水平阵列碳纳米管的可控制备及优异性能.pdf

中国科学: 化学 2015 年 第45 卷 第10 期: 979 ~ 1009 《中国科学》杂志社 SCIENTIA SINICA Chimica SCIENCE CHINA PRESS 评 述 水平阵列碳纳米管的可控制备及优异性能 ① ② ①② ① ① ①* 张如范 , 张莹莹 , 谢欢欢 , 张强 , 骞伟中 , 魏飞 ① 清华大学化工系绿色反应工程与工艺北京市重点实验室, 北京 100084 ② 清华大学化学系清华大学微纳米力学与多学科交叉创新研究中心, 北京 100084 *通讯作者, E-mail: wf-dce@ 收稿日期: 2015-03-24; 接受日期: 2015-06-24; 网络版发表日期: 2015-09-24 doi: 10.1360/N032015-00044 摘要 水平阵列状碳纳米管是指利用化学气相沉积法在平整基底上制备的沿基底形貌或 关键词 气流定向、平行排列、能够达到毫米级甚至厘米级以上长度的碳纳米管类型. 水平阵列碳纳 碳纳米管 水平阵列 米管遵循自由生长的模式, 缺陷很少, 能够体现出碳纳米管本征的优异性能, 是透明显示、 超长 微电子、超强纤维以及航空航天等领域的尖端基础材料. 本文总结了水平阵列碳纳米管近年 化学气相沉积 来的相关进展, 并对其生长机理、结构可控制备、光学可视化技术、可控操纵技术、力学、 制备 电学及热学方面的优异性能, 以及管壁间的超润滑现象等方面的进展进行了评述. 目前, 水 性能 平阵列碳纳米管可以达到半米以上的长度, 并且具有完美的结构和优异性能, 从而使其具有 广阔的应用前景. 同时, 本文也对碳纳米管水平阵列密度过低的机理进行了分析, 并对实现 其批量制备的方法和未来发展进行了展望. [9] 1 引言 的电流强度 , 比铜高出 300 倍以上; 在热学性能方 面, 单壁碳纳米管热导率高达6600 W/(m K)[10], 比目 以碳碳 sp2 杂化方式构成的碳纳米管具有力学、 前室温下最好的导热材料金刚石高出 3 倍以上. 上述 电学、热学、声学以及光学等多方面的优异性能和广 优异性能使得碳纳米管成为强度最好、电流通过能力 阔的应用前景[1] 。经过 20 多年的发展, 碳纳米管的研 最大并可直接作为高速半导体器件及热管理器件的 究已从最初基本的结构和性能表征, 相继实现了每 理想材料. 同时, 碳是地球上丰富且清洁的元素, 解 年千吨级的大批量制备, 并在高分子复合材料、电化 决碳原子的自组装、实现高性能碳纳米材料的宏量制 学储能材料、导电添加剂、空气过滤等领域实现了应 备与应用成为 20 多年来国际纳米界最热点的前沿研 用. 但上述应用远未充分发挥碳纳米管的极致性能. 究之一. 理论计算及实验结果表明, 碳纳米管具有优异的力 碳纳米管作为力学性能优异的一维纳米材料, 学、电学及热学等性能[2~7].