《纳米碳材料》PPT课件.ppt
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1、纳米碳材料,碳纳米材料,一.纳米碳的概述:,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“Carbon nanotube”,即碳纳米管,又名巴基管。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(径向尺寸为纳米量级,轴向尺寸为微米量级、管子两端
2、基本上都封口)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0.34nm,直径一般为220nm。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,以碳纳米管为材料的显示器将是很薄的,可以像招贴画那样挂在墙上。,韩国的三星电子公司已展示了从纳米管发射电子轰击屏幕的显
3、示屏,该公司估计两年内碳纳米管显示屏将上市。虽然碳纳米管的技术性能非常好,但因成本和其他因素其大规模推广仍将会是一个长期的过程。目前,在各大学的物理系和像IBM那样的公司都在制造碳纳米管,每克碳纳米管的价格是100美元左右。我国对此项研究虽然起步较晚,但发展很快。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。年来,碳纳米技术的研究相当活跃,多种多样的纳米碳结晶、针状、棒状、桶状等层出不穷。2000年德国和美国科学家还制备出由20个碳原子组成的空心笼状分子。,根据理论推算,包含20个碳原子仅是由正五边形构成的,C60分子是富勒烯式结构分子中最小的一种,
4、考虑到原于间结合的角度、力度等问题,人们一直认为这类分子很不稳定,难以存在。德、美科学家制出了C60笼状分子为材料学领域解决了一个重要的研究课题。碳纳米材料中纳米碳纤维、纳米碳管等新型碳材料具有许多优异的物理和化学特性,被广泛地应用于诸多领域。,二.碳纳米管的分类:,碳纳米管按照石墨烯片的层数分类可分为:单壁碳纳米管(Single-walled nanotubes,SWNTs)和多壁碳纳米管(Multi-walled 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,单壁管是由单层圆柱型石
5、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。,三.碳纳米管的性能:,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。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。1)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、高强度。,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
6、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。碳纳米管因而被称“超级纤维”。,2)导电性能,碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域键,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
7、有超导性,尽管其超导转变温度只有1.510-4K,但是预示着碳纳米管在超导领域的应用前景。,3)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。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。,四.纳米碳材料的类型:,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。(1
8、)碳纳米管碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体,一般可分为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管和双壁碳纳米管。(2)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14,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。美国伊利诺伊大学发明了一种廉价碳纤维,有高强力的韧性,同时有很强劲的吸附能力、能过滤有毒的气体和有害的生物,可用于制造防毒衣、面罩、手套和防护性服装等。,(3)碳球根据尺寸大小将碳球分为:
9、(1)富勒烯族系Cn和洋葱碳(具有封闭的石墨层结构,直径在220nm之间),如C60,C70等;(2)未完全石墨化的纳米碳球,直径在50nm一1m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20、实心硬碳球21、多孔碳球22、核壳结构碳球和胶状碳球23等。,五.纳米碳材料的合成方法:,(1)激光蒸发石墨法33此方法是在使用金属催化剂的情况下,用脉冲激光轰击石墨表面,在石墨表面产生纳米级碳材料。(2)等离子体喷射沉积法34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
10、的碳灰(3)凝聚相电解生成法35-36其采用石墨电极(电解槽为阳极),在约600的温度及氩气保护的条件下,以一定的电压和电流电解熔融的卤化碱盐,电解生成了形式多样的碳纳米材料。,4)石墨电弧法,石墨电弧法是用石墨电极在一定气氛中放电,从阴极沉积物中收集碳纳米材料的方法。,(5)化学气相沉积法化学气相沉积法是制备碳材料所广泛使用的方法,它又可分为有催化化学气相沉积和无催化化学气相沉积。把含有碳源的气体(或蒸气)流经催化剂表面时进行催化分解。乙烯、乙炔、苯乙烯、苯、甲苯、甲烷等通常用作碳源,这些一般都是化学性质比较活泼的含有不饱和化学键的化合物;过渡金属、稀有金属或金属氧化物常常用作催化剂;氩气、
11、氮气或氢气等通常用作载气。无催化气相沉积则不用任何催化剂,直接在保护气氛下热分解气相含碳有机物。,六.碳纳米管的批量制备:,碳纳米管要实现工业应用,首先必须解决碳纳米管的低成本大量制备问题。碳纳米管自1991年被发现以来,其制备工艺得到了广泛研究。目前,有三种主要的制备方法,即电弧放电法、激光烧蚀法和固定床催化裂解法。电弧放电法和激光烧蚀法制得的产物中,碳纳米管均与其他形态的碳产物共存,分离纯化困难,收率较低,且难以规模化。第三种固定床催化裂解法由天然气制备碳纳米管具有工艺简便、成本低、纳米管规模易控制、长度大、收率较高等优点,有重要的研究价值,但该方法中催化剂只能以薄层的形式展开,才会有好的
12、效果,否则催化剂的利用率就低,因而产量难以提高,要实现碳纳米管的大批量制备,必须首先解决催化剂连续投放问题和催化剂与产物及时导出的问题。这们的研究表明,通过特殊的反应装置和工艺可以实现碳纳米管的连续制备,从而达到低成本大批量制备碳纳米管的目的。连续制备碳纳米管是通过如下过程实现的:在封闭的移动床催化裂解反应器中,经过还原处理的纳米级催化剂通过喷嘴连续均匀地布洒到移动床上,移动床以一定的速度移动。催化剂在恒温区的停留时间可通过控制移动床的运动速度加以调节。原料气的流动方向可与床层的运动方向一致也可相反。,原料气在催化剂表面裂解生成碳纳米管。当催化剂在移动床上的停留时间达到设定值时,催化剂连同在其
13、上生成的碳纳米管从移动床上脱出进入收集器,反应尾气通过排气口排出。采用移动床催化裂解反应器可实现设计尺寸碳纳米管的连续制造,可望大幅度降低生产成本,为碳纳米管的工业应用提供保证。,七.碳纳米管的应用研究:,1.高强度碳纤维材料 决定增强型纤维强度的一个关键是长度和直径之比。目前材料材料工程师希望得到的长度直径比至少是201。然而,即使在现在能得到的以纳米计算的长度中,纳米管的长度也是直径的几千倍,因而号称“超级纤维”。它们的强度比钢高100倍,但重量只有钢的六分之一。它们非常微小,5万个并排起来才有人的一根头发那么宽。,2.复合材料 碳纳米管复合材料的基体可用树脂、炭、金属和无机材料等。用碳纳
14、米管材料增强的塑料,不仅力学性能优良,而且抗疲劳、抗蠕变、材料尺寸稳定;又由于磨擦系数小,故滑动性能好,与金属相比振动衰减性好;此外,它们还具有导电、耐蚀、屏蔽电波和X射线透过性好等优点。混凝土、水泥灰浆、水泥浆等水泥系列材料价格低廉、耐火、耐热、耐蚀性能优良,压缩强度也高,因此在土木、建筑、海洋工程工程方面被大量使用。但是它们是脆性材料,拉伸强度,抗弯强度,以及冲击强度都比较低。为了改善其力学性能,人们很早就研究、开发了一系列增强材料,但效果均不理想。,碳纳米管水泥基体中有极高的稳定性,也不对环境造成不良影响。其耐冲击性也得到改善,由它制成的构件尺寸稳定,同时还具有防静电性和耐磨耗等性能。碳
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