第1章　碳及碳纳米管概述

张峰

中国科学院金属研究所

碳元素广泛存在于宇宙间，其多种多样的结构形态和奇异独特的物理化学性质，随人类文明的进步而被逐渐发现、认识和利用。近年来人类科学技术水平发展迅猛，碳材料是最为活跃的研究领域之一。尽管在18世纪，人们就已确定石墨和金刚石都是单质碳，然而直到1924年石墨的结构才被准确解析。而且仅由单质碳构成的物质远不止这两种，1985年在碳元素家族中发现了C60等富勒烯族[1]，1991年发现了碳纳米管[2]，2004年发现了石墨烯[3]，每一次发现都引起了科学界的极大关注。在人类科技发展史上，石墨电极的应用、碳纤维复合材料的开发以及金刚石薄膜的推广等都在很大程度上改变了人们的生活，极大地推动了人类社会的进步。碳纳米管被发现后，理论预测和实验研究表明，碳纳米管特别是单壁碳纳米管具有独特而优异的性能，其应用前景不可估量。物理学家对不同结构碳纳米管的电学性能，化学家对碳纳米管的纳米尺度一维空间，材料学家对其惊人的刚度、强度和韧性等力学性能都极为关注，使得碳纳米管成为二十多年来凝聚态物理和材料科学研究的一大热点。为了比较全面地认识和理解碳元素和碳纳米管，本章首先介绍碳元素的广泛性、特殊性及多样性，造就这些特殊性及多样性的原因以及碳纳米管在碳的同素异形体中所处的位置，然后简述碳纳米管的发现和制备研究的概况，最后简要说明碳纳米管的特性、应用前景和可能的发展趋势。