《机电一体化系统设计》课程教学资源（实例PPT）碳纳米管材料

LOGO 碳纳米管材料 Carbon nanotubes

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引言 %最早在1991年，日本NEC公司基础研究室的电子显微镜专家饭岛 在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分 子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子，这就是现 在的碳纳米管。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广 阔的应用前景也不断地展现出来

引言 ❖ 最早在1991年，日本NEC公司基础研究室的电子显微镜专家饭岛 在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分 子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子，这就是现 在的碳纳米管。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广 阔的应用前景也不断地展现出来[3]

碳纳米管材料的结构 碳纳米管(CNTS)又称巴基管，是一 种有特殊结构和性质的新型材料。管的 外径尺寸一般在几纳米到几十纳米，内 径更小，有的只有纳米左右。相对而 言，碳纳米管的长度和直径的比非常大， 管的长度一般在微米量级，可达103~ 106,因此，碳纳米管被认为是一种典 型的一维纳米材料。 Creativl 单壁 又称富勒管Fullerenes tubes),由一 碳纳米管 层石墨烯片组成，直径和长度分别为 0.75~3nm和1~50ym。 多壁 含有多层石墨烯片，层数从2~50不等， 碳纳米管 层间距为0.34士0.01nm。典型的直径 和长度分别为2~30nm和0.1~50μm

碳纳米管材料的结构 单壁 碳纳米管 多壁 碳纳米管 又称富勒管(Fullerenes tubes)，由一 层石墨烯片组成，直径和长度分别为 0.75～3nm和1～50μm。 含有多层石墨烯片，层数从2～50不等， 层间距为0.34±0.01nm。典型的直径 和长度分别为2～30nm和0.1～50μm。 Creativity 碳纳米管(CNTS)又称巴基管，是一 种有特殊结构和性质的新型材料。管的 外径尺寸一般在几纳米到几十纳米，内 径更小，有的只有1 纳米左右 。相对而 言，碳纳米管的长度和直径的比非常大， 管的长度一般在微米量级，可达103～ 106，因此，碳纳米管被认为是一种典 型的一维纳米材料

碳纳米管材料的结构 碳纳米管管壁由类石墨微晶的碳原子与周围三 个碳原子完全键合而成的六边形碳环构成，五边形 和七边形的碳环组成弯曲部位。当六边形逐渐延 伸出现五边形时碳纳米管就会凸出，七边形出现则 会使其凹进。如果五边形出现在碳纳米管的顶端则 n、青.山L、FhL上1

碳纳米管材料的结构 碳纳米管管壁由类石墨微晶的碳原子与周围三 个碳原子完全键合而成的六边形碳环构成，五边形 和七边形的碳环组成弯曲部位。 当六边形逐渐延 伸出现五边形时碳纳米管就会凸出，七边形出现则 会使其凹进。如果五边形出现在碳纳米管的顶端则 成为碳纳米管的封口

碳纳米管村料的结构 令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。 相较而已，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8】

碳纳米管材料的结构 Description of the contents

碳纳米管材料的结构 ⑧单壁碳纳米管其结构接近于理想的富勒烯，两端之间是有 单层的同柱面封闭。1991年合成的碳纳米管就是单壁的碳 纳米管。目前单壁碳纳米管存在三种类型的结构，分为扶 手式碳纳米管，锯齿形碳纳米管和手性碳纳米管]，分别 如图2

碳纳米管材料的结构 Description of the contents Description of the contents

碳纳米管材料的结构

碳纳米管材料的结构

碳纳米管材料的性能 力学性能 其他性能 电学性能 储氢性能 热学性能 碳纳米管主要的性能 可以从五个方面说明

碳纳米管材料的性能 碳纳米管主要的性能 可以从五个方面说明 力学性能 其他性能 电学性能 储氢性能 热学性能

碳纳米管材料的性能 金刚石是我们所知道的自然界中最 力学性能 为坚硬的物质。而作为金刚石的同素 异形体，碳纳米管具有良好的力学性 能。 硬度：碳碳共价键是自然界中最稳定 的化学键，而碳纳米管的强度接近于 碳-碳键的强度)，因此单壁碳纳米管 的抗拉强度达到50~200GPa,杨氏 模量与金刚石相当，强度是钢的100 倍

碳纳米管材料的性能 力学性能 金刚石是我们所知道的自然界中最 为坚硬的物质。而作为金刚石的同素 异形体，碳纳米管具有良好的力学性 能。 硬度：碳-碳共价键是自然界中最稳定 的化学键，而碳纳米管的强度接近于 碳-碳键的强度[9]，因此单壁碳纳米管 的抗拉强度达到50～200GPa，杨氏 模量与金刚石相当，强度是钢的100 倍

碳纳米管材料的性能 力学性能 弹性：与金刚石的三维结构不同，碳 纳米管作为一维纳米材料可弯可拉具 有相当好的弹性。通常碳纳米管发生 很大的拉伸变形，只要不发生原子共 价键发生断裂，通常碳纳都能完全恢 复到原来的状态19]。实验表明碳纳米 管在拉升达原来长度的136%时仍然 可以恢复到原来的样子。而且即使受 到了很大的外加应力，碳纳米管也不 会发生脆性断裂

碳纳米管材料的性能 力学性能 弹性：与金刚石的三维结构不同，碳 纳米管作为一维纳米材料可弯可拉具 有相当好的弹性。通常碳纳米管发生 很大的拉伸变形，只要不发生原子共 价键发生断裂，通常碳纳都能完全恢 复到原来的状态[ 19]。实验表明碳纳米 管在拉升达原来长度的136%时仍 然 可以恢复到原来的样子。而且即使受 到了很大的外加应力，碳纳米管也不 会发生脆性断裂