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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纳米碳材料纳米碳材料(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，
2、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
3、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)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
4、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、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C
5、60，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
6、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
7、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，定量测定了单
8、壁碳纳米管(SWCNT)的电学性质。他们发现，单壁碳纳米管中每32个碳原子就能够捕获并存储一个电子，而且很容易实现受控放电。这一发现有助于科学家按照需求设计出作为电容器的碳纳米管，并提高电子设备和太阳能电池的光电和电气化学性能。XX年，美国耶鲁大学的工程师们发现，碳纳米管的缺口可促使T细胞抗原在血液中凝聚，并激发人体自身的免疫反应，从而改进目前常用的继承性免疫疗法。4.纳米碳材料的性质与应用由于其独特的结构，碳纳米管的研究具有重大的理论意义和潜在的应用价值，如：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，重量则只有钢的1/6;同时它还有望用作为
9、分子导线，纳米半导体材料，催化剂载体，分子吸收剂和近场发射材料等。科学家们还预测碳纳米管将成为21世纪最有前途的纳米材料，目前碳纳米化学方兴未艾，内容丰富，前景诱人。通过对碳纳米管的研究，必然带动相应学科的发展。力学(1)超强纤维，碳纳米管具有弹性高、密度低、绝热性好、强度高、隐身性优越、红外吸收性好、疏水性强等优点，它可以与普通纤维混纺来制成防弹保暖隐身的军用装备。(2)材料增强体，用于增强金属、陶瓷和有机材料等。并且结合碳纳米管的导热导电特性，能够制备自愈合材料。能源(1)储氢材料：按5人座的轿车行使500公里计算，需要的氢气，以正常的油箱体积计算，氢气的存储密度应有%，目前的储氢材料都不
10、能满足这一要求。碳纳米管由于其管道结构及多壁碳管之间的类石墨层空隙，使其成为最有潜力的储氢材料，国外学者证明在室温和不到1bar的压力下，单壁碳管可以吸附氢气5-10wt%。根据理论推算和近期反复验证，普遍认为碳纳米管的可逆储/放氢量在5wt%左右，即使5wt%，也是迄今为止最好的储氢材料。(2)锂离子电池：锂离子电池正朝高能量密度方向发展，最终为电动汽车配套，并真正成为工业应用的非化石发电的绿色可持续能源，因此要求材料具有高的可逆容量。碳纳米管的层间距略大于石墨的层间距，充放电容量大于石墨，而且碳纳米管的筒状结构在多次充-放电循环后不会塌陷，循环性好。碱金属如锂离子和碳纳米管有强的相互作用。
11、用碳纳米管做负极材料做成的锂电池的首次放电容量高达1600mAh/g，可逆容量为700mAh/g，远大于石墨的理论可逆容量372mAh/g。纳米器件(纳米导线)碳纳米管的直径仅数纳米至数十纳米，耐电流密度可达铜的100多倍，可以作为超级耐高电流密度的布线材料，半导体型的碳纳米管还可以用来构筑纳米场效应晶体管、单电子晶体管等纳米器件，变频器、逻辑电路以及环形振荡器等各种逻辑电路。IBM的研究人员已经在单一“碳纳米管”分子上构建了首个的完整电子集成电路，比当今的硅半导体技术具有更为强大的性能，具有里程碑式的重大意义。电子器件(1)场致发射尖端：纳米级发射尖端、大长径比、高强度、高韧性、良好的热稳定
12、性和导电性等，使得碳纳米管成为理想的场致发射材料，有望在冷发射电子枪、平板显示器等众多领域中得应用。用碳纳米管制成的电子枪与传统的相比，不但具有在空气中稳定、易制作的特点，而且具有较低的工作电压和大的发射电流，适用于制造大的平面显示器。使用具有高度定向性的单壁碳纳米管作为电子发送材料，不但可以使屏幕成像更清晰，还可以缩短电子到屏幕之间的距离，使得制造更薄的壁挂电视成为可能。(2)新型的电子探针：碳纳米管具有大长径比、纳米尺度尖端、高模量，是理想的电子探针材料。不易折断：即使与被观察物体的表面发生碰撞，纳米碳管也不易折断，碳纳米管可与被观察物体进行软接触。灵活性高：碳纳米管笼状碳网状结构，可以进
13、入观察物体不光滑表面的凹陷处。能更好显现被观察物体的表面形貌和状态，有很好的重现性。用碳纳米管作为这类电子显微镜的探针，不仅可以延长探针的使用寿命，而且可极大的提高显微镜的分辨率。特别是扩展了原子力显微镜等探针型显微镜在蛋白质、生物大分子结构的观察和表征中的应用。(3)超级电容器：多孔碳不但微孔分布宽，而且结晶度低，导电性差，容量小。碳纳米管结晶度高、导电性好、比表面积大、微孔大小可通过合成工艺加以控制，比表面利用率可达100%，超级电容器极限容量骤然上升了3-4个数量级，循环寿命在万次以上。在移动通讯、信息技术、电动汽车、航空航天和国防科技等方面具有极其重要和广阔的应用前景。(4)大功率超级
14、电容器：快速充放电特性：在汽车启动和爬坡时快速提供大电流及大功率电流，在正常行驶时由蓄电池快速充电；在刹车时快速存储发电机产生的大电流，这可减少电动车辆对蓄电池大电流充电的限制，大大延长蓄电池的使用寿命，提高电动汽车的实用性；对于燃料电池电动汽车的启动更是不可少的。若其容量能进一步提高，可望取代电池使用。传感器碳纳米管吸附某些气体之后，导电性发生明显改变，因此可将碳纳米管做成气敏元件对气体实施探测报警。在碳纳米管内填充光敏、湿敏、压敏等材料，还可以制成纳米级的各种功能传感器。纳米管传感器将会是一个很大的产业。催化碳纳米管用于催化的特点：高稳定性、高比表面积、便于化学处理等。由于碳纳米管具有纳米
15、级的内径，类似石墨的碳六元环网和大量未成键的电子，可选择吸附和活化一些较惰性的分子，研究发现其在600的催化活性优于贵金属铑，并很稳定。这将在石化和化工产业界带来不可估量的革新和效益。碳纳米管与金属离子之间的相互作用，使金属离子能在常温下自动趋于还原态，这对金属纳米导线的制备无疑很有裨益。5.纳米碳材料的制备激光蒸发石墨法自1996年Smalley等人首次使用激光在1200下蒸发含镍、钴催化剂的石墨棒制造出纯度达7%直径均匀的单壁碳纳米管束以来，激光蒸发法获得较快发展，现已成为碳纳米材料批量制造方法之一。但因其制造成本高，需要昂贵的激光器而受到制约。激光蒸发法是在1200的电阻炉内，由激光束蒸发石墨靶，石墨靶中掺杂%的颗粒直径约1m,的Ni/Co=1:1的金属混合粉末，通过高能激光束照射，使含金属催化剂的石墨气化，然后依靠流动氩气将其所产生的气化物带到水冷的铜柱上，产生沉积，通过控制激光束的能量密度、照射时间、气流量及流动速度、催化剂种类、反应温度等参数，达到制造合适碳纳米材料的目的。化学气相沉积法此方法是将离子喷射的钨电极(阴极)和铜电极(阳极)进行水冷却，当Ar/He载气挟带苯蒸气通过等离子体炬后，会在阳极的表面上沉积出含有纳米级碳材料的碳灰。化学气相沉积法又称为催化裂解法，是研究员在使用石墨电弧法制取碳纳米管之后，基
