文档介绍：太空电梯- 未来的地球-太空班车
“太空电梯”工作原理图
CNT-based Cable
力学性能
before test
after test
杨氏模量 1~5 TPa,与石墨片层相当(),
比碳纤维高一个数量级,约为钢的100
倍, 而密度仅为钢的1/6
拉伸强度 10~150GPa,,是
高强钢的20倍
韧性拉伸形变至40%无明显脆性行为、塑性
形变和断裂
MWNT tensile test
SWNT tensile test
before test
after test
E 15 GPa
E = 120±10 GPa
σ= 116±10 MPa
简史
~1985 Bacon和Endo在碳纤维合成过程中,可能已经制备出并观察到了碳
纳米管,但研究不够系统和深入
1985 Kroto, Smalley和Curl (1996年Nobel Prize)发现并系统研究了富勒烯,
从而激励了对碳纳米材料的系统研究,直接促进了碳纳米管的发现
1991 Iijima (NEC, Japan)利用HRTEM观察到了碳纳米管状结构-多壁碳
纳米管(MWNT)
1992 前苏联科学家也独立发现了碳纳米管,但结果发表在俄语杂志上
1993 Iijima (NEC, Japan)和Bethune (IBM, USA)的研究组各自独立发现了
单壁碳纳米管(SWNT)
结构
SWNT
管壁由单石墨片层卷绕而成,两侧由富勒烯半球封端
根据卷绕方式(n, m)的不同,SWNT可分为
armchair n = m
zigzag n = 0
chiral n ≠ m, m ≠ 0
根据电子结构的不同,SWNT可分为
金属性(n-m)/3为整数
半导体性(n-m)/3为非整数
单石墨片层
armchair型SWNT
zigzag型SWNT
chiral型SWNT
MWNT
可视为“同轴多层碳圆柱体的组装体”– Russian doll
层间距~ nm ( nm)
多层碳圆柱体间由弱的Van de Waals力提供绑缚力
结构(续)
SWNT
MWNT
STM照片
TEM照片
合成方法
电弧放电法(Arc-Discharge)
以掺有过渡金属(如Fe, Co, Ni, Mo等)或
其氧化物的石墨为电极,在惰性气体环境中,
电弧放电,消耗阳极石墨,在阴极上生成碳
纳米管
电压- 12~25 V; 电流- 50~120 A; 电极间
隙- ~1 mm
最早应用的碳纳米管合成方法
可生产SWNT和MWNT
简单、快速,制得的碳纳米管直而管径较细
碳纳米管易烧结成束,难于分离和提纯,收
率较低
合成方法(续)
激光烧蚀法(Laser Ablation)
惰性气氛中,利用激光的高能量蒸发石墨靶(含金属催化剂)来合成碳纳米管
可生产SWNT和MWNT
所得碳纳米管品质高,结构完整,缺陷较少,适合生长SWNT
成本高,收率低
合成方法(续)
典型的化学气相沉积工艺
化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition, CVD)
利用纳米尺度的过渡金属或其氧化物为催化剂,在相对较低的温度(500-1200℃)下热解碳
源气体(甲烷、乙炔、乙烯、丙烯、苯和一氧化碳等)来合成碳纳米管
可生产SWNT和MWNT
成本低,收率高,可大量生产
碳纳米管的管径在很大程度上依赖于催化剂颗粒的成分和尺寸,分布较宽;较多的结晶
缺陷,石墨化程度较低,常发生弯曲和变形,管端和管壁上包有催化剂颗粒