第1章　碳及碳納米管概述

張峰

中國科學院金屬研究所

碳元素廣泛存在于宇宙間，其多種多樣的結構形態和奇異獨特的物理化學性質，隨人類文明的進步而被逐漸發現、認識和利用。近年來人類科學技術水平發展迅猛，碳材料是最為活躍的研究領域之一。盡管在18世紀，人們就已確定石墨和金剛石都是單質碳，然而直到1924年石墨的結構才被準確解析。而且僅由單質碳構成的物質遠不止這兩種，1985年在碳元素家族中發現了C60等富勒烯族[1]，1991年發現了碳納米管[2]，2004年發現了石墨烯[3]，每一次發現都引起了科學界的極大關注。在人類科技發展史上，石墨電極的應用、碳纖維復合材料的開發以及金剛石薄膜的推廣等都在很大程度上改變了人們的生活，極大地推動了人類社會的進步。碳納米管被發現后，理論預測和實驗研究表明，碳納米管特別是單壁碳納米管具有獨特而優異的性能，其應用前景不可估量。物理學家對不同結構碳納米管的電學性能，化學家對碳納米管的納米尺度一維空間，材料學家對其驚人的剛度、強度和韌性等力學性能都極為關注，使得碳納米管成為二十多年來凝聚態物理和材料科學研究的一大熱點。為了比較全面地認識和理解碳元素和碳納米管，本章首先介紹碳元素的廣泛性、特殊性及多樣性，造就這些特殊性及多樣性的原因以及碳納米管在碳的同素異形體中所處的位置，然后簡述碳納米管的發現和制備研究的概況，最后簡要說明碳納米管的特性、應用前景和可能的發展趨勢。