碳納米材料及其應(yīng)用

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1、碳 納 米 材 料 及 其 應(yīng) 用 碳 納 米 材 料 及 其 應(yīng) 用 關(guān) 于 納 米 材 料 幾 種 碳 納 米 材 料 的 研 究 及 應(yīng) 用 石 墨 烯 富 勒 烯 （ 以 C60為 例 ） 碳 納 米 管 納 米 材 料 納 米 材 料 納 米 材 料 是 指 在 三 維 空 間 中 至 少 有 一 維 處 于 納 米 尺 寸 (0.1-100 nm)或 由 它 們 作 為 基 本 單 元 構(gòu) 成的 材 料 由 于 納 米 尺 寸 的 物 質(zhì) 具 有 與 宏 觀 物 質(zhì) 所 迥 異 的 表 面 效 應(yīng) 、 小 尺 寸 效 應(yīng) 、 宏 觀 量 子 隧 道 效 應(yīng) 和 量子 限 域 效 應(yīng)

2、 ， 因 而 納 米 材 料 具 有 異 于 普 通 材 料 的 光 、 電 、 磁 、 熱 、 力 學(xué) 、 機(jī) 械 等 性 能 。 納 米 材 料 的 性 能往 往 由 量 子 力 學(xué) 決 定 。應(yīng) 用 領(lǐng) 域 ： 1、 天 然 納 米 材 料 ： 生 物 學(xué) 家 在 研 究 鴿 子 、 海 豚 、 蝴 蝶 、 蜜 蜂 等 生 物 為 什 么 從 來 不 會 迷 失 方 向時 ， 也 發(fā) 現(xiàn) 這 些 生 物 體 內(nèi) 同 樣 存 在 著 納 米 材 料 為 它 們 導(dǎo) 航 。 2、 納 米 磁 性 材 料 ： 納 米 粒 子 尺 寸 小 ， 具 有 單 磁 疇 結(jié) 構(gòu) 和 矯 頑 力 很 高

3、的 特 性 ， 用 它 制 成 的 磁 記 錄材 料 不 僅 音 質(zhì) 、 圖 像 和 信 噪 比 好 ， 而 且 記 錄 密 度 比 -Fe2O3高 幾 十 倍 。 3、 納 米 陶 瓷 材 料 ： 納 米 陶 瓷 的 晶 粒 尺 寸 小 ， 晶 粒 容 易 在 其 他 晶 粒 上 運(yùn) 動 ， 因 此 ， 納 米 陶 瓷 材 料具 有 極 高 的 強(qiáng) 度 和 高 韌 性 以 及 良 好 的 延 展 性 ， 這 些 特 性 使 納 米 陶 瓷 材 料 可 在 常 溫 或 次 高 溫 下 進(jìn) 行 冷 加 工 。 4、 納 米 傳 感 器 ： 納 米 二 氧 化 鋯 、 氧 化 鎳 、 二 氧 化

4、鈦 等 陶 瓷 對 溫 度 變 化 、 紅 外 線 以 及 汽 車 尾 氣 都 十 分 敏 感 。 因 此 ， 可 以 用 它 們 制 作 溫 度 傳 感 器 、 紅 外 線 檢 測 儀 和 汽 車 尾 氣 檢 測 儀 ， 檢 測 靈 敏 度 比 普 通 的同 類 陶 瓷 傳 感 器 高 得 多 。 5、 納 米 催 化 材 料 ： 納 米 粒 子 是 一 種 極 好 的 催 化 劑 ， 這 是 由 于 納 米 粒 子 尺 寸 小 、 表 面 的 體 積 分 數(shù)較 大 、 表 面 的 化 學(xué) 鍵 狀 態(tài) 和 電 子 態(tài) 與 顆 粒 內(nèi) 部 不 同 、 表 面 原 子 配 位 不 全 ， 導(dǎo) 致

5、 表 面 的 活 性 位 置 增 加 ， 使它 具 備 了 作 為 催 化 劑 的 基 本 條 件 。 石 墨 烯 石 墨 烯 是 一 種 平 面 單 層 緊 密 打 包 成 一 個 二 維 （ 2D） 蜂 窩 晶 格 的 碳 原 子 ， 并 且 是 所 有 其 他 維 度的 石 墨 材 料 的 基 本 構(gòu) 建 模 塊 。 它 可 以 被 包 裝 成 零 維 （ 0D） 的 富 勒 烯 ， 卷 成 了 一 維 （ 1D） 的 納 米 管 或 堆疊 成 三 維 （ 3D） 的 石 墨 7。 石 墨 烯 由 碳 原 子 形 成 的 原 子 尺 寸 蜂 巢 晶 格 結(jié) 構(gòu) 如 圖 4-1所 示 。

6、石 墨 烯 的 結(jié) 構(gòu) 非 常 穩(wěn) 定 ， 碳 碳 鍵 僅 為 1.42。 石 墨 烯 內(nèi) 部 的 碳 原 子 之 間 的 連 接 很 柔 韌 ， 當(dāng) 施 加外 力 于 石 墨 烯 時 ， 碳 原 子 面 會 彎 曲 變 形 ， 使 得 碳 原 子 不 必 重 新 排 列 來 適 應(yīng) 外 力 ， 從 而 保 持 結(jié) 構(gòu) 穩(wěn) 定 。這 種 穩(wěn) 定 的 晶 格 結(jié) 構(gòu) 使 石 墨 烯 具 有 優(yōu) 秀 的 導(dǎo) 熱 性 。 另 外 ， 石 墨 烯 中 的 電 子 在 軌 道 中 移 動 時 ， 不 會 因 晶格 缺 陷 或 引 入 外 來 原 子 而 發(fā) 生 散 射 。 極 強(qiáng) 的 導(dǎo) 電 性 、 導(dǎo)

7、 熱 性 和 機(jī) 械 性 能 （ 其 強(qiáng) 度 是 普 通 鋼 鐵 的 200倍 ） 幾 種 制 備 方 法1.機(jī) 械 剝 離 法優(yōu) 點 ： 制 備 成 本 非 常 低 （ 幾 乎 可 忽 略 ） ， 易 于 學(xué) 習(xí) ，且 此 法 得 到 的 石 墨 烯 質(zhì) 量 非 常 好 好 ， 缺 陷 少 ， 性 能 優(yōu)異缺 點 ： 得 到 的 石 墨 烯 尺 寸 很 小 ， 一 般 在 10-100um之 間 ，而 且 完 全 不 可 能 大 規(guī) 模 制 備3.氧 化 石 墨 還 原 法優(yōu) 點 ： 方 法 較 簡 單 ， 原 料 成 本 不 高 ， 基 本 沒 有 設(shè) 備 成本 ， 且 易 于 規(guī) 模 制

8、 備缺 點 ： 此 法 得 到 的 石 墨 烯 缺 陷 非 常 多 ， 電 學(xué) 、 力 學(xué) 性能 都 較 差4.CVD， 化 學(xué) 氣 相 沉 積 法優(yōu) 點 ： 單 次 生 長 尺 寸 可 以 很 大 （ 將 近 20寸 ） ， 有 可 能規(guī) 模 化 生 產(chǎn) ， 且 生 長 得 到 的 石 墨 烯 性 能 很 好 缺 陷 少 缺 點 ： 轉(zhuǎn) 移 是 難 題 ， 而 且 生 長 出 來 的 一 般 都 是 多 晶 應(yīng) 用 及 發(fā) 展 前 景1、 制 造 下 一 代 超 級 計 算 機(jī) 。 石 墨 烯 是 目 前 已 知 導(dǎo) 電 性 能 最好 的 材 料 ， 這 種 特 性 尤 其 適 合 于 高

9、頻 電 路 ， 石 墨 烯 將 是 硅的 替 代 品 ， 可 用 來 生 產(chǎn) 未 來 的 超 級 計 算 機(jī) ， 使 電 腦 運(yùn) 行 速度 更 快 、 能 耗 降 低 。2、 可 作 為 液 晶 顯 示 材 料 。 石 墨 烯 是 一 種 “ 透 明 ” 的 導(dǎo) 體 ，可 以 用 來 替 代 現(xiàn) 在 的 液 晶 顯 示 材 料 ， 用 于 生 產(chǎn) 下 一 代 電 腦 、電 視 、 手 機(jī) 的 顯 示 屏 。3、 制 造 晶 體 管 集 成 電 路 。 石 墨 烯 可 取 代 硅 成 為 下 一 代 超 高頻 率 晶 體 管 的 基 礎(chǔ) 材 料 ， 而 廣 泛 應(yīng) 用 于 高 性 能 集 成 電

10、 路 和新 型 納 米 電 子 器 件 中 。4、 制 造 醫(yī) 用 消 毒 品 和 食 品 包 裝 。 中 國 科 研 人 員 發(fā) 現(xiàn) 細(xì) 菌 的細(xì) 胞 在 石 墨 烯 上 無 法 生 長 ， 而 人 類 細(xì) 胞 卻 不 會 受 損 。 利 用石 墨 烯 的 這 一 特 性 可 以 制 作 繃 帶 ， 食 品 包 裝 ， 也 可 生 產(chǎn) 抗 菌 服 裝 、 床 上 用 品 等 。 以 C60為 代 表 的 富 勒 烯 富 勒 烯 (Fullerene)是 一 種 完 全 由 碳 組 成 的 中 空 分 子 ， 形 狀 呈 球 型 、 橢 球 型 、 柱 型 或 管 狀 。富 勒 烯 在 結(jié) 構(gòu)

11、 上 與 石 墨 很 相 似 ， 石 墨 是 由 六 元 環(huán) 組 成 的 石 墨 烯 層 堆 積 而 成 ， 而 富 勒 烯 不 僅 含 有 六 元環(huán) 還 有 五 元 環(huán) ， 偶 爾 還 有 七 元 環(huán) 。 巴 克 明 斯 特 富 勒 烯 （ 英 語 ： Buckminsterfullerene） ， 分 子 式 C60， 是 富 勒 烯 家 族 的 一 種 ， 球狀 分 子 ， 是 最 容 易 得 到 、 最 容 易 提 純 和 最 廉 價 的 一 種 ， 因 此 C60及 其 衍 生 物 是 被 研 究 和 應(yīng) 用 最 多 的 富勒 烯 。 通 過 質(zhì) 譜 分 析 、 X射 線 分 析 后

12、 證 明 ， C60的 分 子 結(jié) 構(gòu) 為 球 形 32面 體 ， 它 是 由 60個 碳 原 子 通 過 20個 六 元 環(huán) 和 12個 五 元 環(huán) 連 接 而 成 的 具 有 30個 碳 碳 雙 鍵 的 足 球 狀 空 心 對 稱 分 子 ， 所 以 ， 富 勒 烯 也 被 稱為 足 球 烯 。 1、 護(hù) 膚 品 添 加 劑 ： 由 于 富 勒 烯 能 夠 親 和 自 由 基 ， 因此 個 別 商 家 將 水 溶 性 富 勒 烯 分 散 于 化 妝 品 ， 但 是 效 果一 般 且 價 格 昂 貴 。2、 有 機(jī) 太 陽 能 電 池 ： 自 1995年 俞 剛 博 士 將 富 勒 烯 的衍

13、 生 物 PCBM（ 6,6-phenyl-C61-butyric acid methyl ester， 簡 稱 PC61BM或 PCBM） 用 于 本 體 異 質(zhì) 結(jié)有 機(jī) 太 陽 能 電 池 以 來 ， 有 機(jī) 太 陽 能 電 池 得 到 了 長 足 的發(fā) 展 ， 其 中 有 三 家 公 司 已 經(jīng) 將 摻 雜 PCBM的 有 機(jī) 太 陽 能電 池 商 用 ， 迄 今 大 部 分 有 機(jī) 太 陽 能 電 池 以 富 勒 烯 做 為電 子 受 體 材 料 。3、 C60， 在 醫(yī) 學(xué) 上 可 以 控 制 甚 至 可 以 殺 死 癌 細(xì) 胞 ， 其衍 生 物 可 以 輔 助 治 療 艾 滋 病

14、 （ 尚 處 于 試 驗 階 段 。4、 在 重 工 業(yè) 領(lǐng) 域 ， 可 以 作 為 潤 滑 油 的 添 加 劑 ， 提 高其 潤 滑 性 能 ， 滿 足 一 些 機(jī) 械 設(shè) 備 的 潤 滑 要 求 碳 納 米 管 碳 納 米 管 （ 英 語 ： Carbon Nanotube， 縮 寫 CNT） 是 在 1991年 1月 由 日 本 筑 波 NEC實 驗 室 的 物 理 學(xué) 家 飯 島澄 男 使 用 高 分 辨 透 射 電 子 顯 微 鏡 從 電 弧 法 生 產(chǎn) 的 碳 纖 維 中 發(fā) 現(xiàn) 的 。 它 是 一 種 管 狀 的 碳 分 子 ， 管 上 每 個 碳 原 子采 取 sp2雜 化 ，

15、 相 互 之 間 以 碳 -碳 鍵 結(jié) 合 起 來 ， 形 成 由 六 邊 形 組 成 的 蜂 窩 狀 結(jié) 構(gòu) 作 為 碳 納 米 管 的 骨 架 。 每 個碳 原 子 上 未 參 與 雜 化 的 一 對 p電 子 相 互 之 間 形 成 跨 越 整 個 碳 納 米 管 的 共 軛 電 子 云 。 優(yōu) 秀 的 力 學(xué) 性 能 ， 高 強(qiáng) 度 、 較 小 的 密 度 ， 良 好 的 柔 韌 性 ， 優(yōu) 秀 的 導(dǎo) 電 導(dǎo) 熱 性 。 1、 在 復(fù) 合 材 料 中 的 應(yīng) 用 ： 碳 納 米 管 除 具 有 一 般 納 米 粒 子 的 尺 寸效 應(yīng) 外 ， 還 具 有 力 學(xué) 強(qiáng) 度 大 、 柔

16、韌 性 好 、 電 導(dǎo) 率 高 等 獨(dú) 特 的 性 質(zhì) ，成 為 聚 合 物 復(fù) 合 材 料 理 想 的 增 強(qiáng) 體 ， 在 化 工 、 機(jī) 械 、 電 子 、 航 空 、航 天 等 領(lǐng) 域 具 有 廣 泛 的 應(yīng) 用 。2、 納 米 碳 管 是 一 種 很 好 的 儲 氫 材 料3、 在 二 次 電 池 和 超 級 電 容 器 中 的 應(yīng) 用 ： 在 性 能 更 好 的 鋰 離 子 電池 中 ， 碳 納 米 管 可 以 作 為 電 池 的 負(fù) 極 材 料 ， 使 電 池 有 更 好 的 鋰 嵌入 量 和 鋰 脫 嵌 可 逆 性 。4、 碳 納 米 管 尺 寸 小 、 比 表 面 積 大 ，

17、通 過 對 它 的 修 飾 可 以 得 到 很好 的 催 化 劑 。 碳 納 米 材 料 是 納 米 材 料 領(lǐng) 域 重 要 的 組 成 部 分 ， 在 物 理 化 學(xué) 、 材 料科 學(xué) 、 機(jī) 械 工 程 、 電 子 工 程 和 生 物 醫(yī) 學(xué) 工 程 等 領(lǐng) 域 具 有 潛 在 的 應(yīng) 用 ， 應(yīng) 該進(jìn) 一 步 深 入 系 統(tǒng) 研 究 。 我 們 有 理 由 相 信 ， 隨 著 研 究 的 不 斷 深 入 ， 碳 納 米 材料 將 極 大 地 造 福 于 人 類 。 納 米 技 術(shù) 正 成 為 各 國 科 技 界 所 關(guān) 注 的 焦 點 ， 正 如 錢 學(xué) 森 院 士 所 預(yù)言 的 那 樣 ： “ 納 米 左 右 和 納 米 以 下 的 結(jié) 構(gòu) 將 是 下 一 階 段 科 技 發(fā) 展 的 特 點 ，會 是 一 次 技 術(shù) 革 命 ， 從 而 將 是 21世 紀(jì) 的 又 一 次 產(chǎn) 業(yè) 革 命 。