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1、我感兴趣的纳米材料：碳纳米管组员： 特性：碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、 电学和化学性能。结构特征 碳纳米管是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸可达微米量级）的一维量子 材料,具有典型的层状中空结构特征，一般管的两端有端帽封口。碳纳米管的管身是准圆管 结构，由六边形碳环结构单元组成, 端帽部分为含五边形和六边形的碳环组成的多边形结构 碳纳米管可以只有一层也可以有多层，分别称为单层碳纳米管（如下图）和多层碳纳米管，其 直径一般为220nm,构成碳纳米管的层片之间的间距约为0.34nm。分类碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成，因此按照石墨烯
2、片的层数可分为:单壁碳纳米管（或称单层碳纳米管，Single-walled Carbon nanotubes, SWCNTs）和多壁碳纳米管（或多层碳 纳米管，Multi-walled Carbon nanotubes, MWNTs）,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 0.6-2nm,多壁管最内层可达0.4nm，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:扶手椅形纳米管，锯齿形纳米管和手
3、性纳米管。 按照是否含有管壁缺陷可以分为:完善碳纳米管和含缺陷碳纳米管。 按照外形的均匀性和整体形态，可分为:直管型，碳纳米管束， Y 型等。力学性能由于碳纳米管中碳原子采取SP2杂化，相比SP3杂化，SP2杂化中S轨道成分比较大，使碳 纳米管具有高模量和高强度。碳纳米管具有良好的力学性能，CNTs抗拉强度达到50200GPa，是钢的100倍，密度却只有 钢的1/6，至少比常规石墨纤维高一个数量级：它的弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模 量相当，约为钢的5倍。对于具有理想结构的单层壁的碳纳米管，其抗拉强度约800GPa。 碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似，但其结构却比高分子材料稳定
4、得多。碳纳米 管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。若将以其他工程材料为基体与碳纳米管制成复 合材料,可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性，给复合材料的性能 带来极大的改善。碳纳米管的硬度与金刚石相当,却拥有良好的柔韧性,可以拉伸。目前在工业上常用的增强 型纤维中，决定强度的一个关键因素是长径比，即长度和直径之比。目前材料工程师希望得 到的长径比至少是 20:1，而碳纳米管的长径比一般在 1000:1 以上，是理想的高强度纤维材 料。 2000 年 10 月，美国宾州州立大学的研究人员称，碳纳米管的强度比同体积钢的强度高 100 倍，重量却只有后者的 1/6 到 1/7。碳
5、纳米管因而被称“超级纤维”。莫斯科大学的研究人员曾将碳纳米管置于1011 MPa的水压下（相当于水下10000米深的压 强），由于巨大的压力，碳纳米管被压扁。撤去压力后，碳纳米管像弹簧一样立即恢复了形 状，表现出良好的韧性。这启示人们可以利用碳纳米管制造轻薄的弹簧，用在汽车、火车上 作为减震装置，能够大大减轻重量。此外，碳纳米管的熔点是目前已知材料中最高的。电磁性能碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域n键，由于共轭效应显著，碳纳米管具有一 些特殊的电学性质。 碳纳米管具有良好的导电性能，由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好 的电学性能。理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的
6、螺旋角。当CNTs的管径大于6nm 时，导电性能下降；当管径小于6nm时，CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导 线。有报道说 Huang 通过计算认为直径为 0.7nm 的碳纳米管具有超导性，尽管其超导转变 温度只有1.5M0-4K，但是预示着碳纳米管在超导领域的应用前景。常用矢量Ch表示碳纳米管上原子排列的方向，其中Ch=na1+ma2，记为(n,m)。al和a2分 别表示两个基矢。n,m)与碳纳米管的导电性能密切相关。对于一个给定(n,m)的纳米管，如 果有 2n+m=3q(q 为整数)，则这个方向上表现出金属性，是良好的导体，否则表现为半导 体。对于 n=m 的方向，碳纳米管表
7、现出良好的导电性，电导率通常可达铜的1 万倍。 碳纳米管不同的直径和螺旋度可以使其呈现金属导电性或半导体特性。碳纳米管具有独特的 导电性、很高的热稳定性和本征迁移率,比表面积大,微孔集中在一定范围内,满足理想的超级 电容器电极材料的要求。传热性能碳纳米管具有良好的传热性能， CNTs 具有非常大的长径比，因而其沿着长度方向的热交换 性能很高，相对的其垂直方向的热交换性能较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合成高各 向异性的热传导材料。另外，碳纳米管有着较高的热导率，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可能得到很大的改善。发射性能由于碳纳米管具有纳米尺度的尖端,有利于电子
8、的发射,科学家们预言并证实了碳纳米管具有 极好的场致电子发射效应。单壁碳纳米管的直径通常仅有12nm,长度可以达到几十至上百 微米,长径比很大;而且其结构完整性好,导电性很好,化学性能稳定,具备了高性能场发射材料 的基本结构特征吸附性能 由于碳纳米管具有较大的比表面积、特殊的管道结构以及多壁碳纳米管之间的类石墨层隙, 使其成为最有潜力的储氢材料,在燃料电池方面有着重要的作用。另外碳纳米管也是一种超 强的二恶烷吸附剂,比活性碳高10 倍,可用来除去水中的二恶烷。化学性能 在催化研究方面,碳纳米管已被用于分散和稳定纳米级的金属小颗粒。由碳纳米管制得的催 化剂可以改善多相催化的选择其他性能 碳纳米管还具有光学和储氢等其他良好的性能,正是这些优良的性质使得碳纳米管被认为是 理想的聚合物复合材料的增强材料。
