[发明专利]具有簇状分层结构的碳基纳米新型场致电子发射材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明特别涉及一种具有具有簇状分层结构的碳基纳米新型场致电子发射材料，还涉及该具有簇状分层结构的碳基纳米新型场致电子发射材料的制备方法。

背景技术

自1991年碳纳米管被发现以来，碳纳米管由于其独有的结构和奇特的物理、化学特性以及其潜在的应用前景而受到人们的关注。碳纳米管是由石墨中的的碳原子卷曲而成的管状的材料，管的直径一般为几纳米(最小为1纳米左右)到几十纳米，管的厚度仅为几纳米。实际上，碳纳米管可以形象地看成是类似于极细的铁丝网卷成的一个空心园柱状的长“笼子”。碳纳米管的直径十分微小，十几万个碳管排起来才有人的一根头发丝宽；而碳纳米管的长度却可到达一百微米，从某种意义上看，它是一种很好的、最细的纤维。根据组成碳纳米管管壁中碳原子层的数目，碳纳米管可被分为单层碳管和多层碳管。碳纳米管的性质与其结构息息相关。碳纳米管本身具有小的直径(目前单壁纳米管的最小直径为0.4纳米)、高的直径比(长度与直径之比)和大的比表面积(表面积与体积之比)。

碳纳米管的抗拉强度是钢的100倍，杨氏模量被估计为可高达1TPa，而比重却只有钢的1/6，至少比常规石墨纤维高一个数量级，此外还具有高弹性和弯曲刚性。同时碳纳米管还具有极高的韧性，十分柔软。它被认为是未来的“超级纤维”，是复合材料中极好的加强材料。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，可被看成具有良好导电性能的一维量子导线。由于具有非常大的长径比，适当排列的碳纳米管可做成非常高的各向异性热传导材料；碳纳米管比表面积大、结晶度高、导电性好，微孔大小可通过合成工艺加以控制，因而是一种理想的电双层电容器电极材料，电双层电容器在声频-视频设备、调谐器、电话机和传真机等通讯设备及各种家用电器中可得到广泛应用。基于碳纳米管的优良力学性能可将其作为结构复合材料的增强剂。此外还可用作电磁干扰屏蔽材料、隐形材料、储氢材料、锂离子电池负极材料等；由于碳纳米管具有高的高宽比结构特征，使其拥有低启始电压与高电流发射密度等性质，即具有良好的场发射增强因子，因此成为目前热门的场发射电子材料；将碳纳米管修饰到扫描隧道电子显微镜探针的针尖上，可观察到原子缝隙底部的情况，用这种工具可以得到分辨率极高的生物大分子图像；在碳纳米管内填充光敏、湿敏、压敏等材料，可以制成纳米级的各种功能传感器。

总之，碳纳米管由于其自身的结构特点，和广泛的应用前景，近十年来引发了碳纳米管研究的热潮和碳纳米管科学和技术的飞速发展。

目前常用的碳纳米管制备方法主要有：电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法(碳氢气体热解法)，固相热解法、辉光放电法和气体燃烧法等以及聚合反应合成法。

电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法。1991年日本物理学家饭岛澄男就是从电弧放电法生产的碳纤维中首次发现碳纳米管的。电弧放电法的具体过程是：将石墨电极置于充满氦气或氩气的反应容器中，在两极之间激发出电弧，此时温度可以达到4000度左右。在这种条件下，石墨会蒸发，生成的产物有富勒烯(C60)、无定型碳和单壁或多壁的碳纳米管。通过控制催化剂和容器中的氢气含量，可以调节几种产物的相对产量。使用这一方法制备碳纳米管技术上比较简单，但是生成的碳纳米管与C60等产物混杂在一起，很难得到纯度较高的碳纳米管，并且得到的往往都是多层碳纳米管，而实际研究中人们往往需要的是单层的碳纳米管。此外该方法反应消耗能量太大。近年来有些研究人员发现，如果采用熔融的氯化锂作为阳极，可以有效地降低反应中消耗的能量，产物纯化也比较容易。优点：4000K的高温碳纳米管最大程度地石墨化，管缺陷少，比较能反映碳纳米管的真正性能。缺点：电弧放电剧烈，难以控制进程和产物，合成物中有碳纳米颗粒、无定形炭或石墨碎片等杂质，碳管和杂质融合在一起，很难分离，最重要的是纳米碳管管束的取向比较混乱。

激光脉冲蒸汽法是在氩气气氛中，用双脉冲激光蒸发含有Fe/Ni(或Co/Ni)的碳靶方法制备出直径分布范围在0.81～1.51nm的单壁碳纳米管。该方法有以下几个缺点：①纳米碳管产量较低；②纳米碳管与其他纳米碳颗粒混杂在一起，因此造成纳米碳管之纯度很低，还需要复杂的净化工艺，增加制造成本；③纳米碳管生长方向无法控制，所形成的纳米碳管无序混乱，难以于工业上应用。