碳纳米管的结构有什么样的特点

碳纳米管中碳原子以sp2  杂化为主，同时六角型网格结构存在一定程度的弯曲，形成空间拓扑结构，其中可形成一定的sp3  杂化键，即形成的化学键同时具有sp2  和sp3  混合杂化状态，而这些p  轨道彼此交叠在碳纳米管石墨烯片层外形成高度离域化的大π  键，碳纳米管外表面的大π  键是碳纳米管与一些具有共轭性能的大分子以非共价键复合的化学基础。
对多壁碳纳米管的光电子能谱研究结果表明，不论单壁碳纳米管还是多壁碳纳米管，其表面都结合有一定的官能基团，而且不同制备方法获得的碳纳米管由于制备方法各异，后处理过程不同而具有不同的表面结构。一般来讲，单壁碳纳米管具有较高的化学惰性，其表面要纯净一些，而多壁碳纳米管表面要活泼得多，结合有大量的表面基团，如羧基等。以变角X  光电子能谱对碳纳米管的表面检测结果表明，单壁碳纳米管表面具有化学惰性，化学结构比较简单，而且随着碳纳米管管壁层数的增加，缺陷和化学反应性增强，表面化学结构趋向复杂化。内层碳原子的化学结构比较单一，外层碳原子的化学组成比较复杂，而且外层碳原子上往往沉积有大量的无定形碳。由于具有物理结构和化学结构的不均匀性，碳纳米管中大量的表面碳原子具有不同的表面微环境，因此也具有能量的不均一性。
碳纳米管不总是笔直的，而是局部区域出现凸凹现象，这是由于在六边形编制过程中出现了五边形和七边形。如果五边形正好出现在碳纳米管的顶端，即形成碳纳米管的封口。当出现七边形时纳米管则凹进。这些拓扑缺陷可改变碳纳米管的螺旋结构，在出现缺陷附近的电子能带结构也会发生改变。另外，两根毗邻的碳纳米管也不是直接粘在一起的，而是保持一定的距离。

碳纳米管的结构特点？  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。在碳纳米管发现之前，在晶形碳的同素异形体中，石墨是二维的(面），金刚石是三维的（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形碳呢？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对碳纳米管的结构观察证明，多层碳纳米管一般由几个到几十个单壁碳纳米管同轴构成，管间距为0.34mm左右，这相当于石墨的{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，两端由碳原子的五边形封顶。单壁碳纳米管可能存在三种类型的结构，分为单壁纳米管、锯齿形纳米管和手性形纳米管，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。碳纳米管的结构如图1-9  所示。
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C0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块、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C0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。

碳纳米管是一种奇异分子，它是使用一种特殊的化学气相方法，使碳原子形成长链来生长出的超细管子，细到5万根并排起来才有一根头发丝宽。这种又长又细的分子，人们给它取个计量单位“纳米”（百万分之一毫米）的名字，叫“纳米管”。尽管碳纳米管的理论上可长到几公里而不断，但人们已用多种方法制备的碳纳米管，最长也只有一二百微米。我国科学家另辟蹊径，创造性的制出了3毫米长的碳纳米管，把长度增加了上万倍。  
碳纳米管有着不可思议的强度与韧性，重量却极轻，导电性极强，兼有金属和半导体的性能；把纳米管组合起来，比同体积的钢强度高100倍  ，重量却只有1/6。  
一次，莫斯科大学的研究人员为了弄清纳米管的受压强度，将少量纳米管置于29Kpa的水压下（相当于水下18000千米深的压力）做实验。不料，未加到预定压力的1/3，纳米管就被压扁了。他们马上卸去压力，它却像弹簧一样立即恢复了原来形状。于是，科学家得到启发，发明了用碳纳米管制成像纸一样薄的弹簧，用作汽车或火车的减震装置，可大大减轻车辆的重量。  
碳纳米管  
在1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家Iijima在高分辨透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[3]了由管状的同轴纳米管组成的碳分子,这就是现在被称作的“Carbon  nanotube”，即碳纳米管。碳纳米管具有典型的层状中空结构特征,构成碳纳米管的层片之间存在一定的夹角碳纳米管的管身是准圆管结构，并且大多数由五边形截面所组成。管身由六边形碳环微结构单元组成,  端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构，或者称为多边锥形多壁结构。  
碳纳米管按照石墨烯片的层数分类可分为：单壁碳纳米管（Single-walled  nanotubes,  SWNTs）和多壁碳纳米管（Multi-walled  nanotubes,  MWNTs），多壁管在开始形成的时候，层与层之间很容易成为陷阱中心而捕获各种缺陷，因而多壁管的管壁上通常布满小洞样的缺陷。与多壁管相比，单壁管是由单层圆柱型石墨层构成，其直径大小的分布范围小，缺陷少，具有更高的均匀一致性。  
碳纳米管的制备方法主要有电弧法、激光蒸发法、化学气相沉积法等几种。  
碳纳米管的特性  
碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。  
碳纳米管具有良好的力学性能  
CNTs抗拉强度达到50～200GPa,是钢的100倍,密度却只有钢的1/6，至少比常规石墨纤维高一个数量级；它的弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。对于具有理想结构的单层壁的碳纳米管，其抗拉强度约800GPa。碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似，但其结构却比高分子材料稳定得多。碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。若将以其他工程材料为基体与碳纳米管制成复合材料,  可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性，给复合材料的性能带来极大的改善。  
碳纳米管具有良好的导电性能  
由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。当CNTs的管径大于6nm时，导电性能下降；当管径小于6nm时，CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。有报道说Huang通过计算认为直径为0.7nm的碳纳米管具有超导性，尽管其超导转变温度只有1.5×10-4K，但是预示着碳纳米管在超导领域的应用前景。  
碳纳米管具有良好的传热性能  
CNTs具有非常大的长径比，因而其沿着长度方向的热交换性能很高，相对的其垂直方向的热交换性能较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合成高各向异性的热传导材料。另外，碳纳米管有着较高的热导率，只要在复合材料中掺杂微量的碳纳米管  ,该复合材料的热导率将会可能得到很大的改善。  
碳纳米管还具有光学和储氢等其他良好的性能,正是这些优良的性质使得碳纳米管被认为是理想的聚合物复合材料的增强材料。  
制备碳纳米管的方法  
制备碳纳米管的方法，是指含有至少一种的VIII族金属与至少一种的Sn、V、Pb  金属的复合金属催化剂粒子与含碳的气体在足以催化生长碳纳米管的温度下接触。其中VIII  金属为Co、Fe、Ni、Ru、Rh、Pd、Ir、Pt。金属催化剂粒子可以担载在载体上。

碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。
碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口）的一维量子材料。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，约0.34nm，直径一般为2~20  nm。并且根据碳六边形沿轴向的不同取向可以将其分成锯齿形、扶手椅型和螺旋型三种。其中螺旋型的碳纳米管具有手性，而锯齿形和扶手椅型碳纳米管没有手性。

碳纳米管的结构一般不总是笔直的，而是局部区域出现凸凹现象，具有物理结构和化学结构的不均匀性，碳纳米管中大量的表面碳原子具有不同的表面微环境,外层碳原子的化学组成比较复杂，而且外层碳原子上往往沉积有大量的无定形碳。