1、微纳尺度加工技术-碳纳米管（CNT）的性能与应用,富勒烯（C60） 碳纳米管 石墨,二维石墨稀片层，可看作其它维度碳材料的母体，裹成球形成为零维的富勒稀；卷成柱状形成一维的碳纳米管；层层堆叠成三维的石墨。,石墨烯,主要内容,1.CNT的背景介绍 2.CNT的制备方法 3.CNT的性能 4.CNT的应用,1 背景介绍,1991年，日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家Iijima发现了多壁碳纳米管（MultiWalled Carbon Nanotubes ，MWNTs），直径为4-30nm，长度为1um。，最初称之为“Graphite tubular”。1993年单壁碳纳米管也被发现（Si
2、ngle-Walled Carbon Nanotubes ，SWNTs），直径从0.4nm到3-4nm，长度可达几微米。,碳纳米管的发现,背景介绍,碳纳米管分类：碳纳米管按照石墨烯片的层数分类可分为：单壁碳纳米管（SWNTs）和多壁碳纳米管（MWNTs），,背景介绍,图a,图c,图b,图a，b分别是多壁，单壁碳纳米管示意图，图c是碳纳米管的放大电镜图,图a，b分别是多壁，单壁碳纳米管示意图，图c是碳纳米管的放大电镜图,图a，b分别是多壁，单壁碳纳米管示意图，图c是碳纳米管的放大电镜图,图a，b分别是多壁，单壁碳纳米管示意图，图c是碳纳米管的放大电镜图,图a，b分别是多壁，单壁碳纳米管示意图，图
3、c是碳纳米管的放大电镜图,图a，b分别是多壁，单壁碳纳米管示意图，图c是碳纳米管的放大电镜图,图a，b分别是多壁，单壁碳纳米管示意图，图c是碳纳米管的放大电镜图,按手性分：,单壁碳纳米管又分为zigzag （锯齿型）和armchair（扶手椅型） 两类。,Armchair,Zigzag,按形态分：,普通封口型,变径型,洋葱型,海胆型,竹节型,念珠型,纺锤型,螺旋型,其他异型,背景介绍,石墨电弧法 化学气相沉积法 激光蒸汽法,2 碳纳米管的制备方法：,合成方法,石墨电弧法：,基本原理： 电弧室充惰性气体保护，两石墨棒电极靠近，拉起电弧，再拉开，以保持电弧稳定。放电过程中阳极温度相对阴极较高，所以
4、阳极石墨棒不断被消耗，同时在石墨阴极上沉积出含有碳纳米管的产物。,优点：所合成的碳纳米管结构缺陷少、碳纳米管较直缺点：碳纳米管的直径和长度不易控制，也很难合成有序的碳纳米管阵列。,化学气相沉积法（CVD）,在充有碳源（乙稀、乙炔、乙醇等）和载气（氢气和氩气的混合气体）的高温管式炉中进行（7001000C)，碳源在催化剂颗粒上裂解并沉积形成碳纳米管 特点： 设备简单、条件易控、能大规模制备、可直接生长在合适的基底上,合成方法,CVD法， C源：甲烷 Length：10um 直径：平均2nm,激光蒸发法：,首先把石墨靶放置于管式炉中加热到1200C，激光使石墨靶气化后被载气带到有水冷却装置的铜收集
5、器上，碳蒸汽在冷的表面上凝结生长形成碳纳米管 ）与电弧法相比，激光烧烛法可通过反应器的温度来控制碳纳米管的直径，但是由于高能激光的使用使其成本比电弧法和化学气相沉积法更高。,合成方法,3 碳纳米管的性能,构成碳纳米管不同碳环结构的碳-碳共价键是自然界中最稳定的化学键,所以碳纳米管应该具有非常好的力学性能,其强度接近于碳- 碳键的强度。碳纳米管的抗拉强度达到45200GPa,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。,力学性能：,力学性能：,碳纳米管力学性质,碳纳米管还有良好的可弯曲性,它不但可以被弯曲成很小
6、的角度, 上图中的多壁碳纳米管被弯曲成类似发夹的结构, 。当弯曲应力去除后,碳纳米管通常能够从很大的弯曲变形中完全恢复到原来的状态。,(a)被弯曲成很小的角度,(b)被弯曲成像发夹似的构造,碳纳米管还可以被弯曲成极其微小的环状结构，即使受到了很大的外加应力,碳纳米管也不会发生脆性断裂。纳米管所具有的这些十分优良的力学性能使其可望成为工业应用中的理想“超级纤维”材料。,电学性能,碳纳米管在外力作用下变形后，其导电性能也会随之改变 同时，实验表明，这个过程是可逆的：当撤除外力后，碳纳米管的电导率会完全恢复。,4 碳纳米管的应用,碳纳米管专利情况,扫描隧道显微镜和原子力显微镜针尖 新型碳纳米管“橡胶
7、” 可延展的电路板 碳纳米管触控屏,1.扫描隧道显微镜和原子力显微镜针尖,碳纳米管可以用作扫描隧道显微镜和原子力显微镜(STM和AFM)的针尖。碳纳米管针尖具有许多优良的特性。它是在常用的AFM微悬臂针尖上吸附一小段多壁碳纳米管(长度通常为数十至数百纳米),与传统的STM/ AFM针尖相比较,碳纳米管针尖具有以下几个显著的优点:(a) 高的针尖纵横比。碳纳米管针尖末端的曲率半径一般小于10nm,针尖纵横比通常可高达10103。高的纵横比将使针尖能够更准确地获得样品表面上较深的狭窄缝隙内和台阶边缘的形貌图像。用碳纳米管针尖得到的形貌图像十分陡峭,可以更加真实地反映狭窄缝隙内的形貌特征。,用传统的
8、AFM针尖和碳纳米管针尖分别获得的沟状狭窄缝隙内的形貌图像,(b) 高的机械柔软性。碳纳米管针尖的鲁棒(robust)性能良好,扫描时,即使撞击到样品的表面也不会使针尖损坏;碳纳米管针尖的机械柔软性还表现在它具有较好的弹性弯曲变形,这样可以有效地限制针尖在样品表面上的作用力,这一点对扫描有机和生物样品十分重要,因为这类样品通常非常脆弱,针尖的作用力过大很容易损坏样品。,用碳酸纳米管AFM针尖观察到的DNA分子高分双螺旋结构,利用直接生长法制备单壁碳纳米管扫描探针显微镜的针尖,28,这种新型碳纳米管“橡胶”其实是一种名为粘弹性物质传统材料，它的外表看起来很像泡沫耳塞，又像普通的橡皮擦。这种材料无
9、论被怎样扭曲、拉伸，弯曲，甚至被穿透，到最后都会恢复到原始状态。它能抗低温，例如木星最大卫星“泰坦”上的低温；耐高温，例如在宇宙中近距离接近太阳时的高温，如果将它作为宇宙飞船的制作材料，那么人类的宇宙飞船将会“所向披靡”。,任何极端温度下都不会损坏的特殊的“钢筋铁骨橡胶”,新型碳纳米管“橡胶”,29,可延展的电路板,这种材料可以像橡胶一样拉伸延展，最大可以延展至原始尺寸的1.7倍，而不会影响任何的性能。这款材料的奥秘在于其中整合了新型的碳纳米管聚合物。这种材料还可以被应用于机器人领域，用来制造电子皮肤，从而使机器人获得更为敏感的触觉。,可延展的电路板,北京时间2013年05月20日消息，天津富纳源创科技有限公司通过产学研结合，成功的实现了全球首个碳纳米管触控屏的产业化，目前已生产碳纳米管触控屏700万片，月产规模达到150万片，成功的为华为、酷派、中兴等手机配套。,碳纳米管触控屏,谢谢大家！,
