气体燃烧法

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碳纳米管
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碳纳米管——又名巴基管,隶属于一种具有
特殊结构(径向2~20nm量级,轴向为微米
量级、管子两端基本上都封口)的一维量
子材料。
组成——主要由呈六边形排列的碳原子构成
数层到数十层的同轴管子。
按石墨烯片层区分:单壁碳纳米管和多壁
碳纳米管
碳纳米管
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特点:独特的金属性和半导体导电性、极
高的机械强度、贮存氢能力、吸附能力、
较强的微波吸收能力,被誉为纳米材料中
的“乌金”。
应用:在高科技领域逐步获得应用,并显
现出巨大的潜在商用价值。
国外碳纳米管发展动态
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发现:1991年,由日本NEC公司基础研
究实验室电子显微镜专家饭岛在搞分辨投
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,意外发现了碳纳米管
碳纳米管的应用领域
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碳纳米管在复合材料、电子、场发射
组件、能源、资源、量测、一起、生
物医学、及平台等七个重点领域得到
广泛应用
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美国商务部市场调查机构BBC统计得,07
年全球碳纳米管市场产值达到7910万美
元,09年产值接近3亿,11年超过了8亿
元,年均复合增长率38.7%。
碳纳米管应用优势领域凸显
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在日本,《第八次科技预测》中,基于碳纳米管
的优势特性,使得在未来半导体应用中得到重
用,可否完全有效取代Si的应用地位引起了高度
关注,在医学、能源与资源的应用也是重要热点
碳纳米管环境影响引起关注
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近年来,纳米生物效应及进入安全性倍受
关注,当碳纳米管进入生命体后,是否对
生命体产生潜在的影响,成为了科学研究
前沿的最热门主题之一。
尽管美国学着发现碳纳米管在小鼠肺部、
果蝇体内产生潜在毒性;英国、澳大利亚
等科学家发现长期暴露在碳纳米管环境中
的小鼠出现了免疫系统失调,但是碳纳米
管对生命体潜在影响,尚无定论。
我国碳纳米管发展动态及问题
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对碳纳米管的研究主要集中于生长工、生
长机理、机构分析、材料特性方面。
以中科院、清华大学、北京大学等为代表
的科研院所,在大面积定向超长碳纳米管
阵列生长技术上已逐步实现突破
相关成就
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中科院化学所以离子液体为介质,成功制备再生纤
维素/碳纳米管复合纤维。
以超临界流体技术,制备出我国首个纳米场效应晶
体管。
以“气流波动化学气相沉积法”可控制制备分支机
构碳纳米管阵列,并可调控起各部分化学成分,实
现其不同衬底可控制备铁填充碳纳米管。
大连化学物理所证实了碳纳米管的束缚效应,发现
碳纳米管独特催化特性。
西安交通大学制备的场发射平板显示器样管,已实
现连续无故障工作700小时记录。
碳纳米管相关研究水平逐步提升
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据Thomson Reuters统计,Web of Science数
据库自1900年以来关于碳纳米挂论文数已
达39692篇。其中08年全球论文数7562
篇,我国论文数为1901篇,占总量的
25.14%,我国的研究水平已居于全球领先
水平。
07~11年,全球碳纳米管市场份额
碳纳米管规模化发展尚需突破关键
技术与设备的制约
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目前,美国、日本等发达国家的碳纳米管厂商,在
碳纳米管的批量化制备技术及相关设备方面一直处
于领先地位。
碳纳米管批量化制备技术
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常用方法:石墨电弧法、浮动催化法CVD
法、激光蒸汽法、辉光放电法和气体燃烧
法等多种制备方法。
难点:碳纳米管制备在纯度、质量、能耗
以及分离技术等方面,实现大批量化、规
模化的技术难题
碳纳米管制备的核心设备
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制约:我国碳纳米管的制备绝大多数依
赖国外引进,设备相关设计、制造的核
心技术、内部主要耐高温材料、控制系
统及软件系统均受控于国外厂商。
发展碳纳米管的对策与建议
探索批量化制备技术
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我国南风集团和清华大学
共同开发纳米聚团床反应
器制备碳纳米管生产技
术,实现120t/a的生产能
力。
开发低成本碳纳米管批量
化制备技术,组织碳纳米
管工业化生产和应用研究
拓展新兴应用商机
 由于为晶体管研发的聚合
物有机物质迁移率低,制
约了碳纳米管的应用。
 未来发展:在碳纳米管的
电磁吸收特性、电化学性
以及催化特性等方面作深
入研究。
 在影响碳纳米管电化学性
的尺度特性、表面基团、
点击成型压力以及电解液
方面作深入研究。
碳纳米管未来应用预测
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电子领域:透光导体,包括在显示器应用
中取代ITO、触屏屏幕、太阳能电池,以及
连接TFT与前端面板等。
碳纳米管在薄膜半导体与导体的应用,涵
盖太阳能电池与显示器的透明电极、脉冲
镭射的饱和吸收体,以及场效应管半导体
薄膜等。
碳纳米管制备方法
电弧放电法(Arc Discharge)
置于充满惰性气体氢气或氩气的反应容
器将中的石墨电极在电弧激发下蒸发,在
阴极石墨的表面沉淀生成有富勒烯
(C60)、无定型碳和单壁或多壁碳纳米
管。
电弧放电法
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优点:制备技术上比较简单,通过控制催
化剂和容器中氢气含量可以调节产物的相
对产量,即工艺参数较易控制。
缺点:制备装置复杂,制备的成本高,反
应消耗的能量太大,生成的碳纳米管与C60
等产物混杂,很难得到纯度较高的碳纳米
管。
化学气相沉积法
Chemical Vapor Deposition (CVD)
气态烃(乙炔、乙烯等碳氢化合物)通
过附着有催化剂微粒的模板,在高温和有
保护气体作用下,碳氢化合物因高温而催
化裂解成碳,然后吸附在基板催化剂表面
进行沉积生长出CNTs。
化学气相沉积法
优点:化学气相沉积法具有生产成本低、产
量大、实验条件易于控制、节省能量、重
复性好,通过控制催化剂的模式,可得到
定向碳纳米管,能实现大规模制备高质量
的多壁碳纳米管。
缺点:CVD法大量制备的碳纳米管存在较多
的结晶缺陷,易发生弯曲和变形,石墨化
程度差,这些缺点对碳纳米管的力学性能
及物化性会有不良影响。
激光蒸发法
Laser Ablation Method
在1200℃的电阻炉中,以激光冲击石
墨-金属靶,使石墨靶表面上碳气化生成碳
纳米管。
优点:晶化程度、纯度很高
缺点:设备复杂昂贵,产量不大,合成成本
高的缺点。
气体燃烧法
气体燃烧法采用燃烧含有碳有机物的过
程中,利用各种催化剂进行制备。
基于TRIZ理论分析CNT制备方案
电弧放电法
1.问题分析
优点:制备技术上比较简单,工艺参数较易
控制。
缺点:制备装置复杂,制备的成本高,反应
消耗的能量太大,生成的碳纳米管与
C60等产物混杂,很难得到纯度较高
的碳纳米管,不适合大批量制备碳纳
米管。
3.问题解决
将一般领域问题描述转换成39项工程参数的
2项,即转换成TRIZ的标准问题
分析电弧放电法的优缺点以及目前该方法的局限性,把“技
术上简单,可控制性”定义为“可制造性”。把“难以批
量生产”定义为“生产率”。
工程参数32可制造性:指物体或系统制造过程中简单、方
便的程度,此为要达到的属性,属于改善参数。
 工程参数29生产率:指单位时间内,系统执行的功能或者
操作的数量;或者完成某种功能或操作所需时间,此问题
中,生产率变差,属于恶化参数。
根据得到的工程参数,确定解决问题需要的发明原理
查阅阿奇舒勒的技术矛盾矩阵,得到推荐的发明原理的序号为:
35,1,10,28。
35号改变物理或化学参数原理:
1.改变聚集态2.改变浓度或密度3.改变柔性4.改变温度
1号分割原理:
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1. 将物体分割为独立部分 2. 使物体成为可组合的(易于拆卸和
组装)3. 增加物体被分割的程度
10号预先作用原理:
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1. 事先完成部分或全部的动作或功能 2. 在方便的位置预先安置
物体,使其在第一时间发挥作用,避免时间的浪费。
28号机械系统替代原理:
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1.用感官刺激的方法代替机械手段2. 采用与物体相互作用的
电、磁或电磁场3.场的替代:从恒定场到可变场,从固定场到随
时间变化的场,从随机场到有组织的场。4 . 将场和铁磁粒子组
TRIZ解的类比应用得到问题的最终解
应用35号改变物理或化学参数原理可以得到如下解决方案:
 改变聚集态或几何结构:可以将石墨电极进行一定改进,
气相或者液相,使得在引入电极产生电弧时,石墨能快速
大量气化形成碳纳米管等物质。或者改变石墨电极的形
状,几何机构,如把电极做成大圆盘式形状。
 采用化学方法(化学参数):化学气相沉积法(下一节做
介绍),气体燃烧法,热解聚合物法。
 备用方案:改变石墨电极的浓度或密度,以及改变电极柔
性,导电性等
TRIZ解的类比应用得到问题的最终解
应用1号分割原理可以得到如下方案:
 把一个物体分成相互独立的部分:将石墨电极做成可分离
的部分,独立的部分可以在反应完全后连续引出更换石墨
电极。
 可分性:将设备分割成若干个轻便的子系统,每一部分实
现一些功能,易于操作。阴极和阳极的位置可调整,当部
分原料反应完毕后可通过调整电极位置,利用其他区域的
原料继续碳纳米管的合成。
 阴极棒与阳极圆盘上表面成斜角,在电弧力的作用下可在
反应室内形成一股粒子流,能计及时将碳纳米管带出反映
去,避免了产物烧结。
 应用10号预先作用原理可以得到如下解决方案:
 预先对物体施加必要的改变:没思考出来…
TRIZ解的类比应用得到问题的最终解
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应用10号预先作用原理可以得到如下解决方案:
预先对物体施加必要的改变:没思考出来…
预先在合适的位置和时间对其进行导电,加快反应时间。
应用28号机械系统替代原理可以得到以下解决方案:
使用与物体相互作用的电磁场
将场和铁磁粒子组合使用

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