下的气流炉中进行的。在500℃到1100℃的温度范围内反应数小时后冷却至室温。高温下，催化裂解产生的自由碳原子沉积形成CNTs。为更有效合成CNTs，还采用等离子加强或微波辅助的方法来保持碳原子均匀分布。催化裂解法产量较高，但同电弧法相比，催化裂解法制得的CNTs缺陷较多，其晶化程度不如通过石墨电弧法制得的好，其抗拉强度不及电弧放电法所得CNTs的十分之一。尽管如此，由于此法制得的碳纳米管产量大且易提纯，还可通过催化剂颗粒的大小控制碳纳米管的大小，且该法所需的设备和工艺都