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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划碳纳米材料有哪些第一章碳纳米材料简介碳元素碳在元素周期表中排第六位，是自然界分布非常广泛的元素，也是目前最重要、最使人着迷的元素之一。尽管它在地壳中含量仅为%，但是对一切生物体而言，它是最重要且含量最多的元素，人体中碳元素约占总质量的18%。碳元素是元素周期表中A族中最轻的元素。它存在三种同位素：12C、13C、14C。碳单质有多重同素异形体，他是迄今为止人类发现的唯一一种可以从零围到三维都稳定存在的物质。如零维的富勒烯，一维的碳纳米管，二维的石墨烯，三维的金刚石和石墨等。碳纳米材料
2、富勒烯碳纳米管碳纳米管是由碳原子形成的管状结构分子，包括单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。其直径从几百皮米到几十纳米，而长径比可以上万。碳纳米管是前最重要的一维纳米材料之一。虽然对碳纳米管发现的确切时间存在争议，但公认碳纳米管从1991年才引起了科学界的广泛兴趣。1991年日本的Iijima在研究富勒烯的制备过程中由于电弧产物中发现了多壁碳纳米管，并利用透射电镜证实了它的存在。随后在1993年，他又发现了单壁碳纳米管，与此同时，Bethune等也独立观察到了单壁碳纳米管。单壁碳纳米管可看成是由一层石墨烯沿一定角度卷曲而成的管状结构。根据卷曲角度的不同，可以形成具有不同手性和直径的碳纳米管，因此常用两
3、个整数表征单壁碳纳米管的结构。当m=0时，该类单壁碳纳米管被称为锯齿形单壁碳纳米管；当n=m时，该类单壁碳纳米管被称为扶手椅形单壁碳纳米管；其他的均被称为手性碳纳米管。单壁碳纳米管的直径可以通过两个指数算出来。图1-1单壁碳纳米管结构示意图由于其特殊的结构，碳纳米管具有许多优良的性质。从电学性质来看，碳纳米管可分为金属型和半导体型。单壁碳纳米管的一些重要性质如表1-2。石墨烯石墨烯是碳的二维同素异形体，虽然它在理论上很早就被关注，也很早被制备出来，但真正的广泛研究却始于XX年。曼彻斯特大学的Geim和Novoselov首次利用简单的胶带粘揭的方法获得了近乎完美和自由状态的石墨烯，并观察到了其前
4、所未有的电学性质。两人因此荣获XX年的诺贝尔物理学奖。石墨烯是构成碳元素其他几种重要同素异形体的基本组件。如图1-2所示，多层石墨烯的堆叠可构成三维的石墨，石墨烯卷曲成环可构成一维的碳纳米管，具有一定形状的石墨烯缠绕闭合可构成零维富勒烯。因此，石墨烯这种最新发现的碳的同素异形体一直是众多早期理论研究的对象，而早期相关的实验工作大部分局限于石墨插层化合物和石墨氧化物。从化学结构来看，碳的这几种同素异形体，富勒烯、碳纳米管和石墨烯，均由sp2杂化碳原子组成，是具有很大电子共轭体系的芳香化合物。然而在此之前，尚没有任何一种材料能够像石墨烯一样，同时具有惊人的迁移率、显著的室温霍尔效应、稳定的狄拉克电
5、子结构、媲美ITO的透光性、超高的机械强度和热导率等众多诱人的性质。图1-2石墨烯是构成碳元素其他几种重要同素异形体的基本组件第二章石墨烯的发现、基本结构和性质石墨烯的发现和历史石墨烯是由一层碳原子构成的二维碳纳米材料。根据严格意义上的二维原子晶体理论，热力学上严格和独立的二维原子晶体是不稳定的，但是准二维原子晶体材料，即具有褶皱的或附着在其他基底上的二维材料是可以存在的。XX年Geim等获得的石墨烯就属于上述准二维原子晶体材料。石墨烯(graphene)这个术语早在XX年之前就已被使用。1986年，Boehm等首先给出了“graphene”的定义：“Thetermgraphenelayers
6、houldbeusedforsuchasinglecarbonlayer”。1997年，IUPAC明确定义“graphene”：“Thetermgrapheneshouldbeusedonlywhenthereactions，structuralrelationsorotherpropertiesofindividuallayersaredisc(来自:写论文网:碳纳米材料有哪些)ussed”。目前，中文相应的定义还有待明确和标准化。20世纪6070年代，有关石墨烯的研究主要分3个方面：理论研究；关于石墨插层和石墨氧化物(graphiteoxide)在化学和材料方面的研究；利用显微镜电镜等对碳
7、薄膜材料的研究。8090年代由于富勒烯和碳纳米管的发现，人们开始对各种潜在的碳同素异形体进行大规模的探索。这期间，人们获得了数纳米厚的的石墨片。严格意义上的石墨烯，即单原子厚度的石墨烯的发现应归功于Geim团队在XX年利用极其简单的taping方法获得的成果。他们不仅获得了近乎完美的石墨烯，更重要的是他们观察到了石墨烯这一系列前所未有的电学性质。石墨烯优良性质的发现掀起了科学家继富勒烯和碳纳米管之后对碳同素异形体材料探索研究的第三次浪潮。石墨烯的基本结构和性质石墨烯的原子排列与石墨的单原子层相同，是碳原子sp2杂化轨道按蜂巢晶格排列构成的单层二维晶体。石墨烯可想象为由碳原子和其共价键所形成的原
8、子尺寸网。石墨烯的命名来自英文的graphite(石墨)+ene，因此，石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。2石墨烯的电子性质和能带结构石墨烯最令人惊奇的是其非常特殊的电子性质。和其他绝大多数二维材料不同，它是一个零带隙半导体，该性质取决于其特殊的能带结构。理想石墨烯的能带结构是完全对称的锥形价带和导带对称的的分布在费米能级上下，导带和价带的交叉点即为狄拉克点(图2-1)。和普通金属或半导体不同，石墨烯中电子不遵循薛定谔方程，而是遵循狄拉克方程。这是因为：每一个CC键都有一个成键轨道和反键轨道，且以CC键为平面完全对称；整个石墨烯分子结构中的每个键相互共轭形成了巨大的共轭大键，电子或空穴在如
9、此巨大的共轭体系中可以以很高的电子费米速率移动，表现出零质量行为，从根本上说，石墨烯中许多电子行为类似于二维电子气，质量只有自由电子的1/10。图2-1单层石墨烯的能带示意图电荷传输性质由于上述特性，石墨烯中的载流子具有非同一般的传输性能。载流子可以以近乎光速的速度移动，因此石墨烯具有很高的电荷迁移率。实验表明，石墨烯室温下具有大于15000cm22V-12s-1的载离子迁移率，该迁移率基本不受温度影响，且高达XX00cm22V-12s-1，其相对应的电阻率为10-62，使石墨烯成为目前已知物质中室温电阻率最低的材料。除了超低的电阻率外，石墨烯还具有突出的电子性质，包括室温霍尔效应和纳米碳材料
10、(昆明理工大学，云南省昆明市，邮编)1.纳米碳材料简介纳米碳材料是指分散相尺度至少有一维小于100nm的碳材料。分散相既可以由碳原子组成，也可以由异种原子组成，甚至可以是纳米孔。纳米碳材料主要包括三种类型：碳纳米管，碳纳米纤维，纳米碳球。2.碳纳米材料分类碳纳米管碳纳米管具有典型的层状中空结构特征,构成碳纳米管的层片之间存在一定的夹角碳纳米管的管身是准圆管结构，并且大多数由五边形截面所组成。管身由六边形碳环微结构单元组成,端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构，或者称为多边锥形多壁结构。是一种具有特殊结构的一维量子材料。它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
11、定的距离，约为，直径一般为220nm。碳纳米管按照石墨烯片的层数分类可分为：单壁碳纳米管和多壁碳纳米管，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，因而多壁管的管壁上通常布满小洞样的缺陷。与多壁管相比，单壁管是由单层圆柱型石墨层构成，其直径大小的分布范围小，缺陷少，具有更高的均匀一致性。单壁管典型直径在，多壁管最内层可达，最粗可达数百纳米，但典型管径为2-100nm。碳纳米管依其结构特征可以分为三种类型：扶手椅式纳米管，锯齿形纳米管和手型纳米管。碳纤维碳纤维，顾名思义，它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。与传统的玻璃纤维(GF
12、)相比，杨氏模量是其3倍多；它与凯芙拉纤维(KF-49)相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石墨结构。碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7-9倍，抗拉弹性模量为230-430Gpa亦高于钢。碳纤维分为丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维两种。碳纤维质轻于铝而强力高于钢，它的比重是铁的1/4，强力是铁的10倍，除了有高超的强力外，其化学性能非常稳定，耐腐蚀性高，同时耐高温和低温、耐辐射、
13、消臭。碳纤维可以使用在各种不同的领域，由于制造成本高，大量用于航空器材、运动器械、建筑工程的结构材料。碳球球碳，原名富勒烯，又名巴基球或巴克球，是于1985年发现的继金刚石和石墨之后碳元素的第三种晶体形态。C60的分子结构为球形32面体，它是由60个碳原子以20个六元环和12个五元环连接而成的具有30个碳碳双键的足球状空心对称分子，所以，富勒烯也被称为足球烯。根据尺寸大小将碳球分为：(1)富勒烯族系Cn和洋葱碳(具有封闭的石墨层结构，直径在2-20nm之间)，如C60，C70等；(2)未完全石墨化的纳米碳球，直径在50nm-1m之间；(3)碳微珠，直径在11m以上。另外，根据碳球的结构形貌可分
14、为空心碳球、实心硬碳球、多孔碳球、核壳结构碳球和胶状碳球等。3.纳米碳材料的发展史碳纳米管的发现在1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛(Iijima)在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子,这就是现在被称作的“Carbonnanotube”，即碳纳米管,又名巴基管。是一种外径为515nm、内径213nm、仅由两层同轴类石墨圆柱面叠合而成的碳结构。进一步的分析表明，这种管完全由碳原子构成，并看成是由单层石墨六角网面以其上某一方向为轴，卷曲360而形成的无缝中空管。相邻管子之间的距离约为，与石墨中碳原子层与层之间
15、的距离相近，所以这种结构一般被称为碳纳米管，这是继C60之后发现的碳的又一同素异形体，是碳团簇领域的又一重大科研成果。碳纳米管的发展理论预计该材料具有优异的力学、电学、磁学等性能，极具理论研究和实际应用价值，因而激起了国内外学者的极大兴趣，碳纳米管的研究成为材料界以及凝聚态物理研究的前沿和热点。1993年，等和DS。Bethune等同时报道了采用电弧法，在石墨电极中添加一定的催化剂，可以得到仅仅具有一层管壁的碳纳米管，即单壁碳纳米管产物。1997年，等报道了单壁碳纳米管的中空管可储存和稳定氢分子，引起广泛的关注。相关的实验研究和理论计算也相继展开。初步结果表明：碳纳米管自身重量轻，具有中空的结构，可以作为储存氢气的优良容器，储存的氢气密度甚至比液态或固态氢气的密度还高。适当加热，氢气就可以慢慢释放出来。XX年，美国、英国、法国和墨西哥等国的研究人员发现单层碳纳米管可在光照下自燃的特性，据认为将会在遥控爆破等领域有用武之地。科学家们说，利用这一特性，将来也许可以制造出新型的光感应点火或触发装置。XX年，墨西哥科研人员从墨西哥东南部油田提取的多份原油样品中发现了碳纳米管。这是世界上首次在原油中发现天然碳纳米管。XX年，美国科学家的一项最新研究，定量测定了
