碳纳米管
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碳纳米管范文第1篇
关键词：碳纳米管；结构；性能；应用前景
基金项目：陕西省大学生创新创业训练项目（1764）（校级：2014XK084）
碳纳米管（CNTs）于1991年由NEC研究所的Sumio Iijima首次发现。碳纳米管[1]由于其独特的结构和奇特的物理、化学和力学特性及其潜在的应用前景而倍受关注，并迅速在世界上掀起了一股研究的热潮。
1 碳纳米管的电学性质及应用
碳纳米管的结构和几何特点决定了其电子学上的独特性，由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。目前碳纳米管应用研究的最大领域是电子学领域[2]。理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。当CNTS的管径大于6mm时，导电性能就下降；当管径小于6mm时，可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。由于电子的量子限域所致，电子有效的运动只能在单层石墨片中沿碳纳米管的轴向方向，径向运动受到限制，因此它们的波矢是沿轴向的。在碳纳米管周围传播的电子只有特定波长的电子被保留下来，其他的则可能完全被抵消，在石墨片里，物理上称为费米点的特殊电子态决定了它的全部导电性，其它态的电子则完全不能自由运动。只有三分之一的碳纳米管具有恰当的直径和螺旋程度，使其允许状态里含有这个特殊的费米点，这些碳纳米管具有金属性，其余三分之二则是半导体。在半导体性质和金属性质的碳纳米管之间可以形成整流结。利用这种特殊的电学性能，碳纳米管可用来制作场效应晶体管[3]。由于碳纳米管的尖端具有纳米尺度的曲率，在相对比较低的电压下就能够发射大量的电子，因此，碳纳米管材料能够呈现出良好的场致发射特性，非常适合于用作各种场致发射器件的阴极。实验观察到的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况，利用这个特性可以制作尺度非常小的纳米电子器件。因为碳纳米管在物理性质上有明显的量子特点，故可能成为下一代微电子和光电子器件的基本单元。
2 碳纳米管的力学性质及应用
碳纳米管的力学性质一度成为纳米技术研究的热点，理论计算表明，碳纳米管具有极高的强度和极好的韧性。它的强度大约为钢的100倍，而密度却只有钢的1/6。理论和实验研究结果表明，单壁碳纳米管的杨氏模量可达到1TPa，与金刚石相当。碳纳米管还有极好的韧性而不脆，在轴向施加压力或弯曲碳纳米管时，当外加压力超过强度极限或弯曲强度时，碳纳米管不会断裂，而是首先发生大角度弯曲，然后打卷绞结在一起形成类似“麻花状”物体，当外力释放后碳纳米管又恢复原状。在垂直于碳纳米管的管轴方向具有极好的韧性，它被认为是未来的“超级纤维”，因此碳纳米管有可能成为一种纳米操作工具。由于碳纳米管具有极高的比强度、比杨氏模量，被认为是一种理想的先进复合材料的增强体，因此关于碳纳米管复合材料的研究也成为其应用研究的一个重要领域。碳纳米管无论是强度还是韧性，都远远优于任何纤维，将碳纳米管作为复合材料的增强体，预计可表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性，预期碳纳米管增强复合材料可能带来复合材料性能的一次飞跃。Baughman等人在碳纳米管的基础上，研制出微型换能器，这种器件在很小的电压下就能产生相当大的形变。Kim等人利用碳纳米管设计开发出纳米镊子，当外加电压从0V增加到8.3V，纳米镊子尖端的距离减小到原来的1/2；当电压达到8.5V时，纳米镊子突然合上。这种纳米镊子不仅可以用于操纵原子和纳米团簇，还可以用于STM/AFM的探针[4]。
3 碳纳米管的光学性质及应用
碳纳米管的发光特性，特别是可见光区的发光性质的研究是近一两年才发现和开始的。由于拉曼光谱的出现，碳纳米管的光学性质越来越受到人们的关注，虽然碳纳米管光学性质的研究时间并不长，但它显示出来的优越的发光特性越来越引起科学界的广泛注意。清华大学的Yong Zhang等人使用远红外激发碳纳米管产生了强烈的可见光。清华大学的Jinquan Wei等人使用超长SWNT和DWNT溶解在酒精中，酒精融化时产生的表面张力将CNT组装在灯丝上取代钨灯丝，然后将CNT灯丝与银电极连接在一起装入真空度为10-7Torr的球形玻璃罩中制成CNT灯。
4 碳纳米管的吸附性质及应用
碳纳米管具有较大的比表面积，其特殊的管道结构及多壁碳纳米管之间芯部和表面都存在大量分子级细孔，比表面积很高，因此可以吸附大量气体是最有潜力的储氢材料。氢能是一种理想的能源载体，而经济有效的储氢手段氢能实现规模应用急需解决的关键问题之一。碳纳米管在存储氢气上表现出的独特性质，使其最有希望成为一种新的高效的储氢材料。1997年，Dillon等创了碳纳米管储氢研究的先河。当时他们采用的样本是包含有金属催化剂和定形碳，未经纯化的单壁碳纳米管，利用程序升温脱附（Temperature ProgrammDesorption，TPD）法测定单壁碳纳米管储氢能力。碳纳米管良好的吸附性能可为催化剂良好的载体，碳纳米管的催化作用主要集中在三个方面：一是提高反应速率；二是决定反应路径，有优良的选择性；三是降低反应温度。
5 碳纳米管的磁学性质及应用
碳纳米管（CNTs）因其独特的管状结构和物理化学性质成为纳米磁性领域研究的热点。碳纳米管具有螺旋、管状结构，具有不同寻常的磁学性能。碳纳米管大的比表面积和纳米通道使其极容易掺杂纳米磁性材料。清华大学在国际上首次使用化学镀膜的方法在碳纳米管外面敷了一层金属镍镀膜，形成一种一维纳米磁性复合材料，有望用于微观磁性研究和高密度磁存储中。
6 碳纳米管的场发射性能及应用
碳纳米管的纳米级发射尖端、大长径比、高强度、高韧性、良好的热稳定性和导电性等，所有这些结构和性能特征使得碳纳米管成为更理想的场致发射材料，有望在冷发射电子枪、平板显示器等方面获得重要应用。由于碳纳米管的尖端具有纳米尺度的曲率，在相对比较低的电压下就能发射大量的电子，具有发射阈值低、发射电流密度大、稳定性强、分辨率高等优异的场发射性能，可制作各种场发射器件的阴极。最初，人们普遍采用金属微尖阵列（MicrotipArray）发射阴极。碳质材料的场致发射性能研究始于金刚石材料，当金刚石表面的碳原子与氢键合时，在表面附近形成的电子亲合势为负值，即材料导带中的电子不用穿过任何势垒就可溢出到真空中。但实际上，由于电子补给及传输困难，金刚石材料的场致发射性能受到很大的限制。其它类型的碳材料，如类金刚石薄膜、纳米结构碳、碳纤维等，也具有一定场致发射能力。进入九十年代后期，碳纳米管的发现以及其制备技术的发展为FED显示器件的突破性发展提供了一个良好契机。1995年瑞典的DeHeer研究了碳纳米管的场发射特性，提出将碳纳米管作为场发射电子源的设想，并在Science上发表了他们的研究成果，在学术界引起了很大的轰动。
7 碳纳米管的应用前景
7.1 储氢材料
碳纳米管由于其管道结构及多壁碳管之间的类石墨层空隙，使其成为最有潜力的储氢材料，并是当前研究的热点。1997年，Dillon等根据实验结果推算出单壁碳纳米管储氢量在5%～10%的范围内[5]；Ye等的低温储氢实验表明80K以下单壁碳纳米管的储氢容量可达到8.25%。目前，根据理论推算和近期反复验证，大家普遍认为碳纳米管可以储放氢量在5%左右，是迄今为止最好的储氢材料。已经证实，碱金属嵌入碳纳米管会极大地提高其储氢性能[6]。
7.2 催化剂良好的载体
纳米材料比表面积大，表面原子比率大（约占总原子数的50%），使体系的电子结构和晶体结构明显改变，从而表现出特殊的电子效应和表面效应。如气体通过碳纳米管的扩散速度为通过常规催化剂颗粒的上千倍，担载催化剂后极大地提高了催化剂的活性和选择性。碳纳米管的催化作用主要集中在三个方面：一是提高了反应速率；二是决定反应路径，有优良的选择性；三是降低反应温度。
7.3 理想的锂离子负极材料
碳纳米管的层间距为0.34nm略大于石墨的层间距0.335nm这有利于锂离子的嵌入与迁出，它特殊的圆筒状构型不仅可以使Li+从外壁和内壁两方面嵌入，又可防止因溶剂化锂离子嵌入引起的石墨层剥离而造成负极材料的损坏。碳纳米管掺杂石墨时可提高石墨负极的导电性，消除极化。实验表明，用碳纳米管作为添加剂或单独用作锂离子电池的负极材料均可显著提高负极材料的嵌锂离子容量和稳定性。
7.4 制造纳米导线的最佳材料
由于碳纳米管壁能被某些化学反应所溶解，因此它们可以作为易于处理的模具。只要将金属灌满碳纳米管，然后把碳层腐蚀掉，即可得到纳米尺度的导线。目前，除此之外无其它可靠的方法来得到纳米尺度的金属导线。本法可进一步地缩小微电子技术尺寸，从而达到纳米尺度。
7.5 太空缆绳的首选材料
碳纳米管具有强度高、质量轻的特点。单个碳纳米管的直径只有1.4nm，5万个碳纳米管，并在一起相当于一根头发丝的直径。碳纳米管可能成为未来理想的超级纤维，碳纳米管的一种可能具有突破性的应用，是用于太空升降机。用碳纳米管做成的太空缆绳，与其他物质不同的是它能支持住自身的质量。这就提供了一种把人或物品提升到外层太空的可能的方法，也许将成为人类移居外星球的理想方法。碳纳米管可作为电镜的探针材料。其优异的力学性能使得碳纳米管成为了太空缆绳的首选材料。
7.6 扫描电子显微镜理想的探针材料
碳纳米管不但可以大大改善图像的分辨率，而且能使极微小的深部表面裂纹以及DNA之类的生物分子成像。同时，其尖端与基体接触会引起结构的可逆弯曲而不会遭到破坏。
7.7 碳纳米管可用作制备纳米器件
碳纳米管电子能带结构特殊，波矢被限定于轴向，量子效应明显。实验发现单壁碳纳米管是真正的量子导线，还可作为微电路中的异质节，特别适用于制备纳米电子器件。它稳定性好，又有弹道传输的特性，可制得运算更快、体积更小的单分子场效应晶体管。该晶体管是制造更小巧、速度更快的计算机的关键。同时，碳纳米管还是高性能单电子晶体管材料，而且，它还可被用于分子级开关、储存器、微电池电极和微波增幅器等。
参考文献
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碳纳米管范文第2篇
[关键词]碳纳米管；复合材料；结构；性能
自从 1991 年日本筑波 NEC 实验室的物理学家饭岛澄男(Sumio Iijima)[1]首次报道了碳纳米管以来，其独特的原子结构与性能引起了科学工作者的极大兴趣。按石墨层数的不同碳纳米管可以 分 为单壁碳 纳 米管(SWNTs) 和多壁碳 纳 米管(MWNTs)。碳纳米管具有极高的比表面积、力学性能(碳纳米管理论上的轴向弹性模量与抗张强度分别为 1~2 TPa 和 200Gpa)、卓越的热性能与电性能(碳纳米管在真空下的耐热温度可达 2800 ℃，导热率是金刚石的 2 倍，电子载流容量是铜导线的 1000 倍)[2-7]。碳纳米管的这些特性使其在复合材料领域成为理想的填料。聚合物容易加工并可制造成结构复杂的构件，采用传统的加工方法即可将聚合物/碳纳米管复合材料加工及制造成结构复杂的构件，并且在加工过程中不会破坏碳纳米管的结构，从而降低生产成本。因此，聚合物/碳纳米管复合材料被广泛地研究。
根据不同的应用目的，聚合物/碳纳米管复合材料可相应地分为结构复合材料和功能复合材料两大类。近几年，人们已经制备了各种各样的聚合物/碳纳米管复合材料，并对所制备的复合材料的力学性能、电性能、热性能、光性能等其它各种性能进行了广泛地研究，对这些研究结果分析表明：聚合物/碳纳米管复合材料的性能取决于多种因素，如碳纳米管的类型(单壁碳纳米管或多壁碳纳米管)，形态和结构(直径、长度和手性)等。文章主要对聚合物/碳纳米管复合材料的研究现状进行综述，并对其所面临的挑战进行讨论。
1 聚合物/碳纳米管复合材料的制备
聚合物/碳纳米管复合材料的制备方法主要有三种：液相共混、固相共融和原位聚合方法，其中以共混法较为普遍。
1.1 溶液共混复合法
溶液法是利用机械搅拌、磁力搅拌或高能超声将团聚的碳纳米管剥离开来，均匀分散在聚合物溶液中，再将多余的溶剂除去后即可获得聚合物/碳纳米管复合材料。这种方法的优点是操作简单、方便快捷，主要用来制备膜材料。Xu et al[8]和Lau et al.[9]采用这种方法制备了CNT/环氧树脂复合材料，并报道了复合材料的性能。除了环氧树脂，其它聚合物(如聚苯乙烯、聚乙烯醇和聚氯乙烯等)也可采用这种方法制备复合材料。
1.2 熔融共混复合法
熔融共混法是通过转子施加的剪切力将碳纳米管分散在聚合物熔体中。这种方法尤其适用于制备热塑性聚合物/碳纳米管复合材料。该方法的优点主要是可以避免溶剂或表面活性剂对复合材料的污染，复合物没有发现断裂和破损，但仅适用于耐高温、不易分解的聚合物中。Jin et al.[10]采用这种方法制备了 PMMA/ MWNT 复合材料，并研究其性能。结果表明碳纳米管均匀分散在聚合物基体中，没有明显的损坏。复合材料的储能模量显著提高。
1.3 原位复合法
将碳纳米管分散在聚合物单体，加入引发剂，引发单体原位聚合生成高分子，得到聚合物/碳纳米管复合材料。这种方法被认为是提高碳纳米管分散及加强其与聚合物基体相互作用的最行之有效的方法。Jia et al.[11]采用原位聚合法制备了PMMA/SWNT 复合材料。结果表明碳纳米管与聚合物基体间存在强烈的黏结作用。这主要是因为 AIBN 在引发过程中打开碳纳米管的 π 键使之参与到 PMMA 的聚合反应中。采用经表面修饰的碳纳米管制备 PMMA/碳纳米管复合材料，不但可以提高碳纳米管在聚合物基体中的分散比例，复合材料的机械力学性能也可得到巨大的提高。
2 聚合物/碳纳米管复合材料的研究现状
2.1 聚合物/碳纳米管结构复合材料
碳纳米管因其超乎寻常的强度和刚度而被认为是制备新一代高性能结构复合材料的理想填料。近几年，科研人员针对聚合物/碳纳米管复合材料的机械力学性能展开了多方面的研究，其中，最令人印象深刻的是随着碳纳米管的加入，复合材料的弹性模量、抗张强度及断裂韧性的提高。
提高聚合物机械性能的主要问题是它们在聚合物基体内必须有良好的分散和分布，并增加它们与聚合物链的相互作用。通过优化加工条件和碳纳米管的表面化学性质，少许的添加量已经能够使性能获得显著的提升。预计在定向结构(如薄膜和纤维)中的效率最高，足以让其轴向性能发挥到极致。在连续纤维中的添加量，单壁碳纳米管已经达到 60 %以上，而且测定出的韧度相当突出。另外，只添加了少量多壁或单壁纳米管的工程纤维，其强度呈现出了较大的提升。普通纤维的直径仅有几微米，因此只能用纳米尺度的添加剂来对其进行增强。孙艳妮等[12]将碳纳米管羧化处理后再与高密度聚乙烯(HDPE)复合，采用熔融共混法制备了碳纳米管/高密度聚乙烯复合材料，并对其力学性能进行了研究。结果表明：碳纳米管的加入，提高了复合材料的屈服强度和拉伸模量，但同时却降低了材料的断裂强度和断裂伸长率。Liu 等[13]采用熔融混合法制得了 MWNT/PA6(尼龙 6)复合材料，结果表明，CNTs 在 PA6基体中得到了非常均匀的分散，且 CNTs 和聚合物基体间有非常强的界面粘接作用，加入 2 wt%(质量分数)的 MWNTs 时，PA6 的弹性模量和屈服强度分别提高了 214 %和 162 %。总之，碳纳米管对复合材料的机械性能的影响，在很大程度上取决于其质量分数、分散状况以及碳纳米管与基质之间的相互作用。其他因素，比如碳纳米管在复合材料中的取向，纤维在片层中的取向，以及官能团对碳纳米管表面改性的不均匀性，也可能有助于改善复合材料的最终机械性能。
2.2 聚合物/碳纳米管功能复合材料
2.2.1 导电复合材料
聚合物/碳纳米管导电复合材料是静电喷涂、静电消除、磁盘制造及洁净空间等领域的理想材料。GE 公司[14]用碳纳米管制备导电复合材料，碳纳米管质量分数为 10 %的各种工程塑料如聚碳酸酯、聚酰胺和聚苯醚等的导电率均比用炭黑和金属纤维作填料时高，这种导电复合材料既有抗冲击的韧性，又方便操作，在汽车车体上得到广泛应用。LNP 公司成功制备了静电消散材料，即在 PEEK 和 PEI 中添加碳纳米管，用以生产晶片盒和磁盘驱动元件。它的离子污染比碳纤维材料要低65 %～90 %。日本三菱化学公司也成功地用直接分散法生产出了含少量碳纳米管的 PC 复合材料，其表面极光洁，物理性能优异，是理想的抗静电材料[15]。另外，聚合物/碳纳米管导电复合材料的电阻可以随外力的变化而实现通-断动作，可用于压力传感器以及触摸控制开关[16]；利用该材料的电阻对各种化学气体的性质和浓度的敏感性，可制成各种气敏探测器，对各种气体及其混合物进行分类，或定量化检测和监控[17]；利用该材料的正温度效应，即当温度升至结晶聚合物熔点附近时，电阻迅速增大几个数量级，而当温度降回室温后，电阻值又回复至初始值，可应用于电路中自动调节输出功率，实现温度自控开关[18]。
2.2.2 导热复合材料
许多研究工作证明，碳纳米管是迄今为止人们所知的最好的导热材料。科学工作者预测，单壁碳纳米管在室温下的导热系数可高达 6600 W/mK[19]，而经分离后的多壁碳纳米管在室温下的导热系数是 3000～6600 W/mK。由此可以想象，碳纳米管可显著提高复合材料的导热系数及在高温下的热稳定性[20]。Wu 等[21]制 备 了 多 壁 碳 纳 米 管 / 高 密 度 聚 乙 烯(MWNTs/HDPE)复合材料，并对其热性能进行了深入的研究，实验结果表明：导热系数随着 MWNTs 含量的增加而升高。当MWNTs 的质量分数达到 38 h，混合材料的导热系数比纯HDPE 的高三倍多。徐化明等[22]采用原位聚合法制备的阵列碳纳米管/聚甲基丙烯酸甲酯纳米复合材料，在氮气和空气气氛下，复合材料的热分解温度比基体材料分别提高了约 100 和60 ℃。在导热性能上，阵列碳纳米管的加人使得复合材料的导热系数达到 3.0 W/mK，比纯 PMMA 提高了将近 13 倍。
2.2.3 其它功能复合材料
在碳纳米管/聚合物功能复合材料方面最近有南昌大学纳米技术工程研究中心[23]研制的一种多壁碳纳米管/环氧树脂吸波隐身复合材料。通过对多壁碳纳米管进行高温 NaOH 处理，使碳管在其表面产生较多的孔洞，提高碳纳米管的表面活性；制备的吸波隐身复合材料具有良好的雷达吸波效果和可控吸收频段，这种吸波复合材料的体积电阻率在 106~107 ·cm 数量级，具有优良的抗静电能力，这对于调整雷达吸波材料的吸波频段和拓宽吸波频宽有着重要意义。美国克莱姆森大学Rajoriat[24]用多壁碳纳米管对环氧树脂的阻尼性能进行了研究，发现碳纳米管树脂基复合材料比纯环氧树脂的阻尼比增加了大约 140 %。
3 制备碳纳米管聚合物复合材料中存在的问题
3.1 碳纳米管在基体中的分散问题
碳纳米管的长径比大，表面能高，容易发生团聚，使它在聚合物中难以均匀分散。如何让碳纳米管在聚合物基体中实现均匀分散是当前需要解决的首要难题。经表面改性的碳纳米管可均匀分散在聚合物基体中，可以利用化学试剂或高能量放电、紫外线照射等方法处理碳纳米管，引入某些特定的官能团。Liu J 等[25]首先采用体积比为 3∶1 的浓硫酸和浓硝酸对単壁碳纳米管进行氧化处理，得到了端部含羧基的碳纳米管，提高其在多种溶剂中的分散性。ChenQD[26]将碳纳米管用等离子射线处理后引入了多糖链。还可运用机械应力激活碳纳米管表面进行改性，通过粉碎、摩擦、超声等手段实现。
3.2 碳纳米管的取向问题
碳纳米管在聚合物中的取向应符合材料受力的要求，研究表明，通过一定的加工例如机械共混剪切可以改善碳纳米管在聚合物中的取向，从而进一步改善复合材料的性能。Jin L[27]将多壁碳纳米管溶解于一种热塑性聚合物溶液中，蒸发干燥制备出碳纳米管呈无序分散状态的薄膜，然后在其软化温度之上加热并用恒定负荷进行机械拉伸，使其在负荷下冷却至室温，发现通过机械拉伸复合物可以实现碳纳米管在复合物中的定向排列。
3.3 复合材料成型问题
当前碳纳米管/聚合物复合材料的成型一般采取模压、溶液浇铸等手段，模压操作简单、易于工业化，但在降温过程中，样品由于内外温差较大会发生表面开裂等问题；溶液浇铸形成的样品不受外界应力等因素的影响，但除去溶剂过程较长，碳纳米管易发生团聚。
此外，聚合物进行增强改性所用的填料由原来微米级的玻璃纤维、有机纤维等发展到如今的碳纳米管，填料尺寸上的变化使复合物材料原有的加工技术和表征手段都面临着新的挑战，需要在今后大力发展原子水平的新型加工技术和表征手段，以适应碳纳米管聚合物复合材料发展的需要。
4 结语
碳纳米管以其独特的性能正在越来越多领域得到应用，随着科学技术的进步当前碳纳米管复合材料制备过程中存在的各种问题会逐渐得到解决，总有一天纳米技术会真正走到人们的现实生活当来，给人们的生活带来翻天覆地的改变。
参考文献
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碳纳米管范文第3篇
关键词：碳纳米管；增韧；氮化硅陶瓷；复合材料
碳纳米管主要是由单层或者是多层圆柱石墨片而组成的，所以碳纳米管分为单壁和多壁之分[1]。当前，碳纳米管增韧氮化硅陶瓷作为复合材料，需要人们加大对其的研究力度，进而提升材料的抗热震性能，并加强其材料的应用，使得碳纳米管氮化硅陶瓷复合材料的增韧性有明显提升。
1实验
1.1原料
本次对碳纳米管增韧氮化硅陶瓷复合材料进行研究过程中，试验原料包含氮化硅（Si3N4）、氧化钇（Y2O3）、氧化铝（Al2O3）、乙醇（C2H2）、石墨纸（C）、氮气（N2）。SiN4是上海硅酸盐研究所生产的，的含量超过85%，而且费氏粒度达到1.2μm，在实验过程中，在碳纳米管内加入浓硝酸和浓硫酸混合液，配比为3：1。在碳纳米管中加入添加剂MgO和CeO2，试样原料的配比具体如表1所示。
1.2工艺流程
实验人员预先对碳纳米管进行处理，按照一定比例予以分配，在塑料筒内将酒精和硬质的合金球加以湿磨处理，磨好后的混合料在干燥的环境下过筛[2]。此外，称取少量的粉末，将其放入石墨模具中，按照设定的烧结工艺其进行烧结，最后，对烧结试样的硬度、密度和韧性等指标予以测量，并利用显微镜对试样断面的显微结构和晶相结构予以分析[3]。在烧结过程中，利用热压烧结方式，以15℃/min的速度将温度分别升至1600℃、1650℃、1700℃、1750℃，保温1h，在氮气保护下，保证压力为30Mpa，然后炉内的温度在自然状态下与室内温度一致。
1.3测试
对试样的测试方法具体如下：密度根据国标GB2413-18，并结合阿基米德定律，测量干燥试样的质量m1，试样吸水饱和质量为m2，在水中的质量为m3，然后代入公式求得试样体积密度ρ0=m1ρ0/（m2-m3），其中，ρ0为室温下液体水的密度，根据室温查有关表查得ρ0值[4]。烧结试样的理论密度计算公式为：1/d=n1/d1+n2/d2+n3/d3......+nm/dm），然后利用排水法测量密度，除以理论密度就能够求得试样的相对密度[5]。测量材料的断裂韧性和硬度需要采用压痕法，本次加载压力为1kg，加载时间为40s，断裂韧性的计算公式为KIC=0.016（E/HV）1/2P/b3/2。式中的Hv是硬度，GPa；E为弹性模量，MPa，P为载荷，N；B为裂纹半长，单位是mm。通过用扫描电镜对断口形貌，在测试时，加速电压为25kV，粉分辨率为6nm。
2结果与讨论
2.1氮化硅陶瓷复合材料的力学性能
通过对碳纳米管进行试验研究表明，当烧结温度为1600℃、1650℃、1700℃时，试样的硬度和密度随着碳纳米管的的加入而减少，碳纳米管的加入不利于改善氮化硅陶瓷复合材料性能。烧结温度为1750℃，在碳纳米管中加入0.99%试样，其断裂韧性和硬度最佳，分别为7.47MPa°m1/2和16GPa，与未加入相比，提升了6%。如果碳纳米管的加入量增加时，试样的力学性能下降，氮化硅陶瓷的烧结温度提升[6]。
2.2氮化硅陶瓷复合材料的显微结构
通过对氮化硅陶瓷复合材料结构进行显微观察，晶粒发育比较良好，致密度也很高，而且有细长柱状的β-SiN3和等轴状的α-SiN。
2.3实验结果分析
通过实验结果表明，碳纳米管的作用主要为如下几个方面，第一，能够进行氮化硅陶瓷材料的孔隙，复合材料的致密度低。第二，在烧结过程中，碳纳米管能够阻碍复合材料的融合，降低致密度。如果碳纳米管的含量低，可以被氮化硅粉末分散，达到填充的效果，避免结团；当其含量增加时，致密度下降。如果碳纳米管的加入量少于1%，氮化硅材料的纤维和致密度、硬度都增加；若加入量少于2%，致密度下降，并出现碳纳米管粘连的现象，纤维长径比减小，隔断了氮化硅的连续性。在本次实验中，碳纳米管的最佳加入量为1%。试验的断裂为沿晶断裂，而且碳纳米管分布不均匀，粘结较少，在断口处能将碳纳米管拔出。此外，碳纳米管和氮化硅的热膨胀匹配性较好[7]。
3结束语
在1700℃热压下进行烧结，并配合MgO和CeO2复合烧助剂的使用，能够降低烧结温度，获取高致密度的SiN4制品。烧结温度为1600℃、1650℃、1700℃时，碳纳米管增加，但氮化硅陶瓷的相对硬度和密度减少，如果碳纳米管含量为0.99%，则氮化硅陶瓷复合材料的韧性提升6%，如果过度的增加，将起到相反效果。碳纳米管增韧氮化硅复合材料主要靠纤维拔出机制，从而提升氮化硅陶瓷的韧性[8]。
参考文献
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碳纳米管范文第4篇
在硅芯片晶体管接近其物理性能极限的当今，碳纳米管被认为是未来替代硅芯片原料的最佳候选材料。但是，要将碳纳米晶体管应用于大型集成电路还有很长的路要走，其中，了解纳米管内电子密度的变化对制作更可靠的碳纳米晶体管是一个关键因素。近日，IBM的科学家宣布他们对碳纳米管内的电荷分布进行了测量，并发现其直径小于2nm。
纳米电子的成功将在很大程度上取决于纳米结构的特性和可再生能力，目前，虽然研究人员已经能够建立性能优异的碳纳米晶体管，但是面临再生能力的挑战。碳纳米管对于环境影响非常敏感。例如，外来物质可修改碳纳米管的特性，从而影响电流和改变设备性能。这些交互作用是典型本地的，并且能够改变多种设备中一个集成电路，甚至一个单一纳米管的电子密度。因此，在一个纳米管内测量本地电子密度变化，能更好地了解本地环境如何影响一个碳纳米管的电荷，进而制作出更多可靠的晶体管。来自Yorktown Heights的IBMT.J.watson研究中心的研究小组解决了这个测量问题具有重要意义。
这一成果于2007年10月14日在线在Nature NanotechnologY期刊上。该小组监测了来自纳米管的光分散的颜色(Raman效应)，并且发现光的颜色的细微变化符合纳米管内电子密度的变化。此项技术利用了原子运动和电子运动的交互作用，使电子密度的改变可以被反射在纳米管原子振动运动变化的频率上。
科学家预计碳纳米晶体管的运算速度将比目前看好的下一代硅芯片的还要快10倍，而且耗能更少，这将有助于研发具有超级运算速度和低能耗的微处理器。
――王丽英
新型隔离器能增进纳米技术的发展
因为纳米器件的微小性，将其同周围的测试设备从振动中隔离出来是非常必要的。不幸的是，通常使用的有源防震器的价格是处于起步阶段的研发机构-不能负担的。因此，这些实验室一般都使用弹力绳来悬挂原子力显微镜。
而MinUS K Techn010gy的DavidL.Platus发明的负刚度振动隔离系统将会解决这一问题，因为它的价格是有源系统的1/3。相比于有源隔离系统使用了电子装置来感测振动并释放同样的能量来抵消振动，负刚度隔离器使用了完全机械的方法来达成这一目标。
在此系统中，支撑负载的硬弹簧同负刚度机械装置一起来进行垂直运动隔离。它们的纯垂直硬度是非常低的，并不会影响负载的静态负载支撑能力。而同垂直运动隔离器相连的梁柱则可进行水平隔离。
这种简洁的无源隔离器具有非常低的水平和垂直固有频率。其在2Hz时能获得93％的隔离效率，5Hz时为99％，10Hz时为99.7％。要想了解更多的信息，请联系Minus K Technology的BrianCrowley，电话是310-348-9656，或访问省略。
――Richard COmerford
HDMI：让人欢喜让人忧
HDMI是2002年4月由日立、松下、索尼、Thomson(RCA)、TOSHIBA、飞利浦和Silicon Image等共同制订的新一代多媒体接口，它的使命是取代DVD播放机、电视以及视频输出设备的传统接口。
据负责HDMI规范授权工作的机构HDMI Licensing，LLC公司宣布，目前已有超过700家消费电子和个人电脑制造商采用了HDMI规范。市场调研机构In-Stat公司的最新调查结果表明，近2亿台采用HDMI的设备有望于2008年发货，预计到2010年支持HDMI的设备的安装数量可达到近10亿台。
HDMI作为一个新标准，短短几年，就得到700多家公司的认可，HDMI到底有哪些好处呢?
HDMI标准现已发展到1.3版，达到了340MHz的带宽和10.2Gb/s速率，可以满足将来1440P/WAXGA分辨率的要求，能高品质地传输未经压缩的高清视频和多声道音频数据。除了高传输速率外，HDMI最大的特点是以一条线缆实现音频和视频信号的同时传输，大大简化了线缆连接。另外，HDMI适用范围广泛，它不仅适用于高清晰度消费电子产品，还支持游戏机和个人电脑市场的应用。这样，大家在使用不同设备传输影像时就不用在不同的接口之间互相转换，省去很多麻烦。
碳纳米管范文第5篇
8、超级X光
以碳纳米管为基础的新成像系统生成的图像，将比现在使用的X光和CT扫描更加清晰，而且成像更快。X光扫描仪的工作原理是，它内部的金属丝被加热到临界高温时会释放出电子，这些电子穿越人体，撞击到人体另一侧的金属电极，生成图像。CT扫描则通过交替改变电子来源，产生三维图像。美国研究人员通过给碳纳米管施加电压，让它们同时发射出数百个电子。由于没有金属丝需要加热，这种新系统比常规X光仪的速度更快，而且这种多功能纳米管发射器还能在不需移动的情况下，从多角度拍摄图片。
7、开发氢燃料车
制造由氢燃料电池供能的汽车一直是人类的清洁能源之梦，但其价格一直居高不下，这是因为要使用铂催化剂来加速电池反应的速度。美国一个科研组发现，利用上面涂有氮的碳纳米管，可以制成更加有效的催化剂。虽然目前纳米管的造价也非常高，但取自石墨的碳纳米管未来终究会比铂划算。
6、快速的医疗诊断
西班牙研究人员发现，碳纳米管有助于解决非常棘手的医疗问题，比如可以制成用来诊断真菌传染病的生物传感器。传统方法在收集细胞样本后，要在实验室的培养皿里进行培养，查看它里面是不是有白色念珠茵出现。而新的方法则利用碳纳米管和抗体(主要攻击假丝酵母细胞)制成晶体管。把细胞样本放在传感器上，酵母细胞和抗体之间的互动，改变了该装置的电流。传导性极好的纳米管记下这种改变，研究人员根据记录结果，可以测量出样本中出现酵母细胞的数量。
5、世界上最小的芯片
科学家可以利用碳纳米管制成芯片，取代现有硅芯片。几个科研组已经找到把碳纳米管展开，制成厚度仅为一个原子的石墨烯薄片的方法。石墨烯跟硅一样，都是半导体，但是可大大提高电脑芯片的处理能力。展开纳米管要求非常严格，科学家把纳米管粘贴在高分子膜上，然后利用氩气腐蚀掉“管子”之间的“纽带”，从而形成石墨烯薄片。
4、模仿壁虎研制强效黏合剂
壁虎的脚上覆盖着数百万根微小的纤毛，每根纤毛的顶端都堤压板形。由于壁虎脚落在物体表面时，会产生强大的吸引力，即范德华力，因此壁虎可以克服重力，在天花盘上如履平地。研究人员模仿壁虎脚掌的结构，把纳米管垂直排列，然后把更短的纳米管连接在它们顶端，看起来像分叉的树梢一样。这种黏合剂在多种物体表面上都能用，无论是粗糙的砂纸抑或光滑的玻璃。
3、柔软可弯曲的电子设备
无论是折叠起来，还是像揉报纸一样把它揉成一团，它的性能竟一点不受影响，你相信有这样的电脑屏幕吗?日本研究人员用有机发光二极管(用有弹性的成对纳米导管制造的)制成一个显示器。当有电流通过时，有机发光二极管里的有机成分会发光，从而使这种显示器不需要背后照明，因此它们比传统显示器更薄。
2、太空梯
研究人员利用碳纳米管制成气凝胶，结果发现它像钢铁一样结实。给它施加电压后，这种材料的柔软度会比橡胶还好。这种材料的应用途径有哪些呢?其中一种是用纳米管制成绳索，当作太空梯的电缆。太空梯可以把宇航员、货物送入轨道。近10万千米长的太空梯必须非常结实，柔韧性非常好，这样才能抵御大气风暴和太空碎片的侵袭，同时它们还必须非常轻，这样才不会被自身重量坠断。
碳纳米管范文第6篇
目前，测定水样中铅含量的方法主要有二硫腙分光光度法、原子吸收法、等离子体质谱以及电化学方法等，其中电化学方法由于操作简便、仪器小型化等而日益引起人们的关注。电分析方法测定铅常用各种汞或汞膜电极〔1，2〕，但汞本身对人类有危害并可造成环境的再次污染。本文采用多壁碳纳米管修饰玻碳电极作为工作电极，完全做到无汞化操作，实现了对水样中痕量铅的高灵敏度高选择性的测定，并且制作方便、重现性好、方法简单可靠。现将结果报告如下。
1 材料与方法
11 仪器和试剂 CHI660A型电化学工作站(上海辰华仪器公司)，采用三电极体系：多壁碳纳米管修饰玻碳电极为工作电极，Ag/AgCl(饱和KCl溶液)电极为参比电极，铂丝电极为对电极。铅标准储备液(001mol/L)，使用前按需要稀释；双十六烷基磷酸(瑞士Fluka公司);多壁碳纳米管(南京大学化学化工学院生命分析化学教育部重点实验室);其他试剂均为分析纯;实验用水均为二次蒸馏水。
12 碳纳米管修饰电极的制备 将5mg多壁碳纳米管(MWCNT)和5mg双十六烷基磷酸(DHP)加入5ml二次蒸馏水中，超声分散约20min直至得到1mg/ml均一、浅黑色的MWCNT-DHP悬浮液。玻碳电极(有效直径为3mm)依次用03，005μm Al2O3粉及麂皮抛光至镜面，然后分别在无水乙醇和二次蒸馏水中超声清洗1min，红外灯下烘干。用微量进样器取10μl上述悬浮液滴加在玻碳电极表面，红外灯下挥发掉溶剂即可。
13 实验方法 取10ml含有002mol/L KI的01mol/L醋酸缓冲液(pH=45)于电解池中，在-040～+020V之间用循环伏安法活化修饰电极直至循环伏安曲线稳定。然后加入一定量的铅标准溶液，于-100V处搅拌富集5min，静止15s后用示差脉冲溶出伏安法在-100～-040V区间，以100mV/s的扫速作阳极化扫描，记录溶出伏安曲线，测量-058V处铅的溶出峰电流。每次测定后，电极在空白底液中循环扫描以除去吸附在表面的沉积物，恢复其催化活性。
2 结果
21 分析底液的选择 实验结果表明，溶出峰电流在底液中含有KI时有显著提高，并且峰电流随着底液中I的浓度由0变化到002mol/L而逐渐增大，而I的浓度继续增大时，峰电流增加不明显。分别用浓度均为01mol/L的含有002mol/L KI的盐酸、醋酸缓冲液、磷酸缓冲液等作为底液进行分析，发现在醋酸缓冲液中溶出峰电流较大，峰形较好。另外在醋酸缓冲液中，当pH值从70逐渐减小到45时，溶出峰电流逐渐增加；而当pH值由45变化至30时，溶出峰电流反而下降，故本实验选择含有0.02mol/L KI的0.1mol/L醋酸缓冲液(pH=45)作为分析底液。
22 修饰剂用量的影响 实验表明，滴加在玻碳电极表面的MWCNT-DHP悬浮液用量对铅的溶出峰电流有很大的影响。当MWCNT-DHP悬浮液的量从0逐渐增加到10μl时，铅的溶出峰电流显著增加，在悬浮液用量从10μl增加到15μl的过程中，峰电流变化不明显，几乎维持在一固定值。但当悬浮液用量继续增大时，峰电流反而降低。本实验采用10μl 的MWCNT-DHP悬浮液用量来制备化学修饰电极。
23 富集电位和时间的影响 在上述实验条件下，观察溶出峰电流随富集电位的变化。结果表明，峰电流随富集电位的负移而增大，但峰形逐渐变差，背景电流也有所增加，只有富集电位在-100V时，峰电流大且峰形好，因此，选择-100V作为实验的富集电位。在选定的富集电位下，富集时间从0增加到5min的过程中，溶出峰电流几乎线性增加，当超过5min时，峰电流增加缓慢，几乎不变，说明Pb2+在电极表面吸附达到了饱和。故富集时间选用5min。
24 线性范围、检出限及重现性 配制一系列标准溶液，按实验方法在上述选定的最佳实验条件下进行测定，并绘制标准曲线。结果表明，Pb2+浓度与峰电流在18×10-8～10× 10-5mol/L范围内呈线性关系，其线性回归方程为：ip(μA)=014+221 × 107C(mol/L)(r=09972)。测得铅的检出限为40×10-9mol/L(信噪比为3)。对20×10-7mol/L的铅溶液平行测定10次的相对标准偏差为39％，该电极天天测定，并常温空气下保存1个月后，测定相同浓度铅溶液，峰电流仅下降约58％，说明此修饰电极具有很好的重现性和长期的稳定性。
25 干扰实验 在选定的最佳实验条件下，测定20×10-7mol/L的Pb2+溶液时，2000倍的Na+、Ca2+、Mg2+、K+、Al3+、Cl-、NO3-、SO42-、PO43-，500倍的Zn2+、Fe2+，100倍的Cu2+、Cd2+、Fe3+几乎不干扰铅的测定(误差
26 实际水样分析(表1) 为了检验该修饰电极的实际应用，在优化的实验条件下，采用标准加入法测定了4种实际水样中的Pb2+浓度。为了验证测试结果，同时用原子吸收光谱法对其进行测试，2法所得结果基本吻合。
表1 多壁碳纳米管修饰电极测定实际水样中的铅离子（略）
3 讨论
本文利用碳纳米管的独特物理和化学性能，制备了多壁碳纳米管修饰玻碳电极，采用示差脉冲溶出伏安法测定实际水样中的痕量铅，真正做到完全无汞化操作，避免了二次污染。经研究发现，在分析底液中加入KI可以提高检测灵敏度，在实验条件的优化选择研究中发现修饰剂用量应适宜，因为DHP具有绝缘效应，会阻碍传质及电子交换过程，从而降低修饰电极的导电性能。通过标准曲线的绘制与实际水样的分析，可知该修饰电极具有很好的重现性与选择性及高灵敏度，抗干扰能力强，常见离子几乎不干扰铅的测定，仅有Hg2+干扰较严重，主要是因为在修饰电极表面Hg2+可以被还原为Hg，从而使得铅更容易被还原形成汞齐，使测定结果偏高。总之该方法简单可靠，重现性好，灵敏度高，克服了以往电分析方法的一些缺陷，具有较好的实际应用前景。
参考文献
碳纳米管范文第7篇
许多行业都希望创造出柔软而有弹性的电子产品，但要制造这类设备，首先要有合适的底板。如果将电子电路压印在柔韧和有弹性的底板上，将彻底改变一些行业，并使“智能设备”无处不在。其中已设想的应用包括：可以检测变质与否的食品包装；可以治疗感染的医用绷带；可以监视表面裂缝和其它结构损坏的涂料；可以像纸一样折叠起来的电子屏；从太阳能到起搏器，到服装，这些智能应用就是所谓的“塑料电子”：柔软而有弹性。合适的底板必须以具有成本效益的方式大规模生产。
美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的研究人员已经开发出一种新的可行性技术，能以较低成本大规模地生产柔性底板。新技术利用半导体浓缩碳纳米管溶液生成了具有优良电属性的薄膜晶体管网。研究人员用浓缩到99%的半导体单壁碳纳米管溶液作底层，再结合一种高弹性的聚酰亚胺聚合物作基底，基底用激光切成边长3.3毫米的六边形蜂窝图案，然后将硅和氧化铝层沉积到基底上，底板就做成了。为了证明他们的碳纳米管底板的效用，研究人员还制造了一个电子皮肤传感器，能够感受到触摸的感觉。
加州大学伯克利分校的电气工程和计算机科学系教授阿里•杰维（Ali Javey）说：“我们研制了柔软有弹性的底板，将完全钝化、高度统一的薄膜晶体管阵列，均匀地覆盖在约56平方厘米的底板上。这项技术再与金属喷墨打印相结合，在未来可制造成本低廉的柔韧而有弹性的电子设备。”
随着塑料电子产品的需求增加，过去十年中在这方面的研究和发展一直在紧锣密鼓地进行着。出现了单壁碳纳米管，作为塑料电子产品的顶级半导体材料，主要是因为它们具有流动性高的电子，可衡量一个半导体导电的速度有多快。然而，单壁碳纳米管可以采取半导体或金属的形式，一个典型的单壁碳纳米管包括三分之二的半导体和三分之一的金属管。这种混合产生的纳米管网显示比较低的开/关电流比率（on/off ratio ），这成为电子应用领域的重大问题。此项研究报告的首席作者塔卡哈斯（Takahashi） 说：“在电子设备中，要求开/关电流比率越高越好，这样传感器的像素就越清晰。而99%的高纯度提供了高达100的开/关电流比率。”
为了研制底板，该研究小组采用了单壁碳纳米管的解决方案。高强度的聚合物具有卓越的柔韧灵活性，激光切割的基板，以及可拉伸的六边形孔蜂窝图案。塔卡哈斯说：“在某种程度上基板可以拉长60%。在未来，伸展性和方向性的程度，应通过改变孔的大小或优化网格设计的可调参数。”由此产生的单壁碳纳米管薄膜晶体管底板被用来创建电子皮肤。电子皮肤由96个传感器像素阵列组成，每个像素由一个单一的薄膜晶体管控制，能感知24平方厘米范围的空间压力分布。该电子皮肤可觉察0至15千帕的压力。
碳纳米管范文第8篇
关键词：环氧树脂 导电涂料 碳纳米管
中图分类号：TB383 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（c）-0103-02
石油储罐多为钢罐，钢铁极易腐蚀，为了延长储罐使用寿命。必须要对罐体进行保护用使用涂料保护金属油罐是一种经济合理、简便易行的方法。导电涂料是近20多年来迅速发展起来的一种功能性涂料，应用于石油储运设备，可有效避免由于静电引起的火灾爆炸事故。导电防腐涂料在油品储罐中是十分重要的。针对碳纳米管改性环氧树脂导电涂料在大型储备油罐中的特定用途，本文对碳纳米管改性环氧树脂导电涂料的性能进行研究，系统研究了不同固化条件下碳纳米管改性环氧树脂导电涂料玻璃化温度、冲击强度、导电性能、弹性模量的影响。
1 主要原料及测试仪器
2 导电涂料的制备
本研究中碳纳米管改性环氧树脂导电涂料分为A、B两组分A组分为改性的碳纳米管环氧树脂为成膜物的导电物质涂料，B组分为固化剂。（见图1）
将A、B组分按一定比例均匀混合，用稀释剂稀释到合适粘度，用喷涂方式涂布于马口铁板充分固化后，按照GB16906-1997和GB13348要求的国家相应标准进行涂料各项性能的检测。GR/T 9286-1998测定涂层附着力；GR/T1731-793测定涂层柔韧性；GR/T1732-93测定涂层耐冲击强度；GB/T1763-1979（89）测定涂层耐化学试剂性；以成膜剂、复合导电体系和填料为水平表，以附着力和导电率为观察值确定最佳参数。通过正交试验，确定最佳配比的基础配方。
3 结果与讨论
3.1 固化行为对涂料主要力学性能和导电性能的影响
不同固化条件下导电涂料的物理机械性能也不同，其附着力和电阻率的变化见表1。
从表1和表2可以看出，24 ℃/24 h导电涂料的附着力和冲击强度值最低，这是因为导电涂料固化不完全导致的，由于固化时间短涂料的的交联密度低，导电填料粒子搭接成链状或网状三维立体导电结构，所以涂料的导电率也较高。随着固化时间的延长，涂料交联密度逐渐提高，涂料中的导电粒子浓度达到渗流值后，内聚强度随之增大，附着力也逐渐增强，导电体之间的交联变小，电阻率随之下降。当涂料24 ℃固化3 d，交联密度增大，附着力达到最高值，但是此时涂料固化并不完全，导电填料粒子之间的交联密度不断缩小，电阻率不断下降。当导电涂料24 ℃固化7 d，固化完全，但是附着力已经达到最高，而且交联密度也不再发生变化，电阻率变得稳定。涂料24 ℃固化10 d，由于导电涂料已经固化完全，因此附着力和电阻率与当导电涂料24 ℃固化7 d时相同，不在发生变化。说明导电涂料在24 ℃固化7 d可达到最佳状态。
3.2 固化行为对玻璃转化温度、交联密度、弹性模量的影响
涂料面漆和底漆固化行为与涂料玻璃转化温度和25℃时的交联密度及弹性模量的关系如表3和表4所示
从表3和表4可见，由于24 ℃/24 h固化时间短，所以固化不完全，导电涂料的交联密度、玻璃化温度和弹性模量均较低，随着固化时间的增加，导电涂料逐渐完全固化，玻璃化温度、弹性模量也随之增大，此时联密度达到最低值。涂料在24 ℃固化3 d，导电涂料的交联密度、玻璃化温度和弹性模量都达到较高的值，导电涂料固化程度更高。涂料在24 ℃固化7 d，导电涂料达到固化完全，与24 ℃固化10 d相比，面漆和底漆，导电涂料的交联密度、玻璃化温度和弹性模量均不发生变化。说明涂料已经完全固化。
4 结语
（1）通过各组分的选择，最终利用正交试验配备了导电涂料基出配方。
（2）导电涂料在不同固化条件下的交联密度、玻璃化温度、弹性模量及基本力学性能的研究表明，涂料在24℃固化7 d可以达到固化完全，不仅可以获得较好的力学性能，而且具有较好的导电性能。
参考文献
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