纳米碳管的制备及应用前景

纳米碳管是一种重要的纳米材料和碳分子，其独特的分子结构和性能引起了人们的广泛关注。作者综述了纳米碳管的几种制备方法及潜在的应用前景。     

多重双尺度法在含界面层纳米碳管增强复合材料力学性能分析中的应用

运用多重双尺度法分析了含界面层纳米碳管增强复合材料的力学性质.首先利用分子结构力学导出纳米框架结构的有效力学性质,取纳米分子结构中的框架结构为特征单元体,用一次均质化理论得到纳米碳管的有效弹性模量,将该纳米碳管等效为连续空心圆筒,与损伤界面组成新的特征单元体再进行第二次均匀化得到新的增强体,计算过程中在界面与基体交界处...     

纳米碳管的结构及应用前景

纳米碳管是目前强度最高、直径最细的纤维材料,其分子结构独特,具有奇特的力学、化学和电子学性能,可用作加强材料制备高强度复合材料,既有碳纤维材料的固有性质,又具有金属材料的导电和导热性、陶瓷材料的耐热和耐蚀性,还有纺织材料的柔软和编织性以及高分子材料的易加工性,是典型的一材多能、一材多用的功能材料和结构材料,具有极其广泛的应用范围和极具潜力的应用价值。介绍了纳米碳管的结构和应用前景。     

石墨矿床中产出的天然纳米碳管

纳米碳管因其特有的性质已成为一种引人注目的材料。本文报道了产于新疆苏吉泉石墨矿床中的天然纳米碳管，并对其进行了高分辨电子显微镜研究。该发现表明迄今为止所有碳的同素异形体均可产于自然界，并且高温、压力、催化剂颗粒在产生纳米碳管的过程中起到了非常重要的作用。计算了石墨化花岗岩的形成温度和压力等条件。该发现对指导科学家合成纳米碳管和利用该矿床具有十分重要的意义。     

纳米碳管增强陶瓷基复合材料热残余应力分析

针对纳米碳管与陶瓷材料热膨胀系数的差异导致的热失配问题,采用复合材料细观力学方法,利用有限元分析软件ANSYS建立了不同长径比的纳米碳管增强陶瓷基复合材料模型,模拟降温冷却过程中纳米碳管的性质对纳米碳管增强陶瓷基复合材料热残余应力变化特征的影响;利用轴对称体弹性力学理论导出纳米碳管贯穿陶瓷基体时纳米碳管增强复合材料的热残余应力解析式,所得结果与数值模拟结果一致,证明数值模拟方法的可靠性.研究表明:纳米碳管的弹性模量、热膨胀系数、体积分数、长径比和温度差等因素的变化对复合材料热残余应力有不同程度的影响.     

石墨矿床中产出的天然纳米碳管

纳米碳管因其特有的性质已成为一种引人注目的材料。本文报道了产于新疆苏吉泉石墨矿床中的天然纳米碳管,并对其进行了高分辨电子显微镜研究。该发现表明迄今为止所有碳的同素异形体均可产于自然界,并且高温、压力、催化剂颗粒在产生纳米碳管的过程中起到了非常重要的作用。计算了石墨化花岗岩的形成温度和压力等条件。该发现对指导科学家合成纳米碳管和利用该矿床具有十分重要的意义。     

催化热分解法纳米碳管的制备与提纯

通过催化热分解法制备了多壁纳米碳管,研究了制备纳米碳管的最佳实验条件·对制备的纳米碳管进行了提纯实验·应用X射线衍射、透射电镜对自制的原料纳米碳粉进行了粒度测定、形貌观察·纳米碳粉为球形颗粒,粒度为50～80nm·应用透射电镜对纳米碳管进行了形貌观察,纳米碳管为定向生长,直径在20～30nm之间·在1000℃,1.5h时,得到了较高收率,纯净的碳纳米管·     

碳纳米管在轴向磁场中的电子态密度

研究了纳米碳管在接近轴向磁场中的Aharonov-Bohm效应，计算结果表明纳米碳管的电子态密度会被磁场剧烈地改变，所有的纳米碳管都会出现一个随穿过的磁通量周期化的能隙，周期为h/e，因此纳米碳管的导电性也随磁通周期地改变；但对不同类型（金属型和半导体型）的纳米碳管，这种变化的图样有不同的特征。     

含有五元环-七元环缺陷的单壁纳米碳管的能带结构分析

运用第一性原理的计算方法结合非平衡格林函数(NEGF)和密度泛函理论(DFT)计算带有五元环-七元环拓扑缺陷对的单壁纳米碳管(SWNTs)的输运性质,同时计算(7,0)-(8,0)和(8,0)-(9,0)两种不同类型的纳米碳管异质结的能带结构并比较其与理想(7,0)、(8,0)、(9,0)碳管的不同.结果表明:五元环-七元环拓扑缺陷对碳管在费米能级附近的输运特性有着很大的影响;不同类型的碳管的连接方式对碳管输运性质的影响也有明显的差异.     

“纳米碳管薄膜新工艺技术研究”项目通过教育组织的科技成果鉴定

2002年1月5日，我校朱长纯教授等完成的“纳米碳管薄膜新工艺技术研究”通过了教育部组织的科技成果鉴定．“纳米碳管薄膜新工艺技术研究”项目是在纳米技术这一重大技术领域的背景下，对碳纳米管薄膜的生长和纯化工艺进行的深入研究，研制出了利用催化热解法生长和纯化碳纳米管薄膜及利用低压化学气象沉积法生长并优化碳纳米管薄膜的新工艺，为碳纳米管在多种领域的应用提供了技术手段，具有广阔的应用前景，达到世界领先水平．“纳米碳管薄膜新工艺技术研究”项目通过教育组织的科技成果鉴定     

纳米碳管化学复合镀层摩擦磨损行为

为了进一步提高Ni-P合金镀层的耐磨性,采用化学镀方法使纳米碳管与镍磷在45#钢上共沉积制得纳米碳管耐磨复合镀层。结果表明：纳米碳管已均匀镶嵌在镍磷晶胞上,在干摩擦条件下,纳米碳管复合镀层的耐磨性明显优于纳米碳化硅复合镀层,更优于普通镍磷镀层,并对纳米碳管复合镀层的磨损机理进行了研究。     

纳米碳管增强复合材料界面特性对力学性能影响的数值分析

假设纳米碳管与树脂基体之间存在一薄层界面,以纳米碳管、界面和基体组成的三层柱体复合材料特征体积单元为研究对象,采用纳-微观均质化理论方法分析界面的模量、体积比、排列方式等的变化对纳米碳管增强复合材料力学性能的影响,所得结果与多相经典平均Mori-Tanaka法进行比较.结果清晰显示了界面模量、体积比的变化对纳米碳管增强复合材料力学性能的影响,有效地区分了含界面纳米碳管在不同排列方式下的力学性能,为纳米碳管增强复合材料力学性能的设计和优化提供计算依据.     

纳米碳管铝基复合材料组织与性能的研究

试验采用搅拌铸造法制备了纳米碳管增强铝基复合材料,对其显微组织、硬度、抗拉强度和电阻率进行了研究.结果表明：纳米碳管的加入能够细化复合材料晶粒,表面镀铜后可以抑制基体与增强体之间的界面反应,避免脆性碳化物的生成;复合材料的硬度和抗拉强度随着纳米碳管加入量的增加先增加后减小,纳米碳管的质量分数为1.0%时,达到最大值,与基体相比分别增加了34.8%和34.4%;纳米碳管的加入对基体的导电性影响不大.     

准直纳米碳管的高效制备

给出了用阳极电弧在惰性气体(氦气、氩气)气氛下,蒸发含金属催化剂的石墨棒,高效制备宏观量的优质准直单壁纳米碳管的方法和条件以及纯化产物的方法.实验所得的网状和膜状产物分别含有63%和50%的准直单壁纳米碳管,阴极的棒状产物含有大量的多壁纳米碳管.准直单壁纳米碳管可用硝酸或高锰酸钾提纯多壁纳米碳管得到.纳米碳管管束的定向排列是由弧电场引起的磁致效应而形成的.     

碳管纳米弹簧快速建模与压缩特性有限元分析

给出了ANSYS有限元软件中碳管纳米弹簧的快速建模方法,对碳管纳米弹簧的轴向压缩进行了大变形有限元分析。为验证该方法与结果的有效性,还将一碳管纳米弹簧压缩刚度、临界失稳载荷的计算值与相应的试验结果、解析解进行了比较。研究表明,有限元结果与试验结果、解析解均较为接近,这说明碳管纳米弹簧的压缩特性分析是有效的;此外还发现,典型微米长度的碳管纳米弹簧的轴向压缩刚度为nN/nm量级,压缩失稳临界载荷为几十nN。     

TaC及Ta2O5涂覆纳米碳管的制备与表征

以纳米碳管为反应性模板、金属钽粉为金属源,采用熔盐法在纳米碳管表面反应原位生成TaC涂层,在混合空气下将TaC涂层于不同温度氧化转化为Ta2O5涂层,并运用XRD和SEM对生成产物的晶体组成和形貌进行表征。结果表明,采用熔盐反应法可在纳米碳管表面生成较为均匀的TaC涂层,经不同温度氧化后生成Ta2O5涂覆纳米碳管复合材料,在较高温度下其仍能保持纳米碳管原有的形貌。     

酸处理对多壁纳米碳管形态的影响

文中研究了酸处理对多壁纳米碳管形态的影响。分别用浓硝酸及浓硫酸和浓硝酸混合酸对未经石墨化多壁纳米碳管(MWCNTs)和石墨化多壁纳米碳管(MWGNTs)进行处理,讨论了不同处理时间,不同酸体系对不同碳管的处理效果,并采用TEM对其进行形态分析。结果发现,用硝酸长时间处理MWCNTs使纳米碳管发生短切,长径比变小,并且侧壁被整层剥离,管壁变薄;硝酸对MWGNTs的短切与剥离现象不明显。硝酸和硫酸的混合酸在0.5h内就可以将MWCNTs氧化殆尽,而使MWGNTs氧化殆尽则需要2h。在短切过程伴随着可以将多壁纳米碳管的管壁整层剥离的现象,用硝酸处理MWCNTs时该现象比较明显,处理MWGNTs时效果不明显;而混酸的氧化速度太快,处理两种多壁纳米碳管过程中的短切与剥离现象均不明显。     

氯化铁为前驱态催化剂的纳米碳管制备和表征

利用氯化铁为催化剂前驱体 ,结合悬浮催化剂法和基体法的优点 ,采用一种我们称之为悬浮催化 -基体的新方法在 70 0℃生长出了管壁清洁、直径均匀的纳米碳管 ,同时讨论了经不同时间氢气预处理的催化剂铁颗粒对生长纳米碳管直径和缺陷的影响 .实验显示该方法很有希望实现纳米碳管廉价、大批量生产     

单壁碳管直径对电子结构的影响

对比了第一性原理中从头算方法、半经验方法和密度泛函方法的计算误差、计算消耗等参数,认为:对armchair型单壁碳管进行半经验的AM1/STO-3G基组水平的计算,其结果已足够用于计算能隙,且省时.选取m=n=3,4,5,6,7,8,10等结构的armchair型碳管,采用AM1方法对最高已占据分子轨道HOMO和最低空余轨道LUMO能级以及其能量进行系统计算和分析,其结果与实验结果一致.研究结果表明:对于armchair型纳米碳管,其能隙随直径的增大大致呈指数型衰减,轴向电导性逐渐增大;α和β电子交替分布在碳管管壁周围,且其电子密度i随直径的增大而趋于碳层表面的电子密度,σ键和π键的弯曲度减小,其径向特性大大减弱,纳米碳管性质逐渐趋近单层石墨性质,降低了其化学活性.     

纳米碳管化学复合镀层的耐腐蚀性

为了延长工件的使用寿命,提高金属的耐蚀性能,采用化学镀方法,米碳管增强镍磷复合镀层.结果表明：纳米碳管已均匀镶嵌在镍磷晶胞上.纳米碳管的引入使镍磷晶胞变细、孔隙度变小、致密性增加,并且纳米碳管有较高的电位,加速镀层的钝化,提高了耐蚀性.该复合镀层具有优异的耐蚀性能.