碳纳米管CNTs 自1991年被发现以来 其优异的物理、

发布者:admin 发布时间:2019-10-30 04:09 浏览次数:

  碳纳米管CNTs 自1991年被发现以来 其优异的物理、化学和机械 性能以及巨大的潜在应用价值受到了全球科学家和研究人员的广泛关注。根据构 成碳纳米管管壁层数的不同 可将其分为单壁碳纳米管 SWCNT MWCNTS。碳纳米管不仅具有一般纳米粒子的量子效应 而且还具有比 表面积大、电导率高、耐热性好机

  碳纳米管CNTs 自1991年被发现以来 其优异的物理、化学和机械 性能以及巨大的潜在应用价值受到了全球科学家和研究人员的广泛关注。根据构 成碳纳米管管壁层数的不同 可将其分为单壁碳纳米管 SWCNT MWCNTS。碳纳米管不仅具有一般纳米粒子的量子效应 而且还具有比 表面积大、电导率高、耐热性好机械强度高等特点 由于其独特的结构 碳纳米 管的研究具有重大的理论意义和潜在的应用价值 其独特的结构是理想的一维模型材料 巨大的长径比使其有望用作坚韧的碳纤维 其强度为钢的100倍 重量却只有钢的1 同时它还有望用作分子导线纳米半导体材料 催化剂载 分子吸收剂和近场发射材料等。近些年来碳纳米管新材料的合成 拓宽了 其应用领域如传感器、纳米电子学、生物医学 以及高强度纤维 。然而 由于碳纳米管内在的范德华力的相互作用导致碳纳米管易聚集成束或缠绕 其他材料相比其表面是相对惰性的 从而进一步削弱了其溶解性 在常见的有 机溶剂中的分散度低 极大地制约了其应用性能的研究。因此 对碳纳米管表面 进行修饰受到了人们的广泛关注。 构与性能CNTs 是由类似石墨结构的六边形网格卷绕而形成的同轴中空“微管” 石墨片层围绕中心轴按一定的螺旋角度卷曲而形成的。每层碳纳米管中碳原子 和相邻的三个碳原子相连形成六角型网络结构 因此碳纳米管中的碳原子以sp 杂化为主 但碳纳米管中的六角型网络结构会产生一定的弯曲 形成空间拓扑结 其中可形成一定的sp杂化键。并且CNTs 为sp杂化的碳构成弯曲晶面 最短的碳 142nm。根据石墨片层 数的不同 碳纳米管可以分为多壁碳纳米管 MWCNTs 和单壁碳纳米管 SWCNTs 两种。多壁碳纳米管的层数从2 50层不等 由几个到几十个单层管 同轴套构而成。多壁管在开始形成的时候 层与层之间很容易成为陷阱中心而捕 获各种缺陷 多壁碳纳米管的管壁上通常布满小洞样的缺陷 因而MWCNTs上 缺陷比较多。与多壁碳纳米管相比 单壁管是由单层圆柱型石墨层构成 径大小的分布范围小缺陷少 具有更高的均匀一致性。SWCNTs的典型长度和 碳纳米管修饰及其在电化学分析中的应用直径分别为1 50 30nm。MWCNTs的典型长度和直径分别为0 50nm。不管单壁还是多壁碳纳米管都具有很大的长径比。 碳纳米管有非螺旋形与螺旋形两类 共边六角形垂直或平行于管轴方向时称 非螺旋管 反之为螺旋形管。根据碳纳米管中碳六边形沿轴向的不同取向可分为 扶椅式 armchair 、锯齿形 zig zag 和手性碳纳米管 chiral 。碳纳米管有 线圈形、竹节形、环形和圆柱形等。其圆柱面大多是石墨六边形结构 部多是由五边形或者七边形的碳环构成。五边形和七边形在CNTs的生长中扮演 了非常重要的角色 在CNTs 六角型延伸过程中五边形的出现导致CNTs 凸出 七边形的出现导致CNTs 凹进 在CNTs 的弯曲处如果存在一个七边形就会存在 一个和其相对应的五边形才能使CNTs 在弯曲处保持光滑连接。 碳纳米管中接近一维的纳米级中空管是其基本的孔隙结构 重量轻 六边形 结构连接完美 具有许多独特的性能 包括高比表面积、热学、力学、光学和电 磁学性能等。 高比表面积 忽略 CNTs 弯曲对表面积的影响 SWCNTs 的极限表面积为 MWCNTs的比表面积取决于端口封闭状态内外径和层数。纳米碳管的比表面积还与其成束状况有着非常密切的联系 CNTs 高的比表面积使其成为 新型储氢材料。 在热学性能方面 衡量 CNTs 热学性能的两个指标是热导率和比热容。 CNTs 是已知物质中热导率最高的热导体 而其在径向上的热导率远小于轴向上的热导 SWCNTs管束中 声子在六边形点阵中同时沿着单根碳纳米管、管间的 平行通道进行传播 纵间及横向方向都产生离散 显著降低了低温比热容。 在力学性能方面 CNTs具有极高的强度、韧性和弹性模量。杨氏模量为 10TPa 左右 弹性模量与金刚石的近乎相同 约为钢的 最高可达12 约为钢的 60倍 而密度仅仅为钢的六分之一。CNTs 的抗张强 度约为 20 200 GPa 比碳纤维至少高一个数量级。而且 CNTs 还有极强的抵抗 变形的能力 即使发生了变形 当外力消失后 CNTs也会在极短的时间内恢复 原状。由于 CNTs具有较大的长径比、较低的密度、很高的轴向模量和刚度 CNTs作为复合材料增强体可使复合材料表现出良好的强度、韧性、抗疲劳性 及各向同性。 因为 CNTs具有非常独特的微观结构 所以表现出良好的稳定性 尤其是轴 向稳定性。结构的稳定性使 CNTs表现出良好的抗变形能力 即非常高的弹性模 量。同时 CNTs 这种微观结构也显现出它的各向异性。由于 CNTs 可以承受重 所以它是很好的装甲和防弹衣的材料。CNTs的纳米尺度、高强度和高韧性 特征 使其可以广泛应用于微米甚至纳米机械。CNTs具有如此优秀的力学性能 湘潭大学2010 届硕士学位论文 是一种非常好的纤维材料。 在光学性能方面 CNTs 的光学性能呈现非线性。由于 CNTs 侧壁存在着大 π键共轭结构 跟其他的聚合物相比 其只存在碳碳键而不存在碳氢键 因此它 11 12 不会存在碳氢键所引起的红外吸收因此表现出了良好的非线性光学性质 在电磁性能方面CNTs 具有管状、螺旋结构 因此 CNTs 有着不同寻常的 电磁性能。Saito 等人经过理论分析认为 CNTs 大约有 13金属导电性的 。Dai 等人指出 完美 CNTs 的电阻要比有缺陷的 CNTs 的电阻 14 小很多 。Ugarte发现 CNTs 的轴向电阻小于径向电阻 并且这种电阻的各向异 15 性随着温度的升高而减小 CNTs具有超 但预示着CNTs在超导领域里的应用 16 前景 。Wang 等人研究了 CNTs 的磁学性能 测得 CNTs 轴向磁感应系数是径 17 在场发射性能方面RinzLer 等人首先报道了单根开口的 CNTs 用于电子场 18 发射性能的研究 。他们测出在室温下、偏压为 80 mAcm 。de Heer等人则首次研究了 CNTs的场发射行为 。他们用悬 浊液过滤后的碳纳米管薄膜作为阴极 荧光屏作为阳极 在阴阳极之间施加电压 并测量发射电流 结果显示出这种薄膜具有稳定的场发射特性 证明 CNTs 在场 发射方面具有潜在的应用。Collins Zettl系统地研究了 CNTs 薄膜的场发射行 20 。整个CNTs薄膜的场发射是一个随时间变化的动态过程 发射可能在围绕尖端的各个小平面之间变化、电子发射会在不同的CNTs 之间转 移、在场发射过程中 碳纳米管的尖端会发生一系列不可逆的变化 场发射过程 中发生的这些变化并不会削弱 CNTs的发射行为 相反还会有促进作用 这也是 CNTs薄膜表现出发射电流稳定、波动小、重复性好的原因。 除了以上所述以外 CNTs还有许多其他优越的性能 包括储氢性能、催化 性能、吸附性能等 关于这些方面的报道也日趋增多。 碳纳米管表面 修饰研究 进展 一直以来 化学家对于 CNTs的研究仅仅将其视为一种稳定的无机材料 大部分的应用需要在分子水平上对CNTs 进行操作来构筑具有独特功能的纳米 结构。由于 CNTs间的范德华力作用 使得其易于聚集成束 在任何溶剂中几乎 这大大限制了CNTs的应用 因此对 CNTs 进行修饰改善其溶解性和加工 性能是实现 CNTs 应用的关键。CNTs 的表面修饰就是指用物理或化学方法对其 表面进行处理 改变其表面的物化性质 降低 CNTs的表面能 消除其表面电荷 提高其与有机相的结合力。目前 CNTs的表面修饰主要分两大类 即非共价修 碳纳米管修饰及其在电化学分析中的应用饰和共价修饰。 面的非共价修饰 CNTs 侧壁有高度离域的π体系 能够与含π电子的物质作用结合形成功能化 的CNTs。非共价修饰能够保持碳纳米管的原有结构和性质 不损伤碳管的π体系 有望将碳管组装成有序网络。目前采用非共价方法对CNTs修饰主要是利用π 互作用疏水相互作用及其它作用 将小分子化合物或聚合物吸附到CNTs表面 21 28 面的共价修饰 CNTs 的非共价修饰虽能保持CNTs 的原有结构和性质 但很难得到单根分 散的碳纳米管 为了提高CNTs 在溶剂中的溶解分散能力 共价修饰逐渐受到重 视。目前CNTs 的共价修饰主要包括小分子化学修饰和聚合物化学修饰两个方

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