宏观长度结构完美的超长碳纳米管的可控制备与性质研究

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 超长碳纳米管的结构与性能 4

1.2.1 超长碳纳米管的结构 5

1.2.2 超长碳纳米管的性能 6

1.3 超长碳纳米管的生长机理及可控制备 10

1.3.1 碳纳米管的生长机理 10

1.3.2 超长碳纳米管的生长模式 13

1.3.3 超长碳纳米管的制备方法 15

1.3.4 超长碳纳米管的结构与形貌调控 18

1.4 碳纳米管的标记及可视化观测技术 22

1.4.1 单根碳纳米管的直接观测技术 22

1.4.2 通过包覆对荧光响应物质实现的碳纳米管标记和可视化技术 23

1.4.3 通过包覆无机纳米颗粒实现的碳纳米管的标记及可视化技术 24

1.5 碳纳米管的可控操纵技术 26

1.5.1 基于原子力显微镜的操纵技术 26

1.5.2 基于透射电子显微镜的操纵技术 26

1.5.3 基于扫描电子显微镜的操纵技术 27

1.5.4 其他操纵技术 28

1.6 碳纳米管管层间相互滑动行为的研究 29

1.7 论文的研究思路与内容安排 31

第2章 超长碳纳米管的生长机理及宏观长度碳纳米管的制备 33

2.1 超长碳纳米管的制备及相关设备 33

2.1.1 实验装置 34

2.1.2 制备条件 35

2.1.3 超长碳纳米管的形貌 36

2.2 超长碳纳米管的Schulz-Flory分布生长机理 38

2.2.1 Scholz-Flory分布理论 39

2.2.2 超长碳纳米管生长过程的特点 40

2.2.3 超长碳纳米管生长过程的Scholz-Flory分布描述 41

2.2.4 Scholz-Flory分布规律对超长碳纳米管制备的启示 47

2.3 宏观长度结构完美的超长碳纳米管的制备 48

2.3.1 影响催化剂活性概率的因素分析 49

2.3.2 “移动恒温区”法实现宏观长度碳纳米管的制备 51

2.4 超长碳纳米管水平阵列密度过低的机理分析 54

2.4.1 催化剂区短碳纳米管与超长碳纳米管的形貌比较 54

2.4.2 催化剂区短碳纳米管长度短且取向杂乱的原因 54

2.4.3 超长碳纳米管密度很低的原因 59

2.5 提高超长碳纳米管水平阵列密度的措施 61

2.5.1 利用SiO2纳米球来阻止催化剂颗粒的聚并 61

2.5.2 利用石墨烯膜阻止催化剂颗粒的聚并 62

2.6 本章小结 64

第3章 超长碳纳米管的光学可视化及可控操纵 65

3.1 单根悬空碳纳米管上自组装无机纳米颗粒 65

3.1.1 悬空碳纳米管的制备 65

3.1.2 悬空碳纳米管上通过化学气相沉积法自组装无机纳米颗粒 68

3.1.3 碳纳米管上无机纳米颗粒的去除 72

3.2 单根碳纳米管自组装无机纳米颗粒后的光学可视化 73

3.3 碳纳米管上负载无机纳米颗粒对其性能的影响 74

3.4 宏观尺度下单根碳纳米管的可控操纵技术 76

3.4.1 单根碳纳米管可控操纵的设备 77

3.4.2 单根碳纳米管的拉伸操纵 79

3.4.3 单根碳纳米管的切断和转移 81

3.4.4 构建碳纳米管多级结构 83

3.4.5 单根碳纳米管在电场中的响应和操纵 84

3.4.6 构建碳纳米管器件 85

3.5 本章小结 87

第4章 超长碳纳米管的基础性质研究 88

4.1 超长碳纳米管的力学性质 88

4.1.1 气流吹动法测量单根碳纳米管力学性质的实验设计 88

4.1.2 悬空碳纳米管在气流吹动下的受力分析及数学模型 91

4.1.3 利用气流吹动法得到的超长碳纳米管的力学性质 96

4.2 超长碳纳米管的电学性质 102

4.3 超长碳纳米管的热学性质 105

4.3.1 超长碳纳米管热传导的理论分析 105

4.3.2 超长碳纳米管热传导的实验测量 108

4.4 本章小结 111

第5章 超长碳纳米管的管层间超润滑现象及内层抽出与应用 113

5.1 超长碳纳米管管层间的超润滑现象 113

5.1.1 超润滑的定义 113

5.1.2 大气环境下超长碳纳米管管层间的超润滑现象 115

5.1.3 超长碳纳米管管层间摩擦力的定量测量 117

5.1.4 超长碳纳米管管层之间超润滑现象的机理分析 123

5.2 超长碳纳米管内层的可控抽出及其应用 127

5.2.1 利用卷轴抽丝法制备高密度全同手性型碳纳米管水平阵列 129

5.2.2 制备特定管壁数和管径的碳纳米管 132

5.2.3 制备特定结构的碳纳米管管束 134

5.3 本章小结 136

第6章 结论 137

参考文献 142

索引 163

在学期间发表的学术论文与研究成果 164

致谢 168