1、碳纳米管纸（巴基纸）碳纳米管纸（巴基纸）轻化112班刘仰勋1101050208引言 1991 年日本电镜专家 Iijima发现碳纳米管,立即引起物理界、化学界和材料科学界以及高新技术产业部门的广泛关注,在科学界掀起了继发现 C60之后关于碳同素异形体的又一次研究热潮。碳纳米管具有优异的物理化学特性,在很多领域具有很好的应用前景。到目前为止,碳纳米管的许多宏观体都已有报道：1碳纳米管阵列；2碳纳米管长丝；3碳纳米管纸(也称为 Buckypaper,巴 基纸)；4碳纳米管薄膜；巴基纸是由相互纠缠的碳纳米管,通过管与管间的范德华力构成的像纸一样的碳纳米管薄层。与碳纳米管薄膜相比,巴基纸为自支撑(Fr
2、ee-standing)结构,具有非常优异的力学性能。巴基纸的属性巴基纸的属性 巴基纸的重量只是普通纸的是十分之一，但是如果把一摞巴基纸压制成一种复合材料，它的强度可能是钢的500倍。与其他复合材料不同，它可以驱散热量，如黄铜或钢，它可以进行导电，如铜或硅一样可以导电。由于具有很好的电学性能,从而使得巴基纸在制动器、传感器、电容器、电极、燃料电池和场发射显示器等领域有着广阔的应用前景。生物燃料电池生物燃料电池巴基纸的应用1.防火，由于碳纳米管或碳纤维的致密层的有效反射热，覆盖一层薄薄的巴基纸材料显着提高耐火性能。2.如果暴露电荷，巴基纸可以用来照亮电脑和电视屏幕。这可能是更节能，并可能允许的亮
3、度更均匀，比目前的阴极射线管（CRT）和液晶显示器（LCD）技术水平更高。3.由于个别碳纳米管的已知最导热的材料之一，巴基纸本身散热器的发展，将使计算机及其他电子设备的散热更有效。这可能会进一步促进电子小型化。4.碳纳米管纸具有 优异的电学性能，可以用作军用飞 机的隐身涂层，使其免受雷达侦测。5.巴基纸可以作为一个过滤膜，捕获空气或液体中的微粒。巴基纸的碳纳米管，具有不溶性和功能可与多种官能团，他们可以选择性地删除化合物或可以作为一个传感器。6.生产成本降低产量加大，巴基纸复合材料可作为一个有效的装甲，也可能应用于太空设备，如：设想的太空电梯。巴基纸的制备 按照巴基纸的制备过程,可以将巴基纸的
4、制备方法分为两步法和一步法。所谓两步法,是指先制备出碳纳米管；然后再通过适当的后处理过程将碳纳米管制备成巴基纸的方法;而一步法指的是直接生长出巴基纸的方法。目前制备巴基纸的方法以两步法为主,两步法主要包括抽滤法、旋涂法和滚压法。抽滤法制作碳纳米管纸 50mg 纯度为纯度为95%以上的高纯以上的高纯单壁碳纳米管单壁碳纳米管、0.5g 的表面活的表面活性剂性剂 TritonX-100 溶于溶于50 mL 去离子水中去离子水中超声震荡、抽滤超声震荡、抽滤（孔径为（孔径为0.22Lm 的的聚四氟乙烯薄膜作聚四氟乙烯薄膜作为滤膜）为滤膜）单壁碳纳米管膜单壁碳纳米管膜 去离子水清洗去离子水清洗,甲醇清洗甲
5、醇清洗 （除除去残余的表面活性剂去残余的表面活性剂）；）；真空中干真空中干燥燥,使碳纳米管膜与聚四氟乙烯薄使碳纳米管膜与聚四氟乙烯薄膜分离膜分离。碳纳米管纸碳纳米管纸 抽滤多壁碳纳米管水溶液制备的巴基纸抽滤多壁碳纳米管水溶液制备的巴基纸 优点是所需设备简易、价格低廉,在过滤之前可以纯化碳纳米管,从而获得铁含量很低的巴基纸。缺点是制备的巴基纸中碳纳米管的排列比较弯曲,容易结块所得巴基纸较脆,在干燥和与过滤膜分离的过程中巴基纸容易发生破裂。为了获得机械强度高的巴基纸需要对碳纳米管进行官能团化处理,这就使得制备过程更为复杂;或者在碳纳米管中添加一些表面活性剂,但表面活性剂不容易完全去除,影响了巴基纸
6、的电学和力学性能。旋涂法制备巴基纸 旋涂法是将碳纳米管的溶液滴加到高速旋转的基板上旋涂法是将碳纳米管的溶液滴加到高速旋转的基板上来制备巴基纸的一种方法来制备巴基纸的一种方法。在石英基底上制备定向在石英基底上制备定向排列的碳纳米管排列的碳纳米管,在碳纳米管的顶端用旋涂在碳纳米管的顶端用旋涂 法涂覆一层甲苯磺酸铁薄法涂覆一层甲苯磺酸铁薄 膜膜,用化学气相聚合的方法在碳用化学气相聚合的方法在碳纳米管的顶端涂覆一层导电性良纳米管的顶端涂覆一层导电性良好的聚乙撑二氧噻吩薄膜好的聚乙撑二氧噻吩薄膜,并在聚并在聚 乙撑二氧噻吩薄膜的顶端浇铸乙撑二氧噻吩薄膜的顶端浇铸 一层聚偏二氟乙烯薄膜一层聚偏二氟乙烯薄膜
7、,将碳纳米管直接从石将碳纳米管直接从石 英板上剥离英板上剥离,形成强形成强 度很好的自支撑结构。度很好的自支撑结构。旋涂法制备巴基纸的扫描电镜照片旋涂法制备巴基纸的扫描电镜照片 优点是,用可以导电的基板与碳纳米管交缠在一起,形成强度很好的巴基纸,而且碳纳米管具有很好的定向性;缺点是包含聚合物高分子,并不是完全由碳纳米管交缠在一起的巴基纸,应用的领域受到一定限制。滚压法制备巴基纸 清华大学的范守善教授课题组发明了一种利用多米诺效应来制备碳纳米管水平定向排列巴基纸的滚压法。在硅基底上用在硅基底上用 CVD CVD 方法制方法制备定向排列的多壁碳纳米管备定向排列的多壁碳纳米管 在碳纳米管的顶端在碳纳
8、米管的顶端覆盖一块多微孔薄膜覆盖一块多微孔薄膜,薄膜上放一个圆柱形薄膜上放一个圆柱形的圆筒的圆筒 所有碳纳米管由于范德华力而所有碳纳米管由于范德华力而相互交缠在一起相互交缠在一起,形成定向排列形成定向排列的的碳纳米管巴基纸碳纳米管巴基纸沿着一个方向用恒定压力推动圆筒滚压法滚压法制备巴基纸的宏观和电镜照片制备巴基纸的宏观和电镜照片 该方法克服了抽滤法制备的巴基纸中碳纳米管弯曲和结块现象,可以在不用添加任何表面活性剂的情况下制备出力学性能很好的巴基纸,能用于制备碳纳米管很长且平直排列的巴基纸。上图为用该法制备的巴基纸的宏观(a)和扫描(b)照片。该方法的缺点是不能除去碳纳米管中的催化剂颗粒和非晶碳
9、等杂质,虽然可将定向排列的碳纳米管制备成巴基纸,但是要将本身无序排列的碳纳米管制备成巴基纸则较为困难;同时该方法仍然属于两步法制备巴基纸,比一步法制备巴基纸过程复杂。一步法制备巴基纸 又称CVD 法（碳氢化合物在一定的温度下分解,气相碳在基体上沉积,形成具有金刚石晶体结构的薄膜的工艺）在硅基底上沉积一在硅基底上沉积一层层 5 20nm 5 20nm 厚的铝薄厚的铝薄层作为缓冲层层作为缓冲层 在铝薄层上沉积一在铝薄层上沉积一层层 1 3nm 1 3nm 厚的催化厚的催化剂铁颗粒层剂铁颗粒层 乙烯为碳源乙烯为碳源,氩气、氢气和水氩气、氢气和水蒸气作为载气蒸气作为载气碳纳米管纸碳纳米管纸生长温度为生
10、长温度为750 800 750 800 碳源进给完毕后碳源进给完毕后,仍然仍然通入载气一段时间。通入载气一段时间。CVDCVD法制备的碳纳米管纸典型形貌法制备的碳纳米管纸典型形貌 为什么碳源进给完毕后,仍然通入载气一段时间？水蒸气对制备自支撑巴基纸起到了非常重要的作用,对碳纳米管也有一定的氧化作用,微量的水蒸气可以使碳纳米管与基底脱离。该方法的优点是用固定催化剂法直接制备出巴基纸,同时通入一定量的水蒸气刻蚀碳纳米管中的非晶碳,所制备的巴基纸很纯净,不需要任何纯化措施;缺点是催化剂的沉积过程较复杂,一定程度上增加了制备成本。一步法制备巴基纸比两步法制备巴基纸在制备过程上更为简单,避免了有机溶剂的使用,并且所得巴基纸具有良好的力学性能,但是不易纯化,含有大量的非晶碳和催化剂铁颗粒等杂质,从而限制了巴基纸的应用范围,如在锂离子电池上的应用。用固定 CVD 法制备的巴基纸基本不含催化剂,可以制备纯净的巴基纸,但该制备工艺需要在基底上预先沉积催化剂颗粒,程序较为复杂,成本较高。总体来讲,一步法制备巴基纸在成本和性能等方面都更有优势。一步法与两步法制备巴基纸比较谢谢！
