描述
开 本: 16开纸 张: 铜版纸包 装: 精装是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787122314611丛书名: 纳米材料前沿
第1章碳及碳纳米管概述001
张峰
（中国科学院金属研究所）
1.1 碳的广泛性、特殊性及多样性 002
1.1.1 碳的广泛性 002
1.1.2 碳的特殊性 005
1.1.3 碳的同素异形体 009
1.2 碳纳米管的发现 014
1.2.1 碳纳米管的发现过程 014
1.2.2 碳纳米管的合成方法 017
1.3 碳纳米管的特性、应用前景及发展方向 021
1.3.1 碳纳米管的特性 021
1.3.2 碳纳米管的应用前景 026
1.3.3 碳纳米管的发展趋势 034
参考文献 036
第2章碳纳米管的结构特征045
丛洪涛
（中国科学院金属研究所）
2.1 碳纳米管的基本结构 046
2.1.1 多壁碳纳米管 046
2.1.2 单壁碳纳米管 048
2.1.3 不规则碳纳米管的结构与欧拉定理 049
2.1.4 碳纳米管结构的稳定性 051
2.2 单壁碳纳米管的结构 057
2.2.1 几何结构 057
2.2.2 电子结构 061
2.3 碳纳米管的结构表征 064
2.3.1 电子显微镜 064
2.3.2 拉曼光谱 067
2.3.3 吸收光谱 074
2.3.4 发射光谱 078
参考文献 081
第3章碳纳米管的制备方法与纯化技术087
侯鹏翔
（中国科学院金属研究所）
3.1 碳纳米管的制备方法 088
3.1.1 电弧放电法 089
3.1.2 激光蒸发法 093
3.1.3 化学气相沉积法 094
3.1.4 其他方法 097
3.2 碳纳米管的结构控制制备 098
3.2.1 形貌控制 098
3.2.2 导电属性控制 107
3.2.3 手性控制 111
3.3 碳纳米管的生长机理 114
3.3.1 研究方法 114
3.3.2 生长机制 116
3.4 碳纳米管的纯化技术 119
3.4.1 物理法 119
3.4.2 化学法 121
3.4.3 综合法 123
参考文献 124
第4章碳纳米管的表面特征与孔结构131
侯鹏翔，杨全红
（中国科学院金属研究所，天津大学化工学院）
4.1 碳纳米管中的气体吸附 133
4.2 碳纳米管的表面 134
4.2.1 碳纳米管表面化学结构的不均匀性 136
4.2.2 单壁碳纳米管的比表面积 139
4.2.3 多壁碳纳米管的比表面积 141
4.2.4 碳纳米管的管束结构 143
4.2.5 大比表面积碳纳米管的制备和孔径控制 144
4.3 碳纳米管中的孔及其决定的吸附过程 147
4.3.1 基本孔隙—碳纳米管的准一维纳米中空管腔 148
4.3.2 单壁碳纳米管的氮吸附和多维孔结构 150
4.3.3 多壁碳纳米管的多维孔结构及其决定的吸附过程 152
4.3.4 碳纳米管多维孔结构模型 154
参考文献 156
第5章碳纳米管的力学性能及其在复合材料中的应用161
丛洪涛，曾尤
（中国科学院金属研究所）
5.1 碳纳米管力学性能的理论研究 162
5.1.1 碳纳米管的杨氏模量 163
5.1.2 碳纳米管的Stone-Wales 形变 165
5.1.3 碳纳米管断裂的理论分析 167
5.2 碳纳米管的力学性能 170
5.2.1 碳纳米管的轴向模量 170
5.2.2 碳纳米管的径向模量 175
5.2.3 碳纳米管的拉伸强度 176
5.2.4 扫描探针显微镜用探针 184
5.3 碳纳米管复合材料 187
5.3.1 碳纳米管/ 聚合物复合材料 187
5.3.2 碳纳米管/ 金属基复合材料 191
5.3.3 碳纳米管/ 陶瓷复合材料 195
参考文献 198
第6章碳纳米管的电磁性能及其应用203
尹利长
（中国科学院金属研究所）
6.1 碳纳米管的能带结构 205
6.1.1 二维石墨烯 205
6.1.2 单壁碳纳米管 206
6.1.3 扶手椅型和锯齿型单壁碳纳米管 208
6.1.4 金属性单壁碳纳米管的窄能隙 211
6.1.5 碳纳米管束和多壁碳纳米管的电子结构 213
6.1.6 碳纳米管结 215
6.1.7 单壁碳纳米管电子态密度的实验测定 219
6.1.8 碳纳米管的电子能量损失谱 223
6.2 碳纳米管中的电子输运及磁学性质 224
6.2.1 碳纳米管的电子输运特点 224
6.2.2 多壁碳纳米管的电学特性 225
6.2.3 单壁碳纳米管的电学特性 229
6.2.4 缺陷与掺杂碳纳米管的电学特性 231
6.2.5 碳纳米管的磁学性质 232
6.2.6 碳纳米管的A-B 效应 234
6.3 碳纳米管的超导特性 235
6.3.1 碳纳米管超导特性的理论研究 235
6.3.2 碳纳米管超导特性的实验观测 236
6.4 碳纳米管电磁性能的应用 238
6.4.1 碳纳米管电子器件 238
6.4.2 微型传感器 242
6.4.3 碳纳米管电动机械装置 242
参考文献 245
第7章碳纳米管的场致发射性能及其应用249
佟钰
（沈阳建筑大学材料科学与工程学院）
7.1 概述 250
7.2 场致发射基本原理 250
7.2.1 固体内部的电子状态与表面势垒 250
7.2.2 电子逸出与逸出功 252
7.2.3 福勒尔- 诺德海姆场致发射模型 253
7.2.4 场致发射的电场增强效应 256
7.3 场致发射性能的测试方法 257
7.3.1 测试样品的准备 257
7.3.2 场致发射结构的组装 263
7.3.3 场致发射性能测试设备 264
7.3.4 场致发射性能评价指标 266
7.4 碳纳米管的场致发射性能 267
7.4.1 单壁碳纳米管的场致发射性能 267
7.4.2 多壁碳纳米管的场致发射性能 270
7.4.3 碳纳米管场致发射性能的主要影响因素 279
7.5 碳纳米管场发射体的失效方式与改进方法 287
7.5.1 碳纳米管场发射体的失效方式 287
7.5.2 改进方法 290
7.6 碳纳米管场致发射性能的应用 293
7.6.1 场致发射平板显示器 294
7.6.2 冷发射阴极射线管 297
7.6.3 X 射线电子源 298
7.6.4 其他可能应用 302
参考文献 302
第8章碳纳米管柔性薄膜晶体管器件307
孙东明
（中国科学院金属研究所）
8.1 柔性薄膜晶体管器件 308
8.2 碳纳米管薄膜晶体管 310
8.2.1 碳纳米管薄膜沟道材料 314
8.2.2 碳纳米管薄膜的电学性质 317
8.2.3 碳纳米管薄膜的成膜技术 325
8.3 柔性碳纳米管薄膜晶体管及集成电路 333
8.3.1 基于转移技术的柔性器件 333
8.3.2 基于碳纳米管溶液的柔性器件 336
8.3.3 基于气相收集碳纳米管薄膜的柔性器件 342
8.4 透明碳纳米管薄膜器件 343
参考文献 352
第9章碳纳米管的电化学性能及其应用357
喻万景
（中南大学冶金与环境学院）
9.1 碳纳米管在锂离子电池中的应用 358
9.1.1 锂离子电池概述 358
9.1.2 锂离子电池中的负极材料 360
9.1.3 碳纳米管复合负极材料 363
9.1.4 碳纳米管在锂离子电池中的实际应用 374
9.2 碳纳米管的电化学电容特性及应用 374
9.2.1 电化学电容器原理及关键材料 375
9.2.2 影响极化电极比电容量的主要因素 378
9.2.3 碳纳米管的电化学电容特性 383
9.2.4 电化学电容器应用展望 388
参考文献 389
第10 章碳纳米管化学393
栾健
（中国科学院金属研究所）
10.1 碳纳米管的结构和化学性质 394
10.1.1 碳纳米管的价键结构及化学特性 394
10.1.2 碳纳米管的缺陷类型及其产生 396
10.1.3 理想的一维纳米空间 397
10.2 管中化学—碳纳米管反应器中的物理化学 398
10.2.1 碳纳米管开口中空管的吸附行为 398
10.2.2 碳纳米管的填充 400
10.2.3 最小的反应器—纳米试管 404
10.3 管外化学—碳纳米管的化学改性 406
10.3.1 碳纳米管化学改性的机理 407
10.3.2 碳纳米管的化学改性及其应用 408
10.4 碳纳米管的分散和分离 423
10.4.1 碳纳米管的水分散体系 423
10.4.2 碳纳米管的有机溶剂分散体系 425
10.4.3 碳纳米管的高分子分散体系 425
10.4.4 碳纳米管的导电属性和手性分离 426
参考文献 431
索引 436
碳纳米管是1991 年被明确报道的一种碳纳米结构，是由碳原子构成的石墨烯片层卷曲而成的无缝、中空的管状材料，根据管壁层数可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。由于碳纳米管的直径小、长径比大，故可视为准一维纳米材料。理论预测和实验研究发现，碳纳米管具有结构依赖的导电属性，可表现为金属性或半导体性，因此可用于制作晶体管、透明导电膜等电子器件。石墨烯平面中的碳- 碳键是自然界中已知的最强的化学键之一，碳纳米管的结构为完整的蜂窝状石墨烯网格，因此其理论强度接近于碳- 碳键的强度，大约为钢的100 倍，而密度只有钢的1/6，并具有很好的柔韧性。因此碳纳米管被称为超级纤维，可用于高级复合材料的增强体，制成轻质、高强度的太空缆绳，在航空、航天等高技术领域获得应用。碳纳米管具有场发射阈值低、发射电流密度大、稳定性高等优异的场发射性能，可用于制作高性能X射线管、平板显示器等。此外，碳纳米管还具有独特的化学特性，如稳定性好、表面可修饰等。这些特异性能预示着碳纳米管在众多领域内具有广阔的应用前景。
碳纳米管被明确报道至今已历经27 年，其间国内外的研究与开发异常活跃，从制备、结构到物性和应用的探索取得了一系列重要进展。碳纳米管作为高性能导电添加剂已大批量应用于锂离子电池，推动了电动汽车和便携式电子器件的快速发展。美国、中国和日本等国家在该领域的研究处于领先地位。我国科学家在碳纳米管的制备技术及物性研究等方面取得了系列重要成果，在国际上有较大影响。编著者及其所在的中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室先进炭材料研究部，自1997 年以来致力于碳纳米管的制备、结构、物性及应用等方面的研究与开发，在有机物浮动催化热解法和氢电弧法制备碳纳米管及其宏观结构，碳纳米管的场发射特性、电化学特性、力学性能以及碳纳米管的锂离子电池应用研究等方面取得了一系列成果，受到国内外同行的广泛关注。
在此基础上，编著者参阅国内外大量有关碳纳米管的科技文献与资料，总结国内外最新科研进展，结合编著者多年在科研工作中取得的成果和积累，于2002 年编撰了《纳米碳管—制备、结构、物性及应用》，这是有关碳纳米管的首本中文专著，并由化学工业出版社出版发行。由于碳纳米管领域发展迅速，17 年来又有很多新的突破与进展，有必要对相关知识再次进行总结与补充。本书首先概述了碳和碳纳米管的基本特性，然后详细叙述了碳纳米管的结构表征方法、制备与纯化、表面与孔结构等内容，最后系统地阐述了碳纳米管的力学性能、电磁性能、场发射特性、化学性能、电化学特性及柔性薄膜晶体管性能及其相关应用等。
除编著者刘畅、成会明外，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家（联合）实验室先进炭材料研究部及其他单位的多位成员及部分研究生也参与了编写工作，主要包括：张峰（第1 章）；丛洪涛（第2章）；侯鹏翔（第3
章）；侯鹏翔、杨全红（第4 章）；丛洪涛、曾尤（第5 章）；尹利长（第6 章）；佟钰（第7 章）；孙东明（第8
章）；喻万景（第9 章）；栾健（第10 章）。在此一并向参与2002 年出版的《纳米碳管—制备、结构、物性及应用》一书编写工作的各位作者表示感谢。
本书相当一部分内容是编著者及所在的先进炭材料研究部的研究成果，这些成果是在国家自然科学基金委员会、国家重点基础研究发展计划（973 计划）项目、国家高技术研究发展计划（863 计划）项目、中国科学院知识创新工程重大项目和中国科学院知识创新方向性项目的支持下取得的，在此表示感谢。本书的编写得到中国科学院金属研究所的有关领导、同事及先进炭材料研究部所有成员的大力支持，在此表示诚挚的谢意。
碳纳米管的研究发展十分迅速，新的成果不断涌现，文献资料浩瀚无边，由于编著者的水平有限，书中难免有疏漏与不妥之处，恳请专家和读者批评指正！
刘畅 成会明
2018年2月于中国科学院金属研究所，沈阳
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