[發明專利]碳納米管的制備方法

無效

• 申請號: 200710099705.3
• 申請日: 2007-05-29
• 公開（公告）號: CN101314466A
• 公開（公告）日: 2008-12-03
• 發明（設計）人: 王金泳;許軍艦;李彥
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;B82B3/00
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司
• 代理人: 關暢

技術領域

本發明涉及碳納米管的制備方法，特別是涉及一種化學合成碳納米管的方法。

背景技術

碳納米管(Carbon?nanotube)是1991年日本科學家Iijima在研究石墨電極間電 弧放電時發現的一種新型碳結構，和常見的石墨、金剛石和無定形碳一樣，碳納米管 是由碳元素構成的一種納米碳材料。理想的納米碳管是由碳原子形成的石墨烯片層卷 成的無縫、中空的管體。石墨烯片層一般可以從一層到上百層，其中，含有一層石墨 烯片層的稱為單壁碳納米管，含有多層石墨烯片層的則稱為多壁碳納米管。單壁碳納 米管的直徑一般為1-3nm，最小直徑約為0.5nm，與C₃₆分子的直徑相當，其長度一般 從幾百納米到幾個微米，特殊情況下也能制備毫米級別的超長管。由于單壁碳納米管 的最小直徑與富勒烯分子類似，故也有人稱其為巴基管或富勒管。多壁碳納米管的層 間距約為0.34nm，直徑一般在幾個納米到幾十納米，長度一般在微米量級，最長也可 達數毫米。由于納米碳管具有較大的長徑比，所以可以把其看成為準一維納米材料。

碳納米管獨特的結構特點給它帶來了一系列新穎、特殊的性質，自從其被發現以 來一直是科學家們研究的熱點。首先，碳納米管具有優異的力學性能，它的抗拉強度 可達到50-200GPa，是鋼的100倍，密度卻只有鋼的1/6；此外，它的彈性模量可達 1TPa，與金剛石的彈性模量相當，約為鋼的5倍。碳納米管是目前可制備出的具有最 高比強度的材料。同時，碳納米管還可以作為力學增強材料同其它材料復合，所制得 的復合材料具有超高的力學強度、彈性、抗疲勞性及許多其它優異性質。目前，研究 最多的是碳納米管增強的高分子材料，這種復合材料相對于原始高分子材料而言不僅 力學性能大大提高，而且具有很好的導電性，對無線電波也有一定的屏蔽能力，可應 用于國防軍工領域制備抗靜電涂層，雷達吸波材料，以及潛艇飛機的隱身材料。其中， 使用水泥做基體的碳納米管復合材料耐沖擊性好、防靜電、耐磨損、穩定性高，不易 對環境造成影響。碳納米管增強的陶瓷復合材料的強度則更高，韌性和抗沖擊性能也 十分優異。

其次，碳納米管具有奇特的電學性質，金屬型碳納米管可以用作納米尺度的導線， 半導體型碳納米管可用于制備場效應晶體管等納電子器件。在半導體性質和金屬性質 的碳納米管之間可以形成具有整流功能的異質結。研究人員制造了在單壁碳納米管和 碳化物之間的異質結構，該結構的界面大小是納米量級的，代表了目前可以達到的最 小的異質結，在未來的混合納米器件中將會扮演重要角色。實驗觀察結果表明，碳納 米管上的點缺陷會導致碳納米管局部呈肖特基勢壘或異質結狀況。利用這個特性可以 制作尺度非常小的納米電子器件。研究人員已經制出了室溫下工作的單分子場效應晶 體管，其增益和速度基本上由接觸電阻決定。假如接觸電阻減少到量于極限6hΩ，開 關速度就可以達到10TH_Z。該器件的大小可以達到30納米以下。還有科學家將自旋極 化的電子從鐵磁性物質中注入到多壁碳納米管中，發現電子自旋的相關傳輸。這意味 著碳納米管極有可能發展成為實用的自旋電子器件。碳納米管的電導是量子化的，其 導電機理是彈道輸運，不耗散熱量。碳納米管量子電導比典型的室溫工作的量子電導 的尺寸和穩定性高幾個數量級，而且碳納米管同很多分子相互作用后，其電學性質會 發生變化，因而碳納米管還可以用做檢測這些分子的傳感器。