碳纳米管吸波剂
日期：2018-11-21 10:16
碳纳米管( carbon nanotubes)以其独特的结构和物理化学性质受到人们的广泛关注,碳纳米管的发现是材料科学领域极具代表性的突破,碳纳米管一经问世就成为物理、化学和材料科学界的研究热点。科学家们预测,碳纳米管将成为21世纪最有前途的一维纳米改性剂。
(1)碳家族 图2 不同形态富勒烯结构及模型
自然界中的晶态碳有金刚石、石墨、富勒烯及球烯。金刚石为正四面体有序排列的立方晶体。石墨中的碳构成平面晶层结构,进而形成六方晶体。球烯是由几十个碳原子组成的球形分子,能溶解于有机溶剂,是一种特殊形态的富勒烯。
(2)富勒烯
20世纪80年代,碳的又一种同素异形体—富勒烯家族的发现是世界科技发展史上的一个里程碑。富勒烯( Fullerenes)是笼状原子簇的总C6o/C70( buck-min-ster称,包括分子、碳纳米管、洋葱状fullerene)( onion-like)富勒烯、富勒烯内包括金属微粒等,它们的不同形态结构如图2所示。十余年来,由于富勒烯在超导、非线性化学、催化剂及纳米复合材料(吸波材料)等诸多领域显示出十分诱人的潜在应用前景,而受到世界范围的广泛关注。富勒烯的研究涉及物理、化学、材料等相关领域,是一个前沿性的多领域交叉学科,近年来的研究主要集中在富勒烯的制备、结构表征、物性测试、制备和实际应用等的开发研究中。
(3)碳纳米管
C中的碳碳键能低于石墨中的碳碳键能,稳定的C分子在空间紧密排列构成C6晶体。C6与随后发现的碳纳米管有许多结构的相似性。其后,球状或椭球状的Co、C6、Cn等被相继发现,构成球烯一族1991年,日本NEC公司的饭岛博士在氩气直流电弧放电后的阴极碳棒上发现一种由碳原子构成的直径几纳米、长几微米的中空管,即碳纳米管,也称作巴基管,如图29所示。 Thomas给碳纳米管的定义是:由单层或多层石墨片卷曲而成的无缝纳米管。碳纳米管是典型的富勒烯,其结构与球烯和石墨类似,为sp2杂化的碳构成弯曲晶面,最短的碳碳键长0.142mm,碳纳米管的长径比为100~1000。理论计算表明,碳纳米管的能量略高于C6,稳定性与石墨相仿,套管间的结合能约为石墨层间结合能的80%,这类碳纳米管极易形成且形态多样。
碳纳米管分单层和多层两类。圆柱形多层碳纳米管由几个到几十个单层管构成,相邻管间距为0.34nm,接近石墨层间距(0.335mm)。碳原子六角形排列和碳层间距反映出碳纳米管所保留的石墨特征碳纳米管的形态除了六角形以外,五边形与七边形在碳纳米管的生长中也扮演了重要角色。在碳纳米管六角形延伸过程中,五边形的出现导致碳纳米管凸出,七边形的出现使碳纳米管凹进。碳纳米管有螺旋形与非螺旋形两类,共边六角形平行或垂直于管轴方向时称非螺旋管,否则为螺旋管,如图2-10所示。螺旋管管轴不与管壁上的石墨六角形任何碳碳键平行或垂直。多层碳纳米管形成时,层间易形成陷阱中心而捕获各种缺陷,因而多层碳纳米管上缺陷较多,易形成弯曲结构,单层管不存在这类缺陷。
碳纳米管形态多样,有圆柱形、线圈形、环形、竹节形等。1 vanov用Co或Fe催化热解C2H2发现了许多线圈形碳纳米管,其直径为几纳米到几十纳米,线圈直径与螺距在数十到数百纳米。有科学家在N/Al2O3催化剂中加入适量Cu,进行甲烷裂解,可制得规则的竹节状碳纳米管。Itch研究了各种尺寸环形管存在的可能性,但至今未有实验证据,其模型见图2-11。使用有机气体热解法,用表面均匀分布着纳米Fe/SiO2颗粒的薄膜状SO2基底代替嵌有纳米铁颗粒的介孔SiO2基底,实现了碳纳米管的顶部生长,可以得到长2mm的超长定向碳纳米管列阵。
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