纳米材料前沿 碳纳米管 碳纳米管基本概念基本理论和原理碳纳米管制备方法 生长机理 碳纤维 纳米科学与技术等领域科研人员参

1.《纳米材料前沿》是国内近10位院士和20余位长江学者、杰青共同完成的大型出版项目，是国家出版基金项目，十三五国家重点图书。本书为其中一个分册。
2.本书为综述性专著，从基础到应用，系统介绍了碳纳米管近年来的研究进展。
3.全书采用铜版纸，彩色印刷，清晰直观地展现了碳纳米管的结构、模拟及表征结果。

本书在参阅国内外大量有关科技文献和资料的基础上，认真总结国内外最新科研进展，并融入编著者多年科研工作的成果，全面介绍了碳纳米管所涉及的基本概念、基本理论和原理，详细叙述了碳纳米管的制备方法、生长机理、微观结构以及碳纳米管的电学性质、力学性质、场发射特性、电化学特性及其在相关领域中的应用。
本书适合从事纳米科学与技术、材料科学与工程、凝聚态物理和相关领域的科研人员、高校师生、工程技术人员及管理人员阅读与参考。

本书由成会明院士、刘畅研究员领衔主编，张峰、丛洪涛、侯鹏翔、杨全红、曾尤、尹利长、佟钰、孙东明、喻万景、栾健等众多碳纳米管领域专家参编。
成会明，中国科学院院士，中国科学院金属研究所研究员、中国科学院院士、发展中国家科学院院士。主要从事先进碳材料的研究。
刘畅，中国科学院金属研究所研究员，杰出青年基金获得者，主要从事碳纳米管的制备、性能与应用探索研究。

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

纳米材料是国家战略前沿重要研究领域。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》中明确要求：“推动战略前沿领域创新突破，加快突破新一代信息通信、新能源、新材料、航空航天、生物医药、智能制造等领域核心技术。”发展纳米材料对上述领域具有重要推动作用。从“十五”期间开始，我国纳米材料研究呈现出快速发展的势头，尤其是近年来，我国对纳米材料的研究一直保持高速发展，应用研究屡见报道，基础研究成果精彩纷呈，其中若干成果处于国际领先水平。例如，作为基础研究成果的重要标志之一，我国自2013 年开始，在纳米科技研究领域发表的SCI 论文数量超过美国，跃居世界第一。
在此背景下，我受化学工业出版社的邀请，组织纳米材料研究领域的有关专家编写了“纳米材料前沿”丛书。编写此丛书的目的是为了及时总结纳米材料领域的最新研究工作，反映国内外学术界尤其是我国从事纳米材料研究的科学家们近年来有关纳米材料的最新研究进展，展示和传播重要研究成果，促进学术交流，推动基础研究和应用基础研究，为引导广大科技工作者开展纳米材料的创新性工作，起到一定的借鉴和参考作用。
类似有关纳米材料研究的丛书其他出版社也有出版发行，本丛书与其他丛书的不同之处是，选题尽量集中系统，内容偏重近年来有影响、有特色的新颖研究成果，聚焦在纳米材料研究的前沿和热点，同时关注纳米新材料的产业战略需求。丛书共计十二分册，每一分册均较全面、系统地介绍了相关纳米材料的研究现状和学科前沿，纳米材料制备的方法学，材料形貌、结构和性质的调控技术，常用研究特定纳米材料的结构和性质的手段与典型研究结果，以及结构和性质的优化策略等，并介绍了相关纳米材料在信息、生物医药、环境、能源等领域的前期探索性应用研究。
丛书的编写，得到化学及材料研究领域的多位著名学者的大力支持和积极响应，陈小明、成会明、刘云圻、孙世刚、张洪杰、顾忠泽、王训、杨卫民、张立群、唐智勇、王春儒、王树等专家欣然应允分别担任分册组织人员，各位作者不懈努力、齐心协力，才使丛书得以问世。因此，丛书的出版是各分册作者辛勤劳动的结果，是大家智慧的结晶。另外，丛书的出版得益于化学工业出版社的支持，得益于国家出版基金对丛书出版的资助，在此一并致以谢意。
众所周知，纳米材料研究范围所涉甚广，精彩研究成果层出不穷。愿本丛书的出版，对纳米材料研究领域能够起到锦上添花的作用，并期待推进战略性新兴产业的发展。
万立骏
识于北京中关村
2017年7月18日