碳纳米管及碳纳米管纤维的性能与应用

碳纳米管及碳纳米管纤维的性能与应用/

孟庆杰等

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碳纳米管及碳纳米管纤维的性能与应用3

孟庆杰,张兴祥

(天津工业大学功能纤维研究所改性与功能纤维天津市重点实验室,天津300160)

　　摘要　　碳纳米管是由单层或多层石墨片卷曲而成的无缝纳米级管状壳层结构。扼要介绍了碳纳米管、碳纳米管纤维的合成方法及近几年来国内外制备的各种碳纳米管产品。碳纳米管、碳纳米管纤维由于其优良的力学、电学特性可以制成气体吸附体、生物模板、传动装置、增强复合体、催化剂载体、探测器、传感器、纳米反应器等产品,在航空、能源、医药、化学等技术领域广泛应用。

碳纳米管　碳纳米管纤维　制造　应用关键词　　

PropertiesandApplicationofCFibers

(TianjinofFiberModificationandFunctionalFibers,InstituteofFunctionalFibers,

TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300160)

Abstract　　Thecarbonnanotubesconsistofoneoruptodozensofgraphiticshellsseamlesslywrappedintoa

cylindricaltube.Thenanofibersarethestructurewiththeorientationofthegraphiticlamellawithoutcentralchannel.Thesyntheticmethodsandproductsofcarbonnanotubesandcarbonnanotubefibersathomeandabroadinrecentyearsaresummarized.Duetotheirexcellentmechanicalandelectricalproperties,carbonnanotubesandcarbonnanotubefiberscanbeusedasgasadsorbents,templates,actuators,compositereinfircements,catalystsupports,probes,chemicalsen2sors,nano2reactorsetc.Theyhaveawiderangeofpotentialapplicationsinvarioustechnologicalareassuchasaero2space,energy,medicineandchemicalindustry.

Keywords　　carbonnanotubes,carbonnanotubefibers,preparation,application

0　前言

自Iijima在真空电弧蒸发石墨电极时观察到碳纳米管

(CarbonNanotubes,CNTs)以来[1],CNTs因其独特的高强度、高韧性、超导、高比表面积,热稳定性和化学稳定性优良成为新材料研究的热点,并在场发射[2]、分子电子器件、复合体增强材料[3]、储氢储能材料等[4]众多领域得到广泛研究与应用。本文对CNTs的合成方法、物质特性及应用领域作以概括,对目前存在的问题进行分析,最后对碳纳米管及碳纳米管纤维(Carbon

nanotubefibers,CNFs)的未来发展及研究方向提出设想。

个SWNT同轴构成,管间距为0134nm左右,这相当于石墨的

{0002}面间距,直径约为1nm,长径比大。CNFs也由石墨层构

成,中心无通道,为实心结构

。

1　碳纳米管及碳纳米管纤维结构

碳原子sp2杂化形成关闭或开放的蜂巢状原子排列,卷曲产生管状的碳结构[5]。CNTs的直径为零点几纳米至几十纳米,每个单壁管侧面由碳原子的六边形组成,长度一般为几十纳米至微米级,两端由碳原子的五边形封顶,单壁碳纳米管(SWNTs)存在3种类型的结构,分别为单壁纳米管(Armchair

nanotubes)、锯齿型纳米管(Zigzagnanotubes)和手性型纳米管1。多层碳纳米管一般有几个到几十

图1　3种类型的碳纳米管

Fig.1　SchematicillustrationofcarbonnanotubesCNTs的性能由它们的直径和手性角θ来确定,而这两个

参数又取决于两个整数n和m值,Ch=na1+ma2,a1和a2为

CNTs一个单胞的单位矢量。手性矢量形成了纳米管圆形横截

面的圆周,不同的m和n值导致了不同的纳米管结构[6]。

　3天津市应用基础研究计划重点实验室基金　张兴祥:通讯作者,研究员　Tel:022224528144　E2mail:zhangpolyu@http://www.77cn.com.cn　孟庆杰:女,1980年生,博士生,主要从事功能材料的研制与应用研究　Tel:022224528282　E2mail:mqjwengdy@http://www.77cn.com.cn

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材料导报　　　　2007

年5月第21卷专辑Ⅷ

2　碳纳米管和碳纳米管纤维的合成

2.1　碳纳米管

1991年Iijima[1]用碳棒作电极进行直流电弧放电获得直径

10GPa,拉伸强度为116±10MPa。纤维的强度受到表面缺陷和

范围在4～30nm,长度1mm左右的SWNTs。直流电弧放电法

可以制备SWNT或者多层碳纳米管(MWNTs),一般,如果碳原料是固体碳电极则制备的是MWNTs,如果是碳与过渡金属的混合物则制备的是SWNTs。化学气相沉积法(CVD)是目前应用最为广泛的一种方法,既可以合成SWNTs,也可以制备

MWNTs。Peng等[7]以乙炔为碳原料,Fe2Mo/MgO在溶液中

起催化作用,实验发现在N22H2或者Ar2H2的环境下生成的

CNTs质量要比纯H2条件下更为优良,在Ar2H2环境下合成

的CNTs直径为18nm,N22H2环境下生成的CNTs直30nm。1996年Tans等[8]通过在一个孔洞的限制。Wang研究小组将8wt%的SWNT与硫酸混合,

μm的碳纳米管/硫酸纤在醚中凝固成纤维形貌,获得长度为25

[38]

维。

Poulin小组将CNTs与十二烷基硫酸钠混合后加入到聚乙烯醇(PVA)溶液中,然后在旋转流动的凝固浴中初步制成含有CNTs的凝胶,再经洗涤除去表面活性剂和部分PVA,干燥制成纤维[14],纤维的密度在(1.3～1.5)±012g/cm3范围,杨氏模量在9～15GPa之间,室温下的电阻率为011Ω cm。2002年Poulin小组再次将纤维润湿、膨胀、干燥并拉伸160%,纤维的拉伸断裂强度由处理前的230MPa,杨氏模量由10402。Dalton的研究表%Ts

倍]发碳靶,采用Co2Ni,Ar气将这些SWNTs2.2　碳纳米管纤维

Zhu等[9]利用热裂解法制得长度为几厘米的长碳纳米管

带,并且其力学性能和电学性质都优于以往的纤维,热裂解法可以连续且高产地制备碳纳米管带,带的长度和强度可以根据实验条件的不同得以控制。Ajayan小组采用正己烷添加二茂铁和噻吩后在1050～1300K热解[10],得到了长度达20cm的

μm或SWNTs绳 …… 此处隐藏：11695字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……