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主讲教师:丁秉钧
西安交通大学,理学院
XI’ANJIAOTONGUNIVERSITY
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第八章碳纳米材料 ——纳米材料中的变脸
Graphene
2004制备
2010获奖
C60
1985发现
1996获奖
andgraphene
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提纲
第一节碳,纳米材料中不可或缺的一员
第二节金刚石,富勒烯C60(Diamond&Fullerene)
第三节碳纳米管(Carbonnanotube,orCNT)
第四节石墨烯(Graphene)
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第一节碳,纳米材料中不可或缺的一员
碳是一种很常见的元素,它以多种形式广泛存在于大气和地壳之中。它在地球中的丰度居元素的第14位。碳单质很早就被人认识和利用,碳的一系列化合物——有机物更是生命的根本。碳是生铁、熟铁和钢的成分之一。碳能在化学上自我结合而形成大量化合物,在生物上和商业上是重要的分子。生物体内大多数分子都含有碳元素。
本章只讨论碳单质纳米材料
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单质碳纳米材料的分类
富勒烯,或巴基球(C50、C60、C70、C76、C80、C82、C84、C90、C94等)
碳纳米管(单壁,多壁)
洋葱碳及其相关结构
纳米金刚石
金刚石薄膜
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碳的同素异性体
碳的同素异形体“相”图
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碳纳米材料的结构和化学键
碳原子的核外电子层结构:1s22s22p2
可能的三种杂化形式:sp、sp2和sp3(spn杂化)
以共价键方式结合:单键,双键和叁键
原子可按链型、环形、网状等互相形成各类结构碳材料
存在各种形态的原因——化学键
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石墨及其结构
石墨的结构早在1917年就已经被Debye,Scherrer,Grimm,Otto,和Bernal等人标定证明了。
石墨的基本组成单元为石墨烯(graphene)
在石墨烯中,每个碳原子都占据一个六边形的顶角。由于sp2杂化,每个碳原子都有三个σ键。键的沿着六边形的边方向与邻近三个原子相连,组成一个二维的原子面
多层石墨烯靠范德华力结合在一起,行成层状结构的石墨
石墨烯通过ABABA的堆积方式行成了六角柱型石墨结构,被称为a石墨
石墨烯通过ABCABCA的堆积方式形成了斜方六面体结构,被称为b石墨
石墨烯内的最近邻原子间距:
石墨片层间距:(约为2倍范德华半径),所以石墨片层间很容易滑动,被用作固体润滑剂
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石墨的成因和产状
天然石墨:石墨是在高温下形成。分布最广是石墨的变质矿床,系由富含有机质或碳质的沉积岩经区域变质作用而成。天然石墨主要分布于: 中国:山东省莱西市为我国石墨重要产地之一,,。 世界:著名产地:纽约Ticonderoga,马达加斯加和Ceylon,我国以黑龙江鸡西市柳毛为最大的产地。
人造石墨,也就是特种石墨。按其成型的方式可分为以下几种。
等静压石墨。
模压石墨
挤压石墨,多为电极材料。
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石墨的物理性质
耐高温型:石墨的熔点为3850±50℃,沸点为4250℃,石墨强度随温度提高而加强。热膨胀系数也很小。
导电、导热性:石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍。导热性超过钢、铁、铅等金属材料。导热系数随温度升高而降低,甚至在极高的温度下,石墨成绝热体。石墨能够导电是因为石墨中每个碳原子与其他碳原子只形成3个共价键,每个碳原子仍然保留1个自由电子来传输电荷。
润滑性:石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小,鳞片越大,摩擦系数越小,润滑性能越好。
化学稳定性:石墨在常温下有良好的化学稳定性,能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀。
可塑性:石墨的韧性好,可碾成很薄的薄片。
抗热震性:石墨在常温下使用时能经受住温度的剧烈变化而不致破坏,温度突变时,石墨的体积变化不大,不会产生裂纹。
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