[发明专利]碳纳米管的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳纳米管的制备方法，特别是涉及一种化学合成碳纳米管的方法。

背景技术

碳纳米管(Carbon nanotube)是1991年日本科学家Iijima在研究石墨电极间电 弧放电时发现的一种新型碳结构，和常见的石墨、金刚石和无定形碳一样，碳纳米管 是由碳元素构成的一种纳米碳材料。理想的纳米碳管是由碳原子形成的石墨烯片层卷 成的无缝、中空的管体。石墨烯片层一般可以从一层到上百层，其中，含有一层石墨 烯片层的称为单壁碳纳米管，含有多层石墨烯片层的则称为多壁碳纳米管。单壁碳纳 米管的直径一般为1-3nm，最小直径约为0.5nm，与C₃₆分子的直径相当，其长度一般 从几百纳米到几个微米，特殊情况下也能制备毫米级别的超长管。由于单壁碳纳米管 的最小直径与富勒烯分子类似，故也有人称其为巴基管或富勒管。多壁碳纳米管的层 间距约为0.34nm，直径一般在几个纳米到几十纳米，长度一般在微米量级，最长也可 达数毫米。由于纳米碳管具有较大的长径比，所以可以把其看成为准一维纳米材料。

碳纳米管独特的结构特点给它带来了一系列新颖、特殊的性质，自从其被发现以 来一直是科学家们研究的热点。首先，碳纳米管具有优异的力学性能，它的抗拉强度 可达到50-200GPa，是钢的100倍，密度却只有钢的1/6；此外，它的弹性模量可达 1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。碳纳米管是目前可制备出的具有最 高比强度的材料。同时，碳纳米管还可以作为力学增强材料同其它材料复合，所制得 的复合材料具有超高的力学强度、弹性、抗疲劳性及许多其它优异性质。目前，研究 最多的是碳纳米管增强的高分子材料，这种复合材料相对于原始高分子材料而言不仅 力学性能大大提高，而且具有很好的导电性，对无线电波也有一定的屏蔽能力，可应 用于国防军工领域制备抗静电涂层，雷达吸波材料，以及潜艇飞机的隐身材料。其中， 使用水泥做基体的碳纳米管复合材料耐冲击性好、防静电、耐磨损、稳定性高，不易 对环境造成影响。碳纳米管增强的陶瓷复合材料的强度则更高，韧性和抗冲击性能也 十分优异。

其次，碳纳米管具有奇特的电学性质，金属型碳纳米管可以用作纳米尺度的导线， 半导体型碳纳米管可用于制备场效应晶体管等纳电子器件。在半导体性质和金属性质 的碳纳米管之间可以形成具有整流功能的异质结。研究人员制造了在单壁碳纳米管和 碳化物之间的异质结构，该结构的界面大小是纳米量级的，代表了目前可以达到的最 小的异质结，在未来的混合纳米器件中将会扮演重要角色。实验观察结果表明，碳纳 米管上的点缺陷会导致碳纳米管局部呈肖特基势垒或异质结状况。利用这个特性可以 制作尺度非常小的纳米电子器件。研究人员已经制出了室温下工作的单分子场效应晶 体管，其增益和速度基本上由接触电阻决定。假如接触电阻减少到量于极限6hΩ，开 关速度就可以达到10TH_Z。该器件的大小可以达到30纳米以下。还有科学家将自旋极 化的电子从铁磁性物质中注入到多壁碳纳米管中，发现电子自旋的相关传输。这意味 着碳纳米管极有可能发展成为实用的自旋电子器件。碳纳米管的电导是量子化的，其 导电机理是弹道输运，不耗散热量。碳纳米管量子电导比典型的室温工作的量子电导 的尺寸和稳定性高几个数量级，而且碳纳米管同很多分子相互作用后，其电学性质会 发生变化，因而碳纳米管还可以用做检测这些分子的传感器。