Physics 版 (精华区)

发信人: Landau (朗道), 信区: Physics
标  题: [转寄] 神奇的碳纳米管 4 超长定向碳纳米管阵列 (转载)
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年02月20日18:58:31 星期二), 转信

【 以下文字转载自 Landau 的信箱 】
【 原文由 pions.bbs@bbs.nju.edu.cn 所发表 】
发信人: monolayer (炼金士), 信区: NanoTech
标  题: 神奇的碳纳米管 4 超长定向碳纳米管阵列 
发信站: 南大小百合 (Thu Feb 15 23:12:19 2001) , 转信


　　到目前为止，人们已发明了多种方法来制备碳纳米管，其中以电弧放电法、有机气体
催化热解法和激光蒸发石墨法这三种方法最为有效。但从碳纳米管的基本性质研究和实际
应用的要求来看，目前制备的碳纳米管存在着长度短、分布无序等的不利因素，给碳纳米
管的研究带来了很大的困难。因此，制备出离散分布的高质量碳纳米管，成为人们追求的
目标之一。同时，由于定向排列的碳纳米管阵列在平面显示器中有重要的应用潜力，所以
开发适宜的工艺来大面积制备排列有序、直径均匀、尖端较细的碳纳米管阵列是当前碳纳
米管研究的热点之一。 
　　笔者所在研究组发明了一种采用模板法(template)制备大面积、高密度、离散分布的
碳纳米管阵列的新工艺[6]，并利用改进后的基底，成功地控制了碳纳米管的生长模式，实
现了催化剂颗粒集中在碳纳米管顶部的顶端生长方式。采用这种方法制得的碳纳米管直径
均匀、长度达到了2毫米，比国际上已有的碳纳米管的最大长度提高了1～2个数量级。这一
工作已在英国《自然》周刊（Nature）上发表[7]，并受到高度评价。 
　　在实验中，通过正硅酸乙酯在硝酸铁溶液中水解，制备出表面均匀分布着Fe－SiO2纳
米催化剂颗粒的片状SiO2基底。然后以乙炔为碳源，在600℃条件下，通过催化热解方法在
SiO2基底上制备出大面积的碳纳米管阵列。由于碳纳米管由基底表面垂直向上生长，从而
形成高密度、离散分布的定向碳纳米管阵列。碳纳米管生长均匀，其外径尺寸在20～40纳
米之间，内径尺寸在10～15纳米之间。碳纳米管之间的间距约为100 纳米。这样制备出来
的碳纳米管的石墨化程度较高，仅在管的外层附着少量的非晶碳。在实验范围内(1～48时
)，碳纳米管的长度随生长时间的延长而增大，碳纳米管的生长速率约为30～40 微米/时。
在生长48小时之后，碳纳米管的长度可达到2～3毫米。在世界上,这是迄今为止制备出来的
最长的碳纳米管。 
　　用这种方法，可以很容易地将碳纳米管阵列从基底表面取下而不破坏阵列的离散性和
取向性。对碳纳米管阵列根部进行的电镜观察表明，碳纳米管的根部呈自然开口状态[8]。
在生长碳纳米管之后，Fe－SiO2催化剂颗粒被转移到碳纳米管的头部，这使得碳纳米管的
生长模式成为可控的，从而成功地实现了碳纳米管的顶部生长。 
　　超长碳纳米管阵列的成功制备，为采用常规实验手段测试碳纳米管的性能提供了条件
，这对碳纳米管的基本性质研究和实际应用都有重要意义。理论计算表明，碳纳米管可望
具有极优异的力学性能。然而，碳纳米管的尺寸太小,使人们无法对其进行直接拉伸测试，
对其力学性能的研究只能用非常规的方法。有人在透射电镜中用电子束加热碳纳米管，观
察碳纳米管的热振动幅度，或者用外加一个谐变电场激发碳纳米管的振动，由碳纳米管受
迫振动的振幅和频率推算出其杨氏模量可高达1.8太帕。也有人对一端固定的碳纳米管，利
用原子力显微镜针尖迫使碳纳米管的自由端运动，造成碳纳米管弯曲，测得的平均杨氏模
量为(1.28±0.59) 太帕。 
　　超长碳纳米管的成功制备，使得利用常规方法对碳纳米管力学性能的测定成为可能。
笔者利用一种小型拉伸装置首次对碳纳米管的拉伸特性进行了研究，直接测量了碳纳米管
平行束的杨氏模量和抗拉强度。笔者测得碳纳米管的杨氏模量和抗拉强度分别为(0.45±0
.23)太帕和(1.72±0.64)吉帕。测量结果比理论计算值和前面所述的实验研究结果低，这
主要是由于碳纳米管中存在大量的缺陷以及在拉伸过程中石墨层之间可能产生了相对滑动
。     
　　此外，笔者采用一种新的自加热3ω方法，可以利用超长碳纳米管研究其热学输运性质
，如热导率、比热和热扩散系数等。研究发现碳纳米管的热导率比理论预计的要低得多，
比理想石墨的热导率约低两个数量级。在实验温度范围内(10～300开), 碳纳米管的比热在
整个温区内随温度呈很好的线性关系。     
　　超长碳纳米管的成功制备,不仅易于对碳纳米管的物理性能和力学性能进行研究，而且
用超长碳纳米管容易做成更长寿命的场发射器件,也可以用它们作为加强材料制备新型的复
合材料



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