第四章_納米結(jié)構(gòu)單元

1、第四章第四章納米結(jié)構(gòu)單元納米結(jié)構(gòu)單元2納米結(jié)構(gòu)體系是當前納米材料領(lǐng)域派生出納米結(jié)構(gòu)體系是當前納米材料領(lǐng)域派生出來的含有豐富的科學內(nèi)涵一個重要的分支來的含有豐富的科學內(nèi)涵一個重要的分支學科，由于該體系的奇特物理現(xiàn)象及與下學科，由于該體系的奇特物理現(xiàn)象及與下一代量子結(jié)構(gòu)器件的聯(lián)系，因而成為人們一代量子結(jié)構(gòu)器件的聯(lián)系，因而成為人們十分感興趣研究熱點十分感興趣研究熱點20世紀世紀90年代中期年代中期有關(guān)這方面的研究取得重要的進展有關(guān)這方面的研究取得重要的進展.3構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)塊體、薄膜、多層膜構(gòu)成納米結(jié)構(gòu)塊體、薄膜、多層膜以及納米結(jié)構(gòu)的基本單元以及納米結(jié)構(gòu)的基本單元 一、團簇（原子團簇）一、團簇（原子團

2、簇）二、納米微粒（已介紹）二、納米微粒（已介紹）三、一維納米材料：納米管、納米線、納三、一維納米材料：納米管、納米線、納米棒、納米帶、同軸納米電纜米棒、納米帶、同軸納米電纜四、介孔固體和介孔復合體的合成和特性四、介孔固體和介孔復合體的合成和特性一、團簇一、團簇原子團簇的定義：原子團簇的定義：通常把僅含有幾個到幾百個原子或尺寸小于通常把僅含有幾個到幾百個原子或尺寸小于1nm的粒子稱作的粒子稱作“簇簇”。原子團簇是介于單個。原子團簇是介于單個原子與固態(tài)物質(zhì)之間的原子集合體。原子與固態(tài)物質(zhì)之間的原子集合體。原子團簇是一類新發(fā)現(xiàn)的化學物種，是在原子團簇是一類新發(fā)現(xiàn)的化學物種，是在20世世紀紀80年代才

3、發(fā)現(xiàn)的。年代才發(fā)現(xiàn)的。4一、團簇一、團簇原子或分子團簇（簡稱團簇或微團簇）是原子或分子團簇（簡稱團簇或微團簇）是由幾個乃至上千個原子、分子通過物理或由幾個乃至上千個原子、分子通過物理或化學結(jié)合力組成的相對穩(wěn)定的微觀或亞微化學結(jié)合力組成的相對穩(wěn)定的微觀或亞微觀聚集體，其物理和化學性質(zhì)隨所含的原觀聚集體，其物理和化學性質(zhì)隨所含的原子數(shù)目而變化。子數(shù)目而變化。5原子團簇的特點原子團簇的特點性質(zhì)上：既不同于單個原子分子，又不同性質(zhì)上：既不同于單個原子分子，又不同于固體和液體，也不能用兩者性質(zhì)的簡單于固體和液體，也不能用兩者性質(zhì)的簡單線性外延或內(nèi)插得到。線性外延或內(nèi)插得到。是介于氣態(tài)與固態(tài)之間的物質(zhì)結(jié)構(gòu)

4、新形態(tài)，常是介于氣態(tài)與固態(tài)之間的物質(zhì)結(jié)構(gòu)新形態(tài)，常被成為物質(zhì)第五態(tài)被成為物質(zhì)第五態(tài)是介于原子、分子與宏觀固體物質(zhì)之間的物質(zhì)是介于原子、分子與宏觀固體物質(zhì)之間的物質(zhì)結(jié)構(gòu)的新層次，是各種物質(zhì)由原子、分子向大結(jié)構(gòu)的新層次，是各種物質(zhì)由原子、分子向大塊物質(zhì)轉(zhuǎn)變的過渡狀態(tài)，或者說，代表了凝聚塊物質(zhì)轉(zhuǎn)變的過渡狀態(tài)，或者說，代表了凝聚態(tài)物質(zhì)的初始狀態(tài)。態(tài)物質(zhì)的初始狀態(tài)。67原子團簇的特點原子團簇的特點結(jié)構(gòu)上：不同于具有特定大小和形狀的分子、分結(jié)構(gòu)上：不同于具有特定大小和形狀的分子、分子間以弱的結(jié)合力結(jié)合的松散分子團簇和周期性子間以弱的結(jié)合力結(jié)合的松散分子團簇和周期性很強的晶體（既不同于分子，也不同于塊體）。

5、很強的晶體（既不同于分子，也不同于塊體）。原子團簇的形狀可以是多種多樣的，它們尚未形原子團簇的形狀可以是多種多樣的，它們尚未形成規(guī)整的晶體，除了惰性氣體外，它們都是以化成規(guī)整的晶體，除了惰性氣體外，它們都是以化學鍵緊密結(jié)合的聚集體。學鍵緊密結(jié)合的聚集體。 原子團簇的特點原子團簇的特點原子團簇獨特的性質(zhì)源于其結(jié)構(gòu)上的特點原子團簇獨特的性質(zhì)源于其結(jié)構(gòu)上的特點，因其尺寸小，處于表面的原子比例極高，因其尺寸小，處于表面的原子比例極高，而表面原子的幾何構(gòu)型、自旋狀態(tài)，而表面原子的幾何構(gòu)型、自旋狀態(tài)以及以及原子間作用力都完全不同于體相內(nèi)的原子原子間作用力都完全不同于體相內(nèi)的原子。材料的性質(zhì)與內(nèi)部單元的表面

6、性質(zhì)息息。材料的性質(zhì)與內(nèi)部單元的表面性質(zhì)息息相關(guān)。相關(guān)。例如僅僅通過調(diào)節(jié)團簇的大小，物質(zhì)特性例如僅僅通過調(diào)節(jié)團簇的大小，物質(zhì)特性就有極大的不同，就有極大的不同，10 個鐵原子的團簇在催個鐵原子的團簇在催化氨合成時要比化氨合成時要比17個鐵原子的團簇效能高個鐵原子的團簇效能高出出1000倍倍89多學科的交叉多學科的交叉研究原子團簇涉及多學科：研究原子團簇涉及多學科： 1、合成化學、化學動力學、晶體化學、結(jié)、合成化學、化學動力學、晶體化學、結(jié)構(gòu)化學、原子簇化學等化學分支；構(gòu)化學、原子簇化學等化學分支； 2、原子、分子物理、表面物理、晶體生長、原子、分子物理、表面物理、晶體生長、非晶態(tài)等物理學分支；

7、非晶態(tài)等物理學分支； 3、星際分子、礦巖成因、燃燒煙粒、大氣、星際分子、礦巖成因、燃燒煙粒、大氣微晶等。微晶等。10原子團簇的分類原子團簇的分類一元原子團簇一元原子團簇：金屬團簇（如：金屬團簇（如Nan、Nin等）、非金屬團簇（碳簇如等）、非金屬團簇（碳簇如C60、C70和富和富勒烯等，非碳簇如勒烯等，非碳簇如B、P、S、Si簇等）。簇等）。二元原子團簇二元原子團簇：InnPm、AgnSm等。等。多元原子團簇多元原子團簇：Vn(C6H6)m等。等。原子簇化合物原子簇化合物：是原子團簇與其他分子以：是原子團簇與其他分子以配位鍵結(jié)合形成的化合物。配位鍵結(jié)合形成的化合物。11絕大多數(shù)原子團簇的結(jié)構(gòu)不

8、清楚，但已知絕大多數(shù)原子團簇的結(jié)構(gòu)不清楚，但已知有有線狀、層狀、管狀、洋蔥狀、骨架狀、球狀等等。等等。原子團簇有許多奇異的特性，如極大的比原子團簇有許多奇異的特性，如極大的比表面使它具有異常高的化學活性和催化活表面使它具有異常高的化學活性和催化活性、光的量子尺寸效應、非線性效應、電性、光的量子尺寸效應、非線性效應、電導的幾何尺寸效應、導的幾何尺寸效應、C60摻雜及摻包原子的摻雜及摻包原子的導電性和超導性、碳管、碳蔥的導電性等導電性和超導性、碳管、碳蔥的導電性等等。等。121、C60納米材料研究為基礎(chǔ)科學與技術(shù)提供了許納米材料研究為基礎(chǔ)科學與技術(shù)提供了許多機遇和挑戰(zhàn)。例如多機遇和挑戰(zhàn)。例如C60

9、富勒烯的發(fā)現(xiàn)激發(fā)富勒烯的發(fā)現(xiàn)激發(fā)了人們對碳相關(guān)材料領(lǐng)域研究的極大投入。了人們對碳相關(guān)材料領(lǐng)域研究的極大投入。除金剛石和石墨之外，富勒烯是碳的一種除金剛石和石墨之外，富勒烯是碳的一種新的形態(tài)。目前最富有刺激性的研究集中新的形態(tài)。目前最富有刺激性的研究集中在碳納米管上。在碳納米管上。131、C60盡管盡管18世紀，人們就已經(jīng)確定石墨和金剛世紀，人們就已經(jīng)確定石墨和金剛石都是單質(zhì)碳。然而，直到石都是單質(zhì)碳。然而，直到1924年石墨的年石墨的結(jié)構(gòu)才被準確確定。但僅由單質(zhì)碳構(gòu)成的結(jié)構(gòu)才被準確確定。但僅由單質(zhì)碳構(gòu)成的物質(zhì)遠不止這兩種。物質(zhì)遠不止這兩種。14碳的同素異形體碳的同素異形體15碳元素家族成員碳元

10、素家族成員碳元素無定形碳晶形碳石墨富勒碳金剛石巴基球（以C60為代表）碳納米管巴基蔥（即球狀多壁同心大分子）16諾貝爾化學獎諾貝爾化學獎當前能大量制備并分離的團簇是當前能大量制備并分離的團簇是C60及富勒烯。及富勒烯。20世紀世紀80年代（年代（1985年），美國年），美國Smalley用激光燒用激光燒蝕法獲得了金屬原子團簇。蝕法獲得了金屬原子團簇。1985年年Smalley與英與英國的國的Kroto等人在等人在Rice大學的實驗室采用激光轟大學的實驗室采用激光轟擊石墨靶，并用苯來收集碳團簇，用質(zhì)譜分析儀擊石墨靶，并用苯來收集碳團簇，用質(zhì)譜分析儀分析意外發(fā)現(xiàn)碳原子一種新穎的排列方式。分析意外發(fā)

11、現(xiàn)碳原子一種新穎的排列方式。R.F.Curl和和R.E.Smalley及英國科學家及英國科學家H.W.Kroto因共同發(fā)現(xiàn)因共同發(fā)現(xiàn)C60，并確認和證實其結(jié)構(gòu)而榮獲，并確認和證實其結(jié)構(gòu)而榮獲1996年度諾貝爾化學獎年度諾貝爾化學獎。17富勒烯富勒烯受到建筑學家受到建筑學家Buckminster Fuller所發(fā)明所發(fā)明的短程圓屋頂?shù)膯l(fā)，的短程圓屋頂?shù)膯l(fā)，Smalley, Kroto等等采用足球狀完美對稱性的分子結(jié)構(gòu)來說明采用足球狀完美對稱性的分子結(jié)構(gòu)來說明C60團簇的分子構(gòu)型，首次提出了團簇的分子構(gòu)型，首次提出了C60的封的封閉籠形結(jié)構(gòu)設(shè)想閉籠形結(jié)構(gòu)設(shè)想富勒烯。富勒烯。1990年，年，Kr

12、aatschmer W和和Huffman第一第一次從實驗上證實了次從實驗上證實了C60的籠形結(jié)構(gòu)。的籠形結(jié)構(gòu)。 18C60結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)C60是呈截面是呈截面20面體的幾何球形芳香原子，具有面體的幾何球形芳香原子，具有60個頂角和個頂角和32個面多邊形（個面多邊形（12個正五邊形和個正五邊形和20個個正六邊形），直徑約為正六邊形），直徑約為0.7nm。這個球狀分子稱。這個球狀分子稱C60分子。分子。 C60中碳原子價都是飽和的，以中碳原子價都是飽和的，以2個單個單鍵和一個雙鍵彼此相接，整個分子具有芳香性。鍵和一個雙鍵彼此相接，整個分子具有芳香性。分子中碳碳鍵能低于石墨中碳碳鍵能。穩(wěn)定的分子中碳碳鍵能

13、低于石墨中碳碳鍵能。穩(wěn)定的C60分子在空間緊密排列構(gòu)成分子在空間緊密排列構(gòu)成C60晶體。除了有晶體。除了有C60外，外，還有還有C70，C84 .，C540等，構(gòu)成碳烯一族。等，構(gòu)成碳烯一族。20、24、28、32、36、50、60、和、和70（幻數(shù)）比較（幻數(shù)）比較穩(wěn)定，最穩(wěn)定的是穩(wěn)定，最穩(wěn)定的是C60 。其中。其中C70具有具有25個六邊形，個六邊形，形似橄欖球。形似橄欖球。 19C60 的性質(zhì)的性質(zhì)理論計算表明，理論計算表明，C60晶體可以從一種取向向另一種晶體可以從一種取向向另一種取向轉(zhuǎn)變，取決于結(jié)晶條件。此外在壓力作用下取向轉(zhuǎn)變，取決于結(jié)晶條件。此外在壓力作用下C60的晶體結(jié)構(gòu)也將發(fā)

14、生顯著變化。的晶體結(jié)構(gòu)也將發(fā)生顯著變化。C60的分子很穩(wěn)定，可抗輻射、抗化學腐蝕，但易的分子很穩(wěn)定，可抗輻射、抗化學腐蝕，但易放出電子。放出電子。 C60的升華溫度為的升華溫度為400。Chibante等人研究了等人研究了C60在空氣中的穩(wěn)定性，發(fā)在空氣中的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)在150250溫度范圍內(nèi)，無論是隨時間還是溫度范圍內(nèi)，無論是隨時間還是隨溫度變化，隨溫度變化， C60和和C70的分解速度都很慢。的分解速度都很慢。25時，時， C60和和C70混合物（混合物（W C6015）的分解大）的分解大約需要約需要450年，而純年，而純C60的分解則需要的分解則需要2000年。年。20C60 的性質(zhì)

15、的性質(zhì)將將C60以以6700m/s的速度打在不銹鋼上，的速度打在不銹鋼上， C60完好無損地反完好無損地反彈回來，表明它的抗壓性比所有粒子都強。彈回來，表明它的抗壓性比所有粒子都強。理論研究表明，在中等壓力下（把理論研究表明，在中等壓力下（把C60壓縮到小于原體積壓縮到小于原體積的的70時），其耐壓程度遠比金剛石高。時），其耐壓程度遠比金剛石高。C60最引人注目的性能是它的超導性。最引人注目的性能是它的超導性。1994年，美國貝爾年，美國貝爾實驗室的實驗室的Hebard等人發(fā)現(xiàn)等人發(fā)現(xiàn)C60和堿金屬形成的化合物具有和堿金屬形成的化合物具有超導性，是目前最好的三維有機超導體。超導性，是目前最好的

16、三維有機超導體。 C60制備的分子制備的分子超導體具有三維導電，易于加工的優(yōu)點。超導體具有三維導電，易于加工的優(yōu)點。另外，另外， C60和和C60溶液具有光限性，當光流量小時，溶液是溶液具有光限性，當光流量小時，溶液是透明的，當強光超過閥值強度后，溶液立即變成不透明。透明的，當強光超過閥值強度后，溶液立即變成不透明。這種性質(zhì)可用于數(shù)字處理器中的光閥器件和強光保護敏感這種性質(zhì)可用于數(shù)字處理器中的光閥器件和強光保護敏感器。器。212、納米洋蔥狀富勒烯、納米洋蔥狀富勒烯納米洋蔥狀富勒烯（納米洋蔥狀富勒烯（Nanosized Onion-like Fullerenes，NOLFs）是由若干層同）是由若

17、干層同心球狀的石墨殼層組成的碳原子團簇，最心球狀的石墨殼層組成的碳原子團簇，最內(nèi)層是由內(nèi)層是由60個碳原子組成的個碳原子組成的C60，每一殼層，每一殼層的碳原子數(shù)按的碳原子數(shù)按60n2（n為層數(shù)）公式計算。為層數(shù)）公式計算。可通過不同的方法形成納米洋蔥狀富勒烯，可通過不同的方法形成納米洋蔥狀富勒烯，其結(jié)構(gòu)也各不相同。其結(jié)構(gòu)也各不相同。2223NOLFs可能的性能可能的性能1、納米洋蔥狀富勒烯及嵌入了特殊金屬納米微粒、納米洋蔥狀富勒烯及嵌入了特殊金屬納米微粒的洋蔥狀富勒烯，在外部石墨的包圍下，具有的洋蔥狀富勒烯，在外部石墨的包圍下，具有較好的耐候性（不受氧化和水分解的影響），較好的耐候性（不受氧

18、化和水分解的影響），較高的抗壓特性，可以用作潤滑劑、橡膠的增較高的抗壓特性，可以用作潤滑劑、橡膠的增強劑等。強劑等。2、納米洋蔥狀富勒烯以及富勒烯層與層之間有合、納米洋蔥狀富勒烯以及富勒烯層與層之間有合適的金屬原子、離子或其他分子時，由于雜化適的金屬原子、離子或其他分子時，由于雜化軌道軌道(如如sp2、sp3及其之間的及其之間的sp)和和、電子結(jié)電子結(jié)構(gòu)的變化不同于石墨，推測母體材料的導電性構(gòu)的變化不同于石墨，推測母體材料的導電性能有望制成超導體，在電子材料應用領(lǐng)域發(fā)揮能有望制成超導體，在電子材料應用領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。重要作用。24NOLFs可能的性能可能的性能3、納米洋蔥狀富勒烯內(nèi)修飾金屬納

19、米微粒還、納米洋蔥狀富勒烯內(nèi)修飾金屬納米微粒還可以用作化學上的穩(wěn)定的反應團簇及特殊可以用作化學上的穩(wěn)定的反應團簇及特殊性能的催化劑。性能的催化劑。4、用納米洋蔥狀富勒烯簇物質(zhì)制備的薄膜具、用納米洋蔥狀富勒烯簇物質(zhì)制備的薄膜具有非線性光學等特性，可以用作光電子材有非線性光學等特性，可以用作光電子材料、磁記錄、光磁性記錄材料和其他信息料、磁記錄、光磁性記錄材料和其他信息材料等。材料等。25二、一維納米材料二、一維納米材料納米管：納米管：1.碳納米管碳納米管 2.其它納米管其它納米管3.納米棒、納米線、納米納米棒、納米線、納米絲絲納米帶納米帶同軸納米電纜同軸納米電纜26一維納米材料的研究史一維納米材

20、料的研究史20世紀世紀80年代以來，零維的材料取得了很大的進年代以來，零維的材料取得了很大的進展，但準一維納米材料的研究與制備仍面臨巨大展，但準一維納米材料的研究與制備仍面臨巨大的挑戰(zhàn)。的挑戰(zhàn)。1991年日本年日本NEC公司的飯島公司的飯島Iijima等人發(fā)現(xiàn)納米等人發(fā)現(xiàn)納米碳管碳管-引起許多科學家們的極大關(guān)注。引起許多科學家們的極大關(guān)注。 -準一維納米材料在介觀領(lǐng)域和納米器件研制準一維納米材料在介觀領(lǐng)域和納米器件研制方面有著重要的應用前景，它可用于掃描隧道顯方面有著重要的應用前景，它可用于掃描隧道顯微鏡的針尖、納米器件和超大集成電路（微鏡的針尖、納米器件和超大集成電路（ULSIC）中的連線、

21、光導纖維、微電子學方面的微型鉆頭中的連線、光導纖維、微電子學方面的微型鉆頭以及復合材料的增強劑等。以及復合材料的增強劑等。271、碳納米管、碳納米管早在早在1970年法國的奧林大學的年法國的奧林大學的Endo首次用氣相首次用氣相生長技術(shù)制成了直徑約生長技術(shù)制成了直徑約7nm的碳纖維，的碳纖維，-沒沒有對這些碳纖維的結(jié)構(gòu)進行細致的評估和表征，有對這些碳纖維的結(jié)構(gòu)進行細致的評估和表征，因而并未受到人們的注意。因而并未受到人們的注意。在對在對C60 和和C70研究的基礎(chǔ)上，人們認識到有無研究的基礎(chǔ)上，人們認識到有無限種近石墨結(jié)構(gòu)可能形成。直到限種近石墨結(jié)構(gòu)可能形成。直到1991年，美國年，美國海軍實

22、驗室一個研究組提交一篇理論性的文章，海軍實驗室一個研究組提交一篇理論性的文章，預計了一種碳納米管的電子結(jié)構(gòu)，但當時認為預計了一種碳納米管的電子結(jié)構(gòu)，但當時認為近期內(nèi)不可能合成碳納米管，因此文章未能發(fā)近期內(nèi)不可能合成碳納米管，因此文章未能發(fā)表。表。28研究史研究史1991年年1月，日本筑波大學的月，日本筑波大學的NEC實驗室的飯島首次用高實驗室的飯島首次用高分辨率電鏡觀察到碳納米管，這些碳納米管是多層同軸管，分辨率電鏡觀察到碳納米管，這些碳納米管是多層同軸管，也叫巴基管也叫巴基管Buckytube。莫斯科化學物理研究所的研究人員也獨立的發(fā)現(xiàn)了碳納米莫斯科化學物理研究所的研究人員也獨立的發(fā)現(xiàn)了碳納

23、米管和碳納米管束。管和碳納米管束。單壁碳納米管是由美國加利福尼亞的單壁碳納米管是由美國加利福尼亞的IBM Almaden公司公司實驗室實驗室Bethune等人首次發(fā)現(xiàn)的。等人首次發(fā)現(xiàn)的。1996年，美國著名的諾貝爾獎獲得者年，美國著名的諾貝爾獎獲得者Smalley等合成了成等合成了成行排列的單壁碳納米管束，每一束中含有許多碳納米管，行排列的單壁碳納米管束，每一束中含有許多碳納米管，這些碳納米管的直徑分布很窄。這些碳納米管的直徑分布很窄。我國物理所謝思深等人實現(xiàn)了碳納米管的定向生長，并合我國物理所謝思深等人實現(xiàn)了碳納米管的定向生長，并合成了超長（毫米級）納米碳管。成了超長（毫米級）納米碳管。 2

24、9結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 單壁單壁Single- walled carbon nanotube， SWNT or SWCNT 多壁多壁Multi-walled carbon nanotube， MWNT or MWCNT 可看成是石墨烯片層卷成的無縫中空管，可看成是石墨烯片層卷成的無縫中空管，可包含一層到上百層石墨層?？砂粚拥缴习賹邮珜?。 30單壁納米碳管的結(jié)構(gòu)單壁納米碳管的結(jié)構(gòu)每個碳原子和相鄰的三個碳原子相連，形成六角每個碳原子和相鄰的三個碳原子相連，形成六角型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。碳原子以碳原子以sp2雜化為主，但包含一定的雜化為主，但包含一定的sp3。 -鍵具有部分鍵具有部分p軌道的成分，軌道的

25、成分，軌道具有部分軌道具有部分s軌道特征，形成的化學鍵同時具有軌道特征，形成的化學鍵同時具有sp2和和sp3混合雜混合雜化狀態(tài)?；癄顟B(tài)。 -直徑較小的單壁碳管，曲率較大，直徑較小的單壁碳管，曲率較大，sp3雜化的雜化的比例較大；直徑較大的碳管，比例較大；直徑較大的碳管，sp2比例較多；碳管比例較多；碳管形變時，兩種雜化的比例會發(fā)生改變。形變時，兩種雜化的比例會發(fā)生改變。31碳納米管的結(jié)構(gòu)及種類碳納米管的結(jié)構(gòu)及種類碳納米管結(jié)構(gòu)示意圖(A) 椅形單壁碳納米管, (B) Z字形單壁碳納米管,(C) 手性單壁碳納米管， (D) 螺旋狀碳納米管， (E) 多壁碳納米管截面圖32SWCNTs的直徑一般在的

26、直徑一般在16 nm，目前觀察到的，目前觀察到的SWCNT的最小直徑約為的最小直徑約為0.33 nm1，并已能合成，并已能合成直徑直徑0.4nm的的SWCNTs陣列陣列2。直徑達。直徑達6nm的的SWCNTs也已有報道也已有報道3。一般認為，。一般認為，SWCNT的的直徑大于直徑大于6nm以后特別不穩(wěn)定，容易發(fā)生以后特別不穩(wěn)定，容易發(fā)生SWCNT管的塌陷。單壁碳納米管的長度則可達管的塌陷。單壁碳納米管的長度則可達幾百納米到幾十微米。多壁碳納米管的層間距約幾百納米到幾十微米。多壁碳納米管的層間距約為為0.34nm，外徑在幾個納米到幾百納米，而已發(fā)，外徑在幾個納米到幾百納米，而已發(fā)現(xiàn)的最小內(nèi)徑為現(xiàn)

27、的最小內(nèi)徑為0.4nm4。其長度一般在微米量。其長度一般在微米量級，最長者可達數(shù)毫米。無論是級，最長者可達數(shù)毫米。無論是 MWCNT還是還是 SWCNT都具有很高的長徑比，一般為都具有很高的長徑比，一般為1001000，有的甚至可達有的甚至可達100010000，是非常好的準一維，是非常好的準一維納米材料。納米材料。1 Peng LM, Zhang ZL, Xue ZQ, et al, Phys. Rev. Lett, 2000, 85(15): 3249-3252.2 Qin LC, Zhao XL, Hirahara K, et al, Nature, 2000, 408(6808): 5

28、0-50. 3 Lebedkin S, Schweiss P, Renker B, et al, Carbon, 2002, 40(3): 417-423.4 R Saito et al, Physical Properties of Carbon Nanotube, Imperial College Press, 1998: 35-53.33單壁碳管的管束單壁碳管的管束(bundle)單壁管間存在較強的分子間作用力，使之易于聚單壁管間存在較強的分子間作用力，使之易于聚集形成管束，形成類似于平面六角型的二維晶體集形成管束，形成類似于平面六角型的二維晶體結(jié)構(gòu)具有自組織性。結(jié)構(gòu)具有自組織性。在管束

29、中的碳管間的距離在在管束中的碳管間的距離在0.35nm左右，管束的左右，管束的直徑直徑520nm，但單壁碳管的直徑基本一致。，但單壁碳管的直徑基本一致。扶手型管形成的管束，晶格常數(shù)為扶手型管形成的管束，晶格常數(shù)為1.687nm,密度密度1.33g/cm3；鋸齒型的晶格常數(shù)為；鋸齒型的晶格常數(shù)為1.652nm,密度密度1.34g/cm3；螺旋型的晶格常數(shù)為；螺旋型的晶格常數(shù)為1.652nm,密度密度1.40g/cm3。34單壁碳管的管束單壁碳管的管束碳管直徑增加，則管管之間的孔隙增加。碳管直徑增加，則管管之間的孔隙增加。直徑小于直徑小于1nm碳管形成管束時，每個碳管碳管形成管束時，每個碳管截面都

30、保持其完整的圓形結(jié)構(gòu)；直徑大于截面都保持其完整的圓形結(jié)構(gòu)；直徑大于2.5nm的碳管形成管束時，管管之間的范的碳管形成管束時，管管之間的范德華作用力使管壁發(fā)生形變，形成蜂窩結(jié)德華作用力使管壁發(fā)生形變，形成蜂窩結(jié)構(gòu)。構(gòu)。較長的碳管易形成管束，且一旦形成，則較長的碳管易形成管束，且一旦形成，則很難使之再分散成單根單壁碳管。很難使之再分散成單根單壁碳管。35單壁碳管的管束環(huán)單壁碳管的管束環(huán)單壁碳管形成管束后，在一定條件下，管單壁碳管形成管束后，在一定條件下，管束還可以形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，稱之為管束環(huán)束還可以形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，稱之為管束環(huán)（SWNT Ring）。）。R.Martel等采用超聲波振動法可使樣品中等采

31、用超聲波振動法可使樣品中管束進行自組織，管束環(huán)含量達到管束進行自組織，管束環(huán)含量達到50。36單壁碳納米管的制備單壁碳納米管的制備電弧放電法電弧放電法化學氣相沉積法化學氣相沉積法激光蒸發(fā)法激光蒸發(fā)法 電弧法由于設(shè)備較簡單，技術(shù)成熟等優(yōu)點而被廣泛的應用于CNTs。但電弧法所制備的CNTs的缺陷較多，且易于與其它的副產(chǎn)物如無定形碳、納米微粒等雜質(zhì)燒結(jié)在一起，對隨后的分離和提純不利。37石墨電弧法石墨電弧法氦氣保護石墨電弧法氦氣保護石墨電弧法陽極陽極-面積較小的石墨棒（石墨粉和催化劑組成）面積較小的石墨棒（石墨粉和催化劑組成）陰極陰極-面積較大的石墨棒面積較大的石墨棒氫氣保護石墨電弧法氫氣保護石墨電

32、弧法氫電弧法優(yōu)點氫電弧法優(yōu)點:l氫氣為緩沖氣 l含硫化合物為生長促進劑 l大陽極，陰極在其上方并與其成一定角度 l電極角度可控可半連續(xù)制備 38電弧法的主要原理電弧法的主要原理在充有一定壓力的惰性氣體的真空反應室中，采在充有一定壓力的惰性氣體的真空反應室中，采用面積較大的石墨棒用面積較大的石墨棒(直徑為直徑為20mm)作陰極，面積作陰極，面積較小的石墨棒較小的石墨棒 (直徑為直徑為10mm)為陽極。在電弧放為陽極。在電弧放電過程中，兩石墨電極間通過反饋始終保持約電過程中，兩石墨電極間通過反饋始終保持約 1mm的小間隙。陽極石墨棒不斷被消耗，在陰極的小間隙。陽極石墨棒不斷被消耗，在陰極沉積出含有

33、碳納米管、富勒烯、石墨微粒、無定沉積出含有碳納米管、富勒烯、石墨微粒、無定形碳和其它形式的碳納米顆粒的混合物，同時在形碳和其它形式的碳納米顆粒的混合物，同時在反應室的壁上沉積有由無定形碳和反應室的壁上沉積有由無定形碳和Fullerenes等等碳納米顆粒組成的煙灰碳納米顆粒組成的煙灰(Soot)。39化學氣相沉積法（化學氣相沉積法（CVD）特點：特點：設(shè)備簡單、條件易控、能大規(guī)模制備、可直接生長在合適的基底上常用氣體：常用氣體：甲烷、一氧化碳、苯等催化劑：催化劑：Fe、Co、Ni、Mo等以及它們的氧化物40激光蒸發(fā)法激光蒸發(fā)法影響因素：影響因素：催化劑保護氣體（氦氣、氬氣）壓強（3.0 x104

34、一4.5 x 104 Pa）激光脈沖時間間隔 （間隔越短，產(chǎn)率越高）激光脈沖功率（功率，直徑）41碳納米管的提純碳納米管的提純由于由于CNTs的制備過程中，通常都會同時生的制備過程中，通常都會同時生成成Fullerenes、石墨微粒、無定形碳和其、石墨微粒、無定形碳和其它形式的碳納米顆粒。這些雜質(zhì)與碳納米它形式的碳納米顆粒。這些雜質(zhì)與碳納米管混雜在一起，且化學性質(zhì)相近，用一般管混雜在一起，且化學性質(zhì)相近，用一般的方法很難進行分離，給碳納米管更深入的方法很難進行分離，給碳納米管更深入的性質(zhì)表征和應用研究都帶來了極大的不的性質(zhì)表征和應用研究都帶來了極大的不便。因而一般都需要采取各種物理化學方便。因

35、而一般都需要采取各種物理化學方法對制備所得的碳納米管初產(chǎn)品進行純化，法對制備所得的碳納米管初產(chǎn)品進行純化，得到純度更高的得到純度更高的CNTs。42碳管的提純碳管的提純:兩個過程兩個過程催化劑的去除催化劑的去除 由于催化劑一般都是過渡金屬或者鑭系金屬的氧化物，而載體由于催化劑一般都是過渡金屬或者鑭系金屬的氧化物，而載體一般都是一般都是Al2O3、MgO等等,所以通常是用過量的酸與制備所得所以通常是用過量的酸與制備所得CNTs初初產(chǎn)物充分反應，然后經(jīng)過過濾、干燥等步驟，去除催化劑。產(chǎn)物充分反應，然后經(jīng)過過濾、干燥等步驟，去除催化劑。石墨微粒、無定形碳和其它形式的碳納米顆粒的去除石墨微粒、無定形碳

36、和其它形式的碳納米顆粒的去除 采用合適的氧化劑將附著在管壁四周的碳納米顆粒氧化除掉，采用合適的氧化劑將附著在管壁四周的碳納米顆粒氧化除掉，從而只剩下從而只剩下CNTs。其機理是利用氧化劑對。其機理是利用氧化劑對CNTs和碳納米顆粒兩者的和碳納米顆粒兩者的氧化速率不一致完成的。氧化速率不一致完成的。CNTs的管壁由六邊形排列的碳原子的管壁由六邊形排列的碳原子 (即六元即六元環(huán)環(huán) )組成，六元環(huán)與五元環(huán)、七元環(huán)相比，沒有懸掛鍵，因而比較穩(wěn)組成，六元環(huán)與五元環(huán)、七元環(huán)相比，沒有懸掛鍵，因而比較穩(wěn)定。在氧化劑存在的情況下，有較多懸掛鍵的五元環(huán)和七元環(huán)優(yōu)先被定。在氧化劑存在的情況下，有較多懸掛鍵的五元環(huán)

37、和七元環(huán)優(yōu)先被氧化，而無懸掛鍵的六元環(huán)需要較長時間才能被氧化，氧化，而無懸掛鍵的六元環(huán)需要較長時間才能被氧化，CNTs的封口的封口被破壞后，由六元環(huán)組成的管壁被氧化的速度十分緩慢，而碳納米顆被破壞后，由六元環(huán)組成的管壁被氧化的速度十分緩慢，而碳納米顆粒則被一層一層氧化?？晒┻x擇的氧化劑很多，如空氣或氧氣流、高粒則被一層一層氧化?？晒┻x擇的氧化劑很多，如空氣或氧氣流、高錳酸鉀、硝酸等等。在空氣流下氧化是最為簡便的常用方法。錳酸鉀、硝酸等等。在空氣流下氧化是最為簡便的常用方法。SWCNTs由于只有一層管壁，因此其熱穩(wěn)定性相對由于只有一層管壁，因此其熱穩(wěn)定性相對MWCNTs要差，要差，在碳納米顆粒的

38、氧化過程中也氧化的比較厲害。在碳納米顆粒的氧化過程中也氧化的比較厲害。43單壁碳納米管的分離單壁碳納米管的分離 制備的產(chǎn)品中的制備的產(chǎn)品中的SWCNTs通常都不是一根通常都不是一根根分立的，而是以管束的形式存在的，即根分立的，而是以管束的形式存在的，即幾根甚至幾百根的單壁碳納米管沿著相同幾根甚至幾百根的單壁碳納米管沿著相同的軸方向平行的結(jié)合在一起，形成直徑約的軸方向平行的結(jié)合在一起，形成直徑約幾納米到幾十納米的單壁碳納米管束。這幾納米到幾十納米的單壁碳納米管束。這些構(gòu)成管束的些構(gòu)成管束的SWCNTs的直徑可以相當?shù)牡闹睆娇梢韵喈數(shù)木?，而且以密堆的形式排列，使得管束均一，而且以密堆的形式排列?/p>

39、使得管束本身可能出現(xiàn)一定程度的晶化。本身可能出現(xiàn)一定程度的晶化。44晶化程度相當高的晶化程度相當高的SWCNTs管束管束 Thess A, Lee R, Nikolaev P, et al, Crystalline ropes of metallic carbon nanotubes, Science, 1996, 273(5274): 483-487. 45分離方法分離方法如：將碳管粉末溶于溶劑之中再長時間超如：將碳管粉末溶于溶劑之中再長時間超聲處理，從而達到將其分離的目的。分離聲處理，從而達到將其分離的目的。分離的效果主要取決于溶劑的種類和超聲的時的效果主要取決于溶劑的種類和超聲的時間。將

40、處理后碳管溶液滴到硅片上制成樣間。將處理后碳管溶液滴到硅片上制成樣品，然后用掃描電鏡（品，然后用掃描電鏡（SEM）觀察分離效）觀察分離效果。果。 461m尺度下的電鏡照片（乙醇） 500nm尺度下的電鏡照片（乙醇） 1m尺度下的電鏡照片（異丙醇） 47單壁碳納米管制備單壁碳納米管制備連續(xù)批量生產(chǎn)連續(xù)批量生產(chǎn)結(jié)構(gòu)分布均勻且可結(jié)構(gòu)分布均勻且可控控成本低、純度高成本低、純度高 碳源 催化劑及載體 制備條件幾個關(guān)鍵因素要達到的主要目標48多壁納米碳管多壁納米碳管多壁納米碳管由單層管同軸套構(gòu)而成，每層單獨多壁納米碳管由單層管同軸套構(gòu)而成，每層單獨的管擁有各自不同的手性。這些同軸管被二次疊的管擁有各自不同

41、的手性。這些同軸管被二次疊加到一起，之間以范氏作用力相聯(lián)系。一般單壁加到一起，之間以范氏作用力相聯(lián)系。一般單壁納米碳管的直徑在納米碳管的直徑在0.42nm，多壁納米碳管的直，多壁納米碳管的直徑也不超過徑也不超過50nm，長度則可達數(shù)微米至數(shù)毫米。，長度則可達數(shù)微米至數(shù)毫米。除了六邊形以外，除了六邊形以外，五邊形和七邊形在納米碳管的五邊形和七邊形在納米碳管的生長過程中扮演了重要的角色。五邊形的出現(xiàn)導生長過程中扮演了重要的角色。五邊形的出現(xiàn)導致納米碳管凸出，七邊形的出現(xiàn)使納米碳管凹進致納米碳管凸出，七邊形的出現(xiàn)使納米碳管凹進。多層納米碳管形成時，層間易形成陷阱中心而捕多層納米碳管形成時，層間易形成

42、陷阱中心而捕獲各種缺陷，因而多層納米碳管上的缺陷較多，獲各種缺陷，因而多層納米碳管上的缺陷較多，易形成彎曲結(jié)構(gòu)。單層管不存在這類缺陷。易形成彎曲結(jié)構(gòu)。單層管不存在這類缺陷。49石墨片層從石墨片層從1層到層到5層的碳納米管層的碳納米管 50各種碳納米管的形態(tài)各種碳納米管的形態(tài)51納米碳管結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性納米碳管結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性 52納米碳管的能量納米碳管的能量懸鍵少，能量低懸鍵少，能量低納米碳管和金剛石相似，處于亞穩(wěn)態(tài)，即納米碳管和金剛石相似，處于亞穩(wěn)態(tài)，即熱力學不穩(wěn)定而動力學穩(wěn)定的狀態(tài)熱力學不穩(wěn)定而動力學穩(wěn)定的狀態(tài)。納米。納米碳管可看成是由一長方形的石墨烯沿一條碳管可看成是由一長方形的石墨烯沿一條邊的

43、方向卷起直至另兩個邊完全對接而成。邊的方向卷起直至另兩個邊完全對接而成。孤立的石墨烯片在其邊緣由于存在大量的孤立的石墨烯片在其邊緣由于存在大量的懸鍵，能量較高而不穩(wěn)定。將石墨烯卷成懸鍵，能量較高而不穩(wěn)定。將石墨烯卷成管狀可消除兩邊的懸鍵。由于懸鍵的減少，管狀可消除兩邊的懸鍵。由于懸鍵的減少，系統(tǒng)的總能量也隨之降低。因此納米碳管系統(tǒng)的總能量也隨之降低。因此納米碳管的能量低于相應的石墨烯，這就是納米碳的能量低于相應的石墨烯，這就是納米碳管在自然界中可存在的原因。管在自然界中可存在的原因。53納米碳管的能量納米碳管的能量應力能大，能量高應力能大，能量高將石墨烯卷起形成納米碳管必將改變石墨將石墨烯卷起

44、形成納米碳管必將改變石墨烯上碳碳網(wǎng)格的完美拓撲幾何構(gòu)型，即改烯上碳碳網(wǎng)格的完美拓撲幾何構(gòu)型，即改變鍵角引入應力能。變鍵角引入應力能。應力能的大小隨納米碳管直徑減小呈指數(shù)應力能的大小隨納米碳管直徑減小呈指數(shù)增加，最終將超出由于減小孤立石墨烯片增加，最終將超出由于減小孤立石墨烯片邊緣上懸鍵所帶來的能量降低，相應的納邊緣上懸鍵所帶來的能量降低，相應的納米碳管的能量也就高出石墨烯片的能量。米碳管的能量也就高出石墨烯片的能量。隨著單壁納米碳管直徑變大，曲率變小，隨著單壁納米碳管直徑變大，曲率變小，能量也就逐漸趨于穩(wěn)定的石墨狀態(tài)。能量也就逐漸趨于穩(wěn)定的石墨狀態(tài)。54理論計算結(jié)果理論計算結(jié)果G.G.Tibb

45、etts計算了石墨烯片層彎曲產(chǎn)生的應計算了石墨烯片層彎曲產(chǎn)生的應力能：力能： 是應力能，是應力能，E為彈性模量，為彈性模量，R、L、a分別為分別為曲率半徑、柱體長度和石墨層間距。曲率半徑、柱體長度和石墨層間距。 石墨烯彎曲而產(chǎn)生的應力與其曲率半徑石墨烯彎曲而產(chǎn)生的應力與其曲率半徑成反比。成反比。RELa12355理論計算結(jié)果理論計算結(jié)果如果考慮每個碳原子因彎曲而增加的應力能，如果考慮每個碳原子因彎曲而增加的應力能，則其公式為：則其公式為： N表示體積內(nèi)總原子數(shù)，表示體積內(nèi)總原子數(shù)，為碳原子的為碳原子的面積。面積。 這一結(jié)果與采用經(jīng)驗多體勢方法這一結(jié)果與采用經(jīng)驗多體勢方法（empirical p

46、otential method）得到的計）得到的計算結(jié)果一致。算結(jié)果一致。2324REaNEc56計算結(jié)論計算結(jié)論直徑小于直徑小于1.8nm的納米碳管，因石墨烯彎的納米碳管，因石墨烯彎曲使碳原子產(chǎn)生的應力能和其直徑平方成曲使碳原子產(chǎn)生的應力能和其直徑平方成反比；直徑大于反比；直徑大于1.8nm的納米碳管，碳原的納米碳管，碳原子的能量基本接近于石墨烯片層的能量。子的能量基本接近于石墨烯片層的能量。其它計算也表明在納米碳管中，應力能和其它計算也表明在納米碳管中，應力能和成鍵能相互抵消，達到能量平衡狀態(tài)。成鍵能相互抵消，達到能量平衡狀態(tài)。57較小納米碳管的穩(wěn)定性問題較小納米碳管的穩(wěn)定性問題究竟多大直

47、徑的納米碳究竟多大直徑的納米碳管才是穩(wěn)定的管才是穩(wěn)定的?即穩(wěn)定即穩(wěn)定碳管的極限直徑是多少碳管的極限直徑是多少? 這是納米碳管研這是納米碳管研究中一個非常令人感興究中一個非常令人感興趣的問題。趣的問題。58極限直徑？極限直徑？N.Hamada等在等在1992年預言，最小納米碳管的直年預言，最小納米碳管的直徑約為徑約為0.6nm。1991年，飯島觀察到的多壁納米碳管的直徑約為年，飯島觀察到的多壁納米碳管的直徑約為2nm。1992年年P(guān).M.Ajayan等觀察到直徑約為等觀察到直徑約為0.7nm的納的納米碳管，并且認為這是直徑最小的納米碳管，因米碳管，并且認為這是直徑最小的納米碳管，因為和為和C60

48、相當且認為納米碳管是從相當且認為納米碳管是從C60籠狀結(jié)構(gòu)得籠狀結(jié)構(gòu)得到的。到的。此后人們認為直徑最小的納米碳管應該為此后人們認為直徑最小的納米碳管應該為0.7 nm新的實驗觀察發(fā)現(xiàn)了更小的碳管。新的實驗觀察發(fā)現(xiàn)了更小的碳管。 59我國國際先進水平我國國際先進水平2000年，解思深組利用常規(guī)電弧放電方法制備出內(nèi)徑為0.5nm的碳納米管。同年，香港科技大學的湯子康博士即宣布發(fā)現(xiàn)了世界上最細的純碳納米管0.4nm碳管，這一結(jié)果已達到碳納米管的理論極限值。 60我國國際先進水平我國國際先進水平直徑為直徑為0.4nm的單壁碳管和的單壁碳管和C20的直徑相當。的直徑相當。更小直徑的納米碳管已不能穩(wěn)定存在

49、，但更小直徑的納米碳管已不能穩(wěn)定存在，但在某些條件下仍然可以觀察到，如北京大在某些條件下仍然可以觀察到，如北京大學彭練矛研究員通過電子顯微鏡在溫度高學彭練矛研究員通過電子顯微鏡在溫度高于于1100非平衡條件下觀察到了直徑約非平衡條件下觀察到了直徑約0.33nm的單壁碳管。的單壁碳管。61納米碳管的特性與應用納米碳管的特性與應用納米碳管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完納米碳管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有許多異常的力學、電磁學和化學性能。美，具有許多異常的力學、電磁學和化學性能。納米碳管作為場發(fā)射電子源用于微型電子元件、微型齒輪、納米碳管作為場發(fā)射電子源用于微型電子

50、元件、微型齒輪、雷達波吸收材料等存在巨大的潛力。雷達波吸收材料等存在巨大的潛力。通過化學修飾方法，如取代、加成、包合、氧化、還原等通過化學修飾方法，如取代、加成、包合、氧化、還原等對納米碳管表面或管內(nèi)進行修飾，達到改善納米碳管強度、對納米碳管表面或管內(nèi)進行修飾，達到改善納米碳管強度、導電、光學和磁性等性能的目的，并有望使其成為光導材導電、光學和磁性等性能的目的，并有望使其成為光導材料、非線性光學材料、新型發(fā)光材料、軟鐵磁材料和理想料、非線性光學材料、新型發(fā)光材料、軟鐵磁材料和理想的分子載體等。的分子載體等。研究人員已經(jīng)將活性物質(zhì)植入納米碳管中，將其作為生物研究人員已經(jīng)將活性物質(zhì)植入納米碳管中，

51、將其作為生物傳感器，有望攻克長期困擾人們的各種疑難病癥。傳感器，有望攻克長期困擾人們的各種疑難病癥。62電磁特性電磁特性 由于結(jié)構(gòu)不同，納米碳管可能是導體、也由于結(jié)構(gòu)不同，納米碳管可能是導體、也可能是半導體可能是半導體.Saito等人經(jīng)理論分析認為等人經(jīng)理論分析認為,根據(jù)納米碳管的根據(jù)納米碳管的直徑和螺旋角度直徑和螺旋角度,大約有大約有1/3是金屬導電性的是金屬導電性的,而而2/3是半導體性的是半導體性的.圓柱形納米碳管軸向具圓柱形納米碳管軸向具有良好的導電性有良好的導電性,對于手性納米碳管、線圈對于手性納米碳管、線圈形納米碳管形納米碳管,當層面發(fā)生彎曲或不連續(xù)時當層面發(fā)生彎曲或不連續(xù)時,導導

52、電性中斷電性中斷.多層納米碳管相鄰兩層間的作用多層納米碳管相鄰兩層間的作用不會破壞各自的金屬或半導體性不會破壞各自的金屬或半導體性.沿軸向納沿軸向納米碳管的電阻率遠遠小于徑向電阻率。米碳管的電阻率遠遠小于徑向電阻率。63電磁特性電磁特性Dai等人指出等人指出,完美納米碳管的電阻要比有缺完美納米碳管的電阻要比有缺陷的小一個數(shù)量級陷的小一個數(shù)量級.Huang等人認為等人認為,0.7nm的碳管應該有超導性的碳管應該有超導性.現(xiàn)在已經(jīng)被證實現(xiàn)在已經(jīng)被證實.Wang等人研究了其磁性能后發(fā)現(xiàn)等人研究了其磁性能后發(fā)現(xiàn),其軸向其軸向磁感應系數(shù)是徑向的磁感應系數(shù)是徑向的1.1倍倍,超出超出C60近近30倍倍.S

53、malley教授認為教授認為,納米碳管將是未來高強納米碳管將是未來高強度纖維的首選材料度纖維的首選材料,將被廣泛用于超微導線、將被廣泛用于超微導線、超微開關(guān)以及納米級電子線路等超微開關(guān)以及納米級電子線路等. 64力學性能力學性能納米碳管具有極高的強度、韌性和彈性模納米碳管具有極高的強度、韌性和彈性模量。其模量可達量。其模量可達1TPa，與金剛石的彈性模，與金剛石的彈性模量幾乎相同，約為鋼的量幾乎相同，約為鋼的5倍。其彈性應變約倍。其彈性應變約為為5，最高可達，最高可達12，是鋼的，是鋼的60倍。納米倍。納米碳管無論是強度還是韌性都遠遠超過任何碳管無論是強度還是韌性都遠遠超過任何纖維材料。將納米

54、碳管作為復合材料增強纖維材料。將納米碳管作為復合材料增強體，可表現(xiàn)出良好的強度、彈性、抗疲勞體，可表現(xiàn)出良好的強度、彈性、抗疲勞性及各向同性，這可能帶來復合材料性能性及各向同性，這可能帶來復合材料性能的一次飛躍。的一次飛躍。 65力學性能的測量力學性能的測量要直接確定納米碳管的力學性能在技術(shù)上要直接確定納米碳管的力學性能在技術(shù)上仍有一定的難度。自從納米碳管被發(fā)現(xiàn)以仍有一定的難度。自從納米碳管被發(fā)現(xiàn)以來，研究人員就采用多種方法（理論計算來，研究人員就采用多種方法（理論計算和實驗檢驗相結(jié)合）對納米碳管的各種性和實驗檢驗相結(jié)合）對納米碳管的各種性能進行廣泛地研究。對單一納米結(jié)構(gòu)的力能進行廣泛地研究。

55、對單一納米結(jié)構(gòu)的力學性能測量，根本問題是如何固定具有納學性能測量，根本問題是如何固定具有納米尺度直徑的納米碳管或納米纖維。我國米尺度直徑的納米碳管或納米纖維。我國科學家在此領(lǐng)域也作出了很大的貢獻。科學家在此領(lǐng)域也作出了很大的貢獻。 66力學性能的測量力學性能的測量中科院物理所謝思深研究員（院士）小組用一種中科院物理所謝思深研究員（院士）小組用一種特殊的小樣品拉伸裝置，直接測量了宏觀體納米特殊的小樣品拉伸裝置，直接測量了宏觀體納米碳管的彈性模量。它們測得納米碳管的彈性模量碳管的彈性模量。它們測得納米碳管的彈性模量為為0.30.6TPa，約為鋼的，約為鋼的10倍，拉伸強度為倍，拉伸強度為36GPa

56、。成會明研究小組將催化裂解法制備的單壁納米碳成會明研究小組將催化裂解法制備的單壁納米碳管束同有機物混合制成復合纖維，并直接檢測了管束同有機物混合制成復合纖維，并直接檢測了這種復合纖維的力學性能，得到的平均抗拉強度這種復合纖維的力學性能，得到的平均抗拉強度高達高達3.6GPa0.4GPa，同碳纖維接近。根據(jù)單，同碳纖維接近。根據(jù)單壁納米碳管在復合纖維中的體積比，可推算出抗壁納米碳管在復合纖維中的體積比，可推算出抗拉強度約為拉強度約為2.30.2GPa14.21.4GPa而單根而單根單壁納米碳管的強度約為單壁納米碳管的強度約為22.22.2GPa.67優(yōu)異的物理性能優(yōu)異的物理性能,Why?彈性模量

57、的物理本質(zhì)表征著原子間的結(jié)合力。優(yōu)彈性模量的物理本質(zhì)表征著原子間的結(jié)合力。優(yōu)異的力學性能，同其結(jié)構(gòu)以及原子之間的結(jié)合力異的力學性能，同其結(jié)構(gòu)以及原子之間的結(jié)合力有密切關(guān)系。有密切關(guān)系。在納米碳管中，碳原子之間通過較強的共價鍵結(jié)在納米碳管中，碳原子之間通過較強的共價鍵結(jié)合，碳原子最外層的合，碳原子最外層的3個電子通過個電子通過SP2雜化，產(chǎn)生雜化，產(chǎn)生3個能級相同的軌道與其他碳原子形成結(jié)合力較個能級相同的軌道與其他碳原子形成結(jié)合力較強的強的鍵。另外一個電子也可以和其他原子形成鍵。另外一個電子也可以和其他原子形成鍵。鍵。鍵使納米碳管形成獨特、穩(wěn)定的微觀管狀鍵使納米碳管形成獨特、穩(wěn)定的微觀管狀結(jié)構(gòu)。

58、結(jié)構(gòu)。68熱學性能熱學性能 比熱容和熱導率是衡量納米碳管熱學性能的兩個比熱容和熱導率是衡量納米碳管熱學性能的兩個指標。指標。謝思深小組為了研究納米碳管的熱學性能，開發(fā)謝思深小組為了研究納米碳管的熱學性能，開發(fā)了一種同時測量細條狀導電樣品的熱導率和比熱了一種同時測量細條狀導電樣品的熱導率和比熱容的容的3W法。這種測量方法使得熱學性能的測量如法。這種測量方法使得熱學性能的測量如同電阻的測量那樣簡單容易。對于鉑絲的測量結(jié)同電阻的測量那樣簡單容易。對于鉑絲的測量結(jié)果證明了這種方法是簡單、正確和可靠的，用來果證明了這種方法是簡單、正確和可靠的，用來測量極微量樣品的熱導率和比熱容，優(yōu)于常規(guī)方測量極微量樣品

59、的熱導率和比熱容，優(yōu)于常規(guī)方法。法。69光學性能光學性能 最近幾年，國外有文獻報道，納米碳管具最近幾年，國外有文獻報道，納米碳管具有良好的場發(fā)射性能，這主要取決于它的有良好的場發(fā)射性能，這主要取決于它的結(jié)構(gòu)特點和力學、電學性能。結(jié)構(gòu)特點和力學、電學性能。70光學性能光學性能納米碳管是良好的導體，并且載流能力特別大，納米碳管是良好的導體，并且載流能力特別大，能夠承受較大的場發(fā)射電流。相關(guān)研究表明，能夠承受較大的場發(fā)射電流。相關(guān)研究表明，納米碳管作為陰極可以產(chǎn)生納米碳管作為陰極可以產(chǎn)生4A/cm2的電流密度。的電流密度。單壁納米碳管的直徑可以小到單壁納米碳管的直徑可以小到1nm左右，如此左右，如此

60、小的尺寸可以在低的工作電壓下即可產(chǎn)生較大小的尺寸可以在低的工作電壓下即可產(chǎn)生較大的局部場強，從而發(fā)射電子。的局部場強，從而發(fā)射電子。納米碳管的化學性質(zhì)穩(wěn)定，不易與其他物質(zhì)反納米碳管的化學性質(zhì)穩(wěn)定，不易與其他物質(zhì)反應，并且機械強度高、韌性好，在場發(fā)射過程應，并且機械強度高、韌性好，在場發(fā)射過程中不易發(fā)生折斷或形變，并且不要求過高的真中不易發(fā)生折斷或形變，并且不要求過高的真空度。空度。 71實驗結(jié)果實驗結(jié)果1995年，年，de Heer首先研究了納米碳管的場發(fā)射首先研究了納米碳管的場發(fā)射行為，結(jié)果表明納米碳管在場發(fā)射方面具有潛在行為，結(jié)果表明納米碳管在場發(fā)射方面具有潛在的應用；的應用；1996年，