【正文】 特點： 產(chǎn)量很低，僅局限在實驗室中應(yīng)用，不適于大批量連續(xù)生產(chǎn)。陰極采用厚約 10mm，直徑約為 30mm的高純高致密的石墨片，陽極采用直徑約為 6mm的石墨棒，整個系統(tǒng)保持在氣壓約 104Pa的氦氣氣氛中，放電電流為 50Ａ左右，放電電壓 20Ｖ。其中，電弧放電（ arc discharge）、激光蒸發(fā)（ laser ablation）和化學(xué)氣相沉積（ Chemical vapor deposition ,CVD）是碳納米管的主要制備方法。ｍ。 MWNTs的典型直徑和長度分別為 2～ 30nm和 ～ 50181。 (MWNTs)的層間接近 ABAB堆垛，其層數(shù)從 2～ 50不等，層間距為 177。最短的碳碳鍵長 197。每層納米管是一個由碳原子通過 SP2雜化與周圍 3個碳原子完全鍵合后所構(gòu)成的六邊形平面組成的圓柱面。 。 ，呈平面正三角形。一個 s軌道和兩個 p軌道雜化 ，形成3個完全相同的 sp2雜化軌道。此過程中， 能量 相近的 s軌道和 p軌道發(fā)生疊加，不同類型的原子軌道重新分配能量并調(diào)整方向。 sp雜化一般發(fā)生在 分子 形成過程中。三個 sp雜化軌道的 對稱軸 在同一條 平面 上，兩兩之間的 夾角 皆為 120176。 2 碳納米管的結(jié)構(gòu) sp雜化（ 英語 ： sphybridization）是指一個 原子 同一 電子層 內(nèi)由一個 ns軌道和兩個 np軌道發(fā)生 雜化 的過程。 研究結(jié)果 ：理論預(yù)計該材料具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)等性能，極具理論研究和實際應(yīng)用價值，因而激起了國內(nèi)外學(xué)者的極大興趣，碳納米管的研究成為材料界以及凝聚態(tài)物理研究的前沿和熱點。1990年 7月在美國召開的第一屆國際納米科學(xué)技術(shù) 會議，正式宣布納米材料科學(xué)為材料科學(xué)的一個新分支。 碳納米管專題 Carbon Nanotubes 1 碳納米管的發(fā)展背景 2 碳納米管的結(jié)構(gòu) 3 碳納米管的制備與后處理方法 4 碳納米管的基本性質(zhì) 5 碳納米管的相關(guān)應(yīng)用 1 碳納米管的發(fā)展背景 背景 ： 納米材料的發(fā)展 1984年德國薩爾蘭大學(xué) Gleiter以及美國的阿貢實驗室的 Sieyel相繼制得了純物質(zhì)的納米細(xì)粉。 Gleiter在高純凈真空的條件下將粒徑為6nm的 Fe粒子原位加壓成型，燒結(jié)得到納米微晶塊體，從而使納米材料進(jìn)入了一個新的階段。 發(fā)現(xiàn) ： 1991年，日本學(xué)者 Ijima和美國的 Bethune等人在摻加 過渡金屬催化劑的石墨電極間起弧放電，并在制備產(chǎn)物中分別發(fā)現(xiàn)了單壁納米管。 近年來，美國，日本，德國，中國相繼成立了納米材料研究機(jī)構(gòu)，使得碳納米管的研究進(jìn)展隨之加快，在制備及應(yīng)用方面都取得了突破性的進(jìn)展。原子發(fā)生 sp雜化后，上述 ns軌道和 np軌道便會轉(zhuǎn)化成為三個等價的 原子軌道 ，稱為“ sp雜化軌道”。 。雜化發(fā)生前，原子最外層 s軌道中的一個 電子 被激發(fā) 至 p軌道，使將要發(fā)生雜化的原子進(jìn)入 激發(fā)態(tài) ；之后，該層的 s軌道與三個 p軌道中的任意兩個發(fā)生雜化。 sp2雜化軌道 含 1/3 s和 2/3 p的成分。其 3個軌道間夾角為 120176。 例如實驗測知 BF3的 4個原子在同一平面上，鍵角 ∠ FBF等于120176。 B原子 的外層 電子構(gòu)型是 2s2 2p1，成鍵時 1個 2s電子激發(fā)到 1個空的 2p軌道上，與此同時， 1個 s軌道和 2個 p軌道“混合”起來成為 3個雜化軌道，分別與 3個 F原子成鍵 2 碳納米管的結(jié)構(gòu) 碳納米管是單層或多層石墨片圍繞中心軸按一定的螺旋角卷曲而成的無縫納米級管。其平面六角晶胞邊長為 197。 分類 ：根據(jù)制備方法和條件的不同，碳納米管存在多壁碳納米管 (MWNTs)和單壁碳納米管 (SWNTs)兩種形式。 ， 與石墨層間距 ()相當(dāng)。m， SWNTs典型的直徑和長度分別為 ～ 3nm和 1～ 50181。 碳納米管的高分辨電子顯微鏡照片，從左到右為 SWNT， MWNT （包含 2層、 3層、 4層石墨片層） From Ref. 3, 6 3 碳納米管的制備純化與表面修飾 （ 1）碳納米管的制備方法 碳納米管的制備方法很多，到目前為止，人們嘗試了多種制備方法，如石墨電弧法、熱解法、激光蒸發(fā)法、等離子體法、化學(xué)氣相沉積法（催化分解法）等等。 當(dāng)今世界公開報道 高質(zhì)、高效、連續(xù)大批量工業(yè)化生產(chǎn)碳納米管的實例 ：沸騰床催化法、化學(xué)氣相沉積法 碳納米管結(jié)構(gòu)示意圖 (A) 椅形單壁碳納米管 (B) Z字形單壁碳納米管 (C) 手性單壁碳納米管 (D) 螺旋狀碳納米管 (E) 多壁碳納米管截面圖 （ A） 電弧放電法 ： 其方法及設(shè)備與制備Ｃ 60的方法和設(shè)備都較相似。通過調(diào)節(jié)陽極進(jìn)給速度，可以保持在陽極不斷 消耗和陰極不斷生長的同時，兩電極的放電端面距離不變，從而可以得到大面積離散分布的碳納米管，同時還可能產(chǎn)生碳納米微粒。 (B)熱解法 ： 這種方法也很簡單，將一塊基板放進(jìn)加熱爐里加熱至 600℃ ，然后慢慢充入甲烷一類的含碳?xì)怏w。 優(yōu)點： 最容易實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，也可能制備很長的碳納米管。與電弧放點法制備的碳納米管相比，這種碳納米管抗張強(qiáng)度只有前者的十分之一。通過激光等將過渡金屬微粒和碳?xì)浠衔锿瑫r加熱到高溫而使碳?xì)浠衔锇l(fā)生熱解而產(chǎn)生的。 特點： 由于制備時溫度較低（一般控制在 500～ 1000 ℃ )，生成的 SWNTs缺陷較少，同時設(shè)備簡單、產(chǎn)率較高、條件易控，CVD技術(shù)有著很好的工業(yè)化前景。 機(jī)理 :與電弧放電法類似，主要是將一根金屬催化劑 /石墨混合的石墨靶放置于一長形石英管中間，該管則置于一加熱爐內(nèi)。石墨靶在激光照射下將生成氣態(tài)碳，這些氣態(tài)碳和催化劑粒子被氣流從高溫區(qū)帶向低溫區(qū)，在催化劑的作用下生長成碳納米管。 優(yōu)點： 主產(chǎn)物為單層碳納米管，通過改變反應(yīng)溫度可控制管的直徑。 (D)激光法 （ E） 長碳納米管束制造新方法 中國清華大學(xué)和美國倫塞勒理工學(xué)院的研究人員， 制造出的碳納米管束最長達(dá)到了 20厘米 ，狀如人的發(fā)絲。 中美科學(xué)家在研究中 對合成 碳納米管常用的化學(xué)氣相淀積方法進(jìn)行了改進(jìn) 。 研究人員認(rèn)為，他們的新方法作為一種更為簡便的替代工藝，也許還可以 用來生產(chǎn)高純度的單層碳納米管材料 。 氧化法的基本思想 ：碳納米管兩端活性較強(qiáng)，所以氧化先從端口開始，由于端口長度與納米雜質(zhì)粒子及無定形碳的長度相差幾個數(shù)量級，因此，在相同的速度下氧化，雜質(zhì)粒子和無定形碳先被氧化掉，最后只剩較為純凈