锥形碳纳米管阵列形貌控制机理和格式化制备研究

This project will study the synthesis of cone-shaped carbon nanotube (CSCNT) patterned arrays on different substrates and investigate the affecting factors and evolution mechanism of cone-shaped carbon nanotubes. Cone-shape carbon nanotubes, different from present carbon nanotubes with a shape of equal diameter, have a cone shape of "sharp top and thick bottom". The cone shape has the best self-supporting structure, high stiffness, not easy to break and fall down. In the array, the cone-shape carbon nanotubes are bonded chemically together at the bottom, and hence an ideal electrical contact between the carbon nanotubes is realized. Also, the tube-tube tip spacing is about 1um, and as a result, the electrostatic shielding among the carbon nanotubes is eliminated and all carbon nanotubes have a similar physical property and function equally in the array. This project will also study the preparation method of carbon nanotube patterned arrays by using alkali and alkali earth compounds catalysts. For the first time, cone-shaped carbon nanotubes are synthesized in the world by our research team and are expected to have better performances in the application fields of field emission, electrode, biosensor and many more. Therefore, the implementation of this project is important for the fields of synthesis and application of carbon nanotubes in our country.

本项目研究在不同基体材料上格式化制备锥形碳纳米管阵列，并探讨锥形碳纳米管阵列的形貌形成机理和影响因素。不同于目前制备的碳纳米管是等径管形，锥形碳纳米管是"上细根粗"的锥形。这种形状具有最好的自支撑力学结构，高的直立刚度，不易折断，倒伏。阵列中的锥形碳纳米管之间在根部紧密相连，因此管管之间实现了理想的电接触。同时，管顶部之间距离约为1微米，从而消除静电屏蔽效应和实现阵列中每个锥形碳纳米管的功能和性能的等效性。本项目还将首次开展碱金属，碱土金属化合物催化剂格式化制备碳纳米管阵列的研究从而为锥形碳纳米管阵列的应用打下基础。锥形碳纳米管阵列为国际上首次制备并且在场发射，电极和生物传感器等应用领域可能比目前制备的等径碳纳米管阵列性能更为优异。因此，此项目的实施对我国碳纳米管阵列研究领域具有重大意义.

碳纳米管阵列是一种非常重要的碳材料，它具有很多优良的机械，化学和电性能。它主要应用于场发射，电极，生物传感器，热控过程等领域。然而在这些应用中，格式化分布的碳纳米管阵列将会极大的提高材料的各项性能，延长器件的使用寿命。本项目主要研究碳纳米管阵列的格式化制备的方法，并对这些方法制备的碳纳米管阵列进行表征。本项目研究了激光直接沉积法，有机涂层遮盖法，喷墨打印法，印章法和电化学刻蚀法。这些方法都可以制备格式化的碳纳米管阵列。研究发现喷墨打印方法和印章法是两种简单的格式化方法具有适合不同的基体材料的优点。研究还发现催化剂的成分，催化剂浓度，沉积温度和时间对碳纳米管阵列的形貌有很大的关系。本项目研究的格式化碳纳米管阵列是原位生长在基体上，因此碳纳米管与基体有着非常好的结合强度，非常好的电接触，因此，可以应用于场发射，超级电容器电极，锂电池电极和各种传感器件。初步研究结果表明制备的碳纳米管阵列在超级电容器和锂电池的电极应用中表现出优异的性能。.另外的重要研究成果是提出并研究了物能时空理论-永恒论和材料的热致失效理论-永恒失效论。永恒论揭示了物质世界和宇宙的本质。材料的热致失效理论揭示了材料的性能和失效的本质，它是对材料性能本质的全新认识。这两个理论将对科学和工程的发展产生重大影响，并且在人类的认知史上具有里程碑意义。