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碳纳米管

1991年,日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家Iijima在高分辨率投射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子，这就是今天被广泛关注的碳纳米管。从石墨，金刚石到富勒碳，再到碳纳米管，晶体碳的结构日趋完美。在纳米碳管发现之前，在晶体碳的同素异形体中，石墨是二维（面），金刚石是三维（体），C₆₀是零维的（点）。人们自然会联想到，是不是还存在一维的晶体碳呢？自1991年Iijima发现了碳纳米管后，这个问题最终有了答案。

①结构 采用高分辨率电镜技术碳纳米管的结构现察证明，多层碳纳米管一般由几个判几十个单壁碳纳米管同轴构成，管间距0.34mm左右，这相当于石墨（002）面间距，碳纳米管的直径为零点几纳米至几十纳米，每个单壁管侧面由碳原子六边形组成，一般为几十纳米至微米级。两端由碳原于的五边形封顶。单壁碳纳米管可能存在三种类型的结构，分为单壁纳米管、钜齿形销米管和于性形纳米管，这些类型的碳纳米管的形成取决于碳原子的六角点阵二维石墨片是如何“卷起来”形成圆桶形的。

②碳纳米管的制备、碳纳米管的制备方法很多，除了用碳棒做电极进行直流电弧放电法外，碳氢化合物的热解法也同样可获得大量碳纳米管，通过乙炔在 Co 或 Fe 等催化剂粒子上热解长出几十纳米长的碳纳米管，有的为线圈形。在充氧及稀释剂的低压腔中燃烧乙炔、苯或乙烯等也获得了碳纳米管。多壁碳纳米管的生长不需要催化剂，单壁碳纳米管只有在催化剂的作用下才能生长，但有催化剂的情况下也可能生长多壁碳纳米管。有人在电弧放电阳极碳棒尖端置入 Fe或 Co 催化剂，获得了单壁碳纳米管。

③ 特性和应用 碳纳米管具有独特的电学性质，这是由于电子的量子限域所致，电子只能在单层石墨片中沿纳米管的轴向运动，径向运动受限制，因此，它们的波矢是轴向的，只需要无限小的能量就能将一个电子激发到一个空的激发态，具有金属性。因此，多数碳纳米管是良好的电导体，与工程塑料复合后，可赋予工程塑料抗静电性和导电性。碳纳米管具有与金刚石相同的热导性和独特的力学性质，其拉伸强度比钢高100 倍，延伸率达百分之几，并具有好的可弯曲性。这些十分优良的力学性能使它们有潜在的应用前景。例如，它们可用作工程塑料的增强材料，大大提高工程塑料的力学性能。