碳纳米材料的结构应用多样性

来源：材料科学与工程

1. 碳元素纳米材料的形成

元素周期表中的碳元素包含各种同素异形体，例如，非晶碳，石墨，金刚石，碳球，碳纳米管（CNT）和石墨烯。并且它具有SP，SP2，SP3杂交的各种电子轨道特性。此外，SP2的各向异性导致了晶体性和其他排列的引导。利用在1000℃下的H2催化下合成的三种不同结构的碳材料(碳球、竹状碳纳米管、直碳纳米管)，可通过大气压力化学气相沉积(APCVD)来改变其流量。

形成方法：

激光蒸发石墨法:该方法是在使用金属催化剂的情况下，用脉冲激光轰击石墨表面，在石墨表面[2]上制备纳米级碳材料。

等离子喷涂沉积法:将离子喷涂的钨电极(阴极)和铜电极(阳极)用水冷却。当Ar / He载气携着苯蒸汽通过等离子炬时，会在阳极上沉积含纳米碳灰材料[3]表面。

凝聚态电解生成法:采用石墨电极(电解池为阳极)，在600℃左右的温度下，氩气作为保护气，在一定的电压和电流下电解熔融的卤化物碱盐，电解生成各种形态的碳纳米材料。

石墨电弧法:石墨电弧法是在一定的环境下，利用石墨电极从阴极沉积中放电碳纳米材料的方法。

化学气相沉积法:是制备碳材料的一种广泛使用的方法，可分为催化化学气相沉积法和非催化化学气相沉积法。当含碳源的气体(或蒸汽)流过催化剂表面时，它就会被催化分解。乙烯、乙炔、苯乙烯、苯、甲苯、甲烷等通常用作碳源，它们通常是化学活性化合物，含有不饱和化学键;常用过渡金属、稀有金属或金属氧化物作为催化剂;氩气、氮气或氢气通常用作载气。非催化气相沉积不需要任何催化剂，直接在保护气氛下热分解气相含碳有机物。

2.纳米管

碳是碳氢化合物热分解的产物。碳的独特结构使其具有特殊的活性相表面，从而限制了催化剂在催化反应中的活性并降低了反应速率。催化剂的表面可以以不同的形式产生，例如丝状，石墨或无定形碳。其中，碳丝（碳纳米管和纳米纤维）是最常见的。

碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片制成的无缝空心管。它们通常可分为单壁碳纳米管，多壁碳纳米管和双壁碳纳米管。

碳纳米管（人工非晶态和/或晶体纳米矿物的复杂混合物），甚至在某些地质材料中，也已检测到痕量浓度的富勒烯，例如煤衍生的飞灰碳纳米管被广泛使用，包括电子材料，燃料电池，增强复合材料和医学领域。碳纳米管的生产方法包括电弧放电，激光蒸发，化学气相沉积和催化。电弧放电法不适合大规模生产，但是这种方法可以生产高质量的纳米管。

图1 具有空心结构的直碳纳米管的TEM图像

3 .纳米球

根据尺寸，碳纳米球分为：（1）富勒烯族Cn和洋葱碳结构（具有2-20nm直径的封闭石墨层结构），例如C60，C70（2）不完全石墨纳米碳球的直径在50nm至1μm之间。（3）直径大于11μm的碳微球结构。另外，根据碳球的结构和形态，可分为中空碳球，固体硬碳球，多孔碳球，核壳结构碳球和胶体碳球。

一些典型的碳纳米材料，如纳米球、碳纳米管和BCNTs，可以在低质量的那加兰邦(印度)煤的熔碱化浸出(MCL)的洁净煤产品中检测到，同时去除相当数量的矿物(灰产量)和硫。煤碳纳米球是由层状碳结构组成。这些碳纳米材料在这类煤中并不常见。

利用含硅、氧、钾等附加元素的碳电极电弧放电制备碳纳米管(主要含碳和硅)，在两个碳电极的近底面制备碳纳米管。假设等离子体壳体由弧柱组成，电流集中在弧柱中心。当电子集中在弧柱的中心时，从两个电极上蒸发的离子会移动到弧柱的外面。硅、氧和碳离子在冷却时重新结合形成碳纳米管，附着在电极的边缘。

图2 高延展性碳纳米球

4. 纳米纤维

分为丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维两种。碳纤维比铝轻，比钢强，它的比重是铁的1/4，强度是铁的10倍。除具有极好的强度外，其化学性质还非常稳定，耐腐蚀，高温和低温，耐辐射，除臭。

与单壁碳纳米管相比，碳纳米纤维的经济实用性远高于单壁碳纳米管，这使得碳纳米纤维得以研究并制成高功能的聚合物填充材料，然后进行批量生产和使用。通常，碳纳米纤维的直径通常为60-200 nm，长度通常为100 lm。另外，碳纳米纤维的杨氏模量为600GPa，拉伸强度通常在2.5至3.5GPa 之间。碳纳米纤维可以与其他聚合物结合形成具有优异性能的纳米级复合材料，碳纳米纤维材料通常被认为是复合材料的基质材料，并且增强了复合材料的整体导电性和机械性能。但是，范德华力倾向于使纳米纤维趋于聚集，因此纳米纤维在复合材料中的应用取决于纳米材料是否可以均匀地分散在基质中。富勒烯和碳纳米管都是具有经济价值的空心球形碳基纳米材料。

图3 具有10 wt％纳米纤维的复合材料的断裂表面的SEM图像

文：张子旋。Reference: