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文档介绍：碳纳米管简介
潘春旭
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1. 什么是碳纳米管?
1991 年日本 NEC 公司的饭岛纯雄(Sumio Iijima)首次利用电子显微镜观察到中空的碳纤维,直径
一般在几纳米到几十个纳米之间,长度为数微米,甚至毫米,称为“碳纳米管”。理论分析和实验观
察认为它是一种由六角网状的石墨烯片卷成的具有螺旋周期管状结构。正是由于饭岛的发现才真正
引发了碳纳米管研究的热潮和近十年来碳纳米管科学和技术的飞速发展。
按照石墨烯片的层数,可分为:
1) 单壁碳纳米管(Single-walled nanotubes, SWNTs):由一层石墨烯片组成。单壁管典型的直
径和长度分别为 ~3nm 和 1~50μm。又称富勒管(Fullerenes tubes)。
2) 多壁碳纳米管(Multi-walled nanotubes, MWNTs):含有多层石墨烯片。形状象个同轴电缆。
其层数从 2~50 不等,层间距为 ±,与石墨层间距()相当。多壁管的典
型直径和长度分别为 2~30nm 和 ~50μm。
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。无论是多壁管还是单
壁管都具有很高的长径比,一般为 100~
1000,最高可达 1000~10000,完全可以
认为是一维分子图 1 碳纳米管原子排列结构示意图
2. 碳纳米管的独特性质
1) 力学性能
碳纳米管的抗拉强度达到 50~200GPa,是钢的 100 倍,密度却只有钢的 1/6,至少比常规石墨纤
维高一个数量级。它是最强的纤维,在强度与重量之比方面,这种纤维是最理想的。如果用碳纳米
管做成绳索,是迄今唯一可从月球挂到地球表面而不会被自身重量拉折的绳索,如果用它做成地球
——月球载人电梯,人们来往月球和地球献方便了。用这种轻而柔软、结实的材料做防弹背心那就
更加理想了。
除此以外,它的高弹性和弯曲刚性估计可以由超过兆兆帕的杨氏模量的热振幅测量证实。对于
具有理想结构的单层壁的碳纳米管,其抗拉强度约 800GPa;对于多层壁,理论计算太复杂,难于给
出一确定的值。碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似,但其结构却比高分子材料稳定得多。
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在大气氧化条件下,碳纳米管在 973K 的温度下失重很少,结构基本没有发生变化。碳纳米管在酸、
碱的长时间浸泡下,结构基本不发生破坏。
人们还预言,碳纳米管只会在非常高的应变(15%—20%)状况才会破坏。在动力学