文 献 综 述

1、碳纳米管材料的介绍

碳是自然界分布普遍的一种元素。1991年，日本NEC公司基础研究实验室的电镜专家S.Iijima在用电子显微镜观察石墨电弧法制备富勒烯产物时，发现了一种新的碳的晶体结构#8212;#8212;碳纳米管，自此开辟了碳科学发展的新篇章，也把人们带入了纳米科技的新时代。

碳纳米管是由单层或多层含六边形网格的石墨片卷曲而成的无缝纳米级圆筒，两端的”碳帽”由五边形或七边形参与封闭，相邻层间距与石墨的层间间距相当,约0.34nm。碳纳米管的直径为零点几纳米至几十纳米,长度一般为几十纳米至微米级,也有超长碳纳米管, 长度达2 mm。根据构成管壁碳原子的层数不同, 可将其分单壁碳纳米管和多壁碳纳米管[1]。由于其结构上的特殊性，科学家们预测碳纳米管将成为21世纪最有前途的一维纳米材料。

单层碳纳米管可以看作是由六角网格状碳原子层卷曲形成的无缝圆柱。石墨单层为二维六角晶格,选择基矢a₁^∵、a₂^∵,网格上任意一格点可用一组数(n,m)来标记。卷曲石墨层,使得原点(0,0)和某一选定格点(n,m)重合,所得到的碳纳米管的直径和螺旋度惟一地由该点的坐标(n,m)所决定,因而单层碳纳米管可用一对整数(n,m) 标记。从原点到点(n,m)的矢量称为螺旋矢量螺旋矢量

C_h^．= na₁^∵ ma₂^∵(1)

螺旋矢量C_h^．沿a₁^∵轴方向所得的(n,0)碳纳米管，管轴与一组C#8212;C键平行,由于沿周长方向碳键排列的方式类似于锯齿，因此常称为”锯齿型”碳纳米管。理论研究表明，如果单层碳纳米管的管壁中存在五元环、七元环或七元环五元环对，此缺陷的两侧将有不同的手性，表现出不同的电性质而形成金属半导体。

理想的多层碳纳米管可以看成是多个直径不等的单层管同轴套构而成，其层数可以从二层到几十层，其外径一般为几个至几十个纳米，内径0.5至几个纳米，长度为几个至几十个微米，甚至几个毫米。多层碳纳米管的层间距为0.34nm，比石墨的层间距要大，因而多层碳纳米管的层间相互作用较石墨的要弱。与此同时，层与层之间没有相对固定的位置，也就是说，石墨层间排列方式在多层碳纳米管中被破坏了, 使得多层碳纳米管的结构趋于复杂。在碳纳米管中，Iijima等人发现存在有七元环。这样, 碳纳米管中将出现更多复杂多变的结构和有趣的性质。随后及近期的许多工作证实了这一点。多层碳纳米管的端部大部分也是封闭的。由于管径较大，其封闭形式也出现了多种情况。一部分碳纳米管的顶端结构呈现对称性，而另一部分碳纳米管的顶端结构呈现非对称性。再一个明显的特点是某些碳纳米管的顶端封闭结构是一组紧密相邻石墨层，而另外一些碳纳米管的顶端封闭结构则是由几组石墨层组成[2][3]。

2、碳纳米管增强纳晶块体研究的意义

碳纤维因其轻质高模量而作为增强元件广泛应用于航天工业、体育工业中。由于碳纳米管由碳#8212;碳共价键结合而成，它表现为典型的一维量子材料。与微米级的碳纤维相比，具有管径小、长径比大的特点，使碳纳米管具有优良的电学和力学性能，具有很高的轴向强度、韧性和弹性模量，杨氏模量与金刚石相同，约为1Tpa，弹性应变最高可达12%，理论强度可达10⁶ Mpa，是钢的100倍，并且具有很高的韧性，而密度仅为钢的1/7，耐强酸、强碱，在空气中7O0^oC以下基本不氧化，有望成为复合材料增强体[4-6]。因此，近年来有关碳纳米管复合材料的研究已成为碳纳米管应用研究的热点之一。碳纳米管复合材料包括一维(纳米线、纳米棒)二维(薄膜)和三维(块体)复合材料。碳纳米管独特的结构及与之相关的力学、电子特性及化学性能，必然决定了它在物理、化学、信息技术、环境科学、材料科学、能源技术、生命及医药科学等领域均具有广阔的应用前景。