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碳納米材料 1 碳納米簡介 碳納米材料的含義 納米碳材料是指分散相尺度至少有一維小于100nm的碳材料 分散相既可以由碳原子組成 也可以由異種原子 非碳原子 組成 甚至可以是納米孔 納米碳材料主要包括三種類型 碳納米管 碳納米纖維 納米碳球 2 碳家族 3 類型介紹 4 富勒烯 富勒烯 Fullerene 是一種碳的同素異形體 任何由碳一種元素組成 以球狀 橢圓狀 或管狀結(jié)構(gòu)存在的物質(zhì) 都可以被叫做富勒烯 富勒烯與石墨結(jié)構(gòu)類似 但石墨的結(jié)構(gòu)中只有六元環(huán) 而富勒烯中可能存在五元環(huán) 5 空間結(jié)構(gòu)分類 球形富勒烯 管狀富勒烯 洋蔥狀富勒烯 6 富勒烯的性質(zhì) 超導(dǎo)電性 60 70本身都是半導(dǎo)體 在1K左右的低溫下 60 70都沒有向超導(dǎo)體轉(zhuǎn)變光聚合特性由于雙鍵的存在 富勒烯在一定的光照條件下雙鍵被打開 與相鄰的 60分子形成更加穩(wěn)定的共價鍵而發(fā)生了聚合反應(yīng) 7 發(fā)光性質(zhì)處于真空中的 60是沒有發(fā)光性能的當(dāng) 60晶體吸附了一些氣體 或者向 60晶體中摻雜某種成分 甚至在 60籠上嫁接一些基團(tuán)或者有機分子時 使原來不能發(fā)光的 60分子具備了發(fā)光性質(zhì) 8 生物活性水溶性富勒烯衍生物在生物化學(xué) 生物醫(yī)藥和藥物學(xué)方面取得了巨大的成功 有些富勒烯衍生物可有望應(yīng)用于臨床分別從理論和實驗上預(yù)測和證明了一些水溶性富勒烯衍生物能夠抑制人體免疫缺陷病毒酶 人類的許多疾病是由于細(xì)菌而引起的 已有許多研究表明富勒烯衍生物具有抗菌作用 9 碳納米管 1 性能 10 碳納米管的應(yīng)用潛力高性能纖維 復(fù)合材料高導(dǎo)電 高導(dǎo)熱纖維 復(fù)合材料抗沖擊防護(hù)材料電磁屏蔽鋰電 超電容儲能和電極材料吸附和過濾材料用于 航空航天 軍工 能源 環(huán)境 機械 電子 生活 11 石墨烯 12 石墨烯是由碳原子以 2雜化連接的單原子層構(gòu)成的 其基本結(jié)構(gòu)單元為有機材料中最穩(wěn)定的苯六元環(huán) 其理論理論厚度僅為0 35nm 是目前所發(fā)現(xiàn)的最薄的二維材料 13 20世紀(jì)70年代 Clar等利用化學(xué)方法合成一系列具有大共軛體系的化合物 即石墨烯片 Schmidt等科學(xué)家對其方法進(jìn)行改進(jìn) 合成了許多含不同邊緣修飾基團(tuán)的石墨烯衍生物 但這種方法不能得到較大平面結(jié)構(gòu)的石墨烯 2004年 Geim等以石墨烯為原料 通過微機械力剝離法得到一系列叫作二維原子晶體的新材料 石墨烯 graphene 14 石墨烯中各個碳原子之間的連接十分柔韌 當(dāng)對其施加外部機械力時 碳原子面就會彎曲變形 從而使碳原子不必重新排列來適應(yīng)這個外力 就保持了該材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性 同時 這種穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)也使石墨烯具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性 石墨烯中的電子在軌道中移動時 不會因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生散射 石墨烯因具有高的比表面積 突出的導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能及其非凡的電子傳遞性能等一系列優(yōu)異的性質(zhì) 15 石墨烯獨特的性能與其電子能帶結(jié)構(gòu)緊密相關(guān) 石墨烯電子能帶結(jié)構(gòu)以獨立碳原子為基 將周圍碳原子產(chǎn)生的勢作為微擾 可以用矩陣的方法計算出石墨烯的能級分布 在狄拉克點附近展開 可得能量與波矢呈線性關(guān)系 類似于光子的色散關(guān)系 且在狄拉克點出現(xiàn) 這意味著在費米面附近 石墨烯中電子的有效質(zhì)量為零 這也解釋了該材料獨特的電學(xué)等性質(zhì) 16 石墨烯是構(gòu)成下列碳同素異形體的基本單元