纳米管及其改性.ppt

谢谢观看！ 纳米材料学 碳纳米管及其改性 纳米材料学 目 录 01 02 03 碳纳米管结构和性能简介 碳纳米管制备 碳纳米管改性 04 碳纳米管的应用 第一部分 碳纳米结构和性能简介 PART 01 碳纳米管结构 碳纳米管性能 结构 碳纳米管是单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝、中空的微管，每层纳米管是一个由碳原子通过SP2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形平面组成的圆柱面。 SMNT MWNT 性能 CNTs具有最简单的化学组成及原子结合形态，却展现了丰富多彩的结构以及与之相关的物理、化学性能。 热学 电学 生物相容性 力学 力学性能 CNTs具有极高的强度和弹性模量。 其弹性模量与金刚石的弹性模量几乎相同，约为钢的5倍 其理论抗拉强度为钢的100倍，而密度仅为钢的l/6 电学性能 CNTs的碳原子之间是SP2杂化，每个碳原子有一个未成对电子位于垂直于层片的p轨道上，因此CNTs具有优良的导电性能。 量子尺寸效应:CNTs的能隙随螺旋结构或直径变化受量子尺寸效应的影响，随着螺旋度和直径的不同，单壁碳纳米管中电子从价带进入导带的能隙可从接近零连续变化到1eV，即CNTs可以呈现出金属性、半金属性或半导体性。 量子限域效应:电子在CNTs的径向运动受到限制，表现出典型的量子限域效应，而电子在轴向的运动不受任何限制。CNTs的径向电阻大于轴向电阻，并且这种电阻的各向异性随着温度的降低而增大。 热学性能 CNTs具有良好的传热性能，并且由于具有非常大的长径比，因此其沿着长度方向的热交换性能很高，而其在垂直方向的热交换性能较低，通过合适的取向，CNTs可以用来制备高各向异性的热传导材料。 碳的石墨化程度越高，其导热系数越大。CNTs有着较高的热导率，只要在复合材料中掺杂微量的碳纳米管，该复合材料的热导率将会得到很大的改善。 生物性能 生物相容性：CNTs结构稳定不易降解，而且具有疏水性表面，用于生物医药材料时必须考虑其生物相容性。研究发现，通过生物分子修饰可显著改善其生物相容性，而且CNTs表面与众多医药分子之间存在较强的π-π作用，因此有望用作药物载体，生物传感器，生物催化剂等，在生物医药领域将会发挥巨大作用 第二部分 碳纳米管制备 PART 02 01 02 03 化学气相沉积法 Method 制备方法 电弧放电法 激光烧灼法 04 化学气相沉积法 其他方法 电弧放电法 电弧放电法：将石墨电极置于充满氦气或氩气的反应容器中，在两极之间激发出电弧，此时温度可以达到4000度左右。在这种条件下，石墨会蒸发,生成的产物有富勒烯(C60)、无定型碳和单壁或多壁的碳纳米管。 优点：技术上比较简单 缺点：碳纳米管纯度低，且往往都是多层碳纳米管。此外该方法反应消耗能量太大。 激光烧蚀法 激光烧蚀法:在一长条石英管中间放置一根金属催化剂/石墨混合的石墨靶，该管则置于一加热炉内。当炉温升至一定温度时，将惰性气体冲入管内，并将一束激光聚焦于石墨靶上。在激光照射下生成气态碳，这些气态碳和催化剂粒子被气流从高温区带向低温区时，在催化剂的作用下生长成CNTs。  化学气相沉积法 化学气相沉积法，或称为碳氢气体热解法：让气态烃通过附着有催化剂微粒的模板，在800~1200度的条件下，气态烃可以分解生成碳纳米管。 优点：残余反应物为气体，可以离开反应体系，得到纯度比较高的碳纳米管，同时温度亦不需要很高，相对而言节省了能量。 缺点：碳纳米管管径不整齐，形状不规则，并且在制备过程中必须要用到催化剂。 其他方法 固相热解法 离子或激光溅射法 聚合反应合成 催化裂解法 第三部分 碳纳米管改性 PART 03 碳纳米管的侧壁功能化改性 碳纳米管的共价键功能化改性 碳纳米管的预处理 碳纳米管的预处理 1.加热 去除碳纳米管上的缺陷和杂质，获得更纯的碳纳米管 2酸处理 在碳纳米管与聚合物，生物分子和其他功能分子进行接枝反应前，对碳纳米管进行氧化处理，产生羟基，羰基，羧基等官能团，促进他们的分散性和表面活化。 3超临界处理 相对于酸化法，超临界水是一种清洁的技术,超临界水既有氧化性也有刻蚀作用，用超临界水处理碳纳米管能对其 MWNTs 表面起到活化和增大比表面积的作用。 共价键功能化改性 直接反应 间接反应 非共价键功能化改性 非共价改性的特点在于在对CNTs进行化学改性的同时不影响碳管的电子结构。CNTs侧壁由sp2碳原子构成，具有大量高度离域的π电子体系，这些π电子可以与含有π电子的其他化合物通过π-π键作用而结合得到功能化的CNTs。CNTs也可通过自组装而形成热力学稳定结构, 在不破坏纳米管原来结构的基础上，利用氢键、π-π键、静电引力、范德