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第1章 概述 1

1.1碳的广泛性、特殊性及多样性 3

1.1.1碳的广泛性 3

1.1.2碳的特殊性 8

1.1.3碳的同素异性体 13

1.2奈米碳管的发现 21

1.2.1发现及合成 21

1.2.2石墨晶须、气相生长碳纤维、奈米碳纤维和奈米碳管的类同和区别 26

1.2.3合成方法简介 32

1.3特性、应用前景及发展方向 36

1.3.1特性 36

1.3.2应用前景 42

1.3.3发展方向 51

参考文献 54

第2章 制造及纯化方法 65

2.1多壁奈米碳管的制造 66

2.1.1电弧法 67

2.1.2催化热解法 69

2.1.3其他方法 76

2.2单壁奈米碳管的制造 78

2.2.1电弧法 79

2.2.2雷射蒸发法 85

2.2.3催化热解法 87

2.2.4太阳能法 96

2.2.5直径最小的单壁奈米碳管 97

2.3双壁奈米碳管的制造 98

2.3.1富勒烯充填处理法 98

2.3.2电弧放电法 100

2.3.3流动催化法（浮游法） 100

2.4奈米碳管阵列 106

2.4.1多壁奈米碳管阵列 106

2.4.2单壁奈米碳管绳 112

2.5生长机制 118

2.5.1催化热解法 119

2.5.2电弧法和雷射蒸发法 121

2.5.3单壁奈米碳管 128

2.5.4单壁奈米碳管束 136

2.6提炼 138

2.6.1物理法纯化多壁奈米碳管 138

2.6.2化学法纯化多壁奈米碳管 139

2.6.3单壁奈米碳管的提炼 141

参考文献 149

第3章 结构与拉曼光谱表征 155

3.1基本结构—1 157

3.1.1单壁奈米碳管的结构特征 157

3.1.2单壁奈米碳管的晶格参数 165

3.1.3不规则结构和欧拉定律 167

3.1.4奈米碳管的连接 170

3.2基本结构—2 173

3.2.1多壁奈米碳管 173

3.2.2单壁奈米碳管的管束及管束环 175

3.2.3结构的稳定性 177

3.3结构的观察 185

3.3.1实验观察分析 185

3.3.2各种结构的实验观察 189

3.3.3结构的控制 192

3.4拉曼光谱表征 196

3.4.1拉曼光谱（Raman spectra）简介 196

3.4.2奈米碳质材料的拉曼光谱研究 197

3.4.3拉曼和红外活性振动模 198

3.4.4单壁奈米碳管的声子色散关系 203

3.4.5多壁奈米碳管拉曼光谱的实验研究 206

3.4.6单壁奈米碳管呼吸模和碳碳伸缩模的拉曼光谱 208

3.4.7单壁奈米碳管的共振拉曼光谱 212

3.4.8藉由拉曼光谱判断单壁奈米碳管的导电性 220

参考文献 224

第4章 表面特征与孔结构 229

4.1气体吸附 231

4.2表面 232

4.2.1表面化学结构的不均匀性 234

4.2.2单壁奈米碳管的比表面积 239

4.2.3多壁奈米碳管的比表面积及其对碳管外径的依存性 241

4.2.4成束状况 244

4.2.5大表面积奈米碳管的制造和孔径控制 246

4.3孔隙及其决定的吸附过程 248

4.3.1基本孔隙——准一维奈米中空管 249

4.3.2单壁奈米碳管的氮吸附和多维孔径结构 252

4.3.3多壁奈米碳管的多维孔隙结构及其决定的多段吸附过程 254

4.3.4多维孔隙结构模型 257

参考文献 261

第5章 力学性能及其应用 265

5.1力学性能的理论研究 267

5.1.1弹性模量 268

5.1.2史东—威尔斯（Stone—Wales）形变 271

5.1.3断裂的理论分析 273

5.2力学性能的实验研究 276

5.2.1轴向模量 276

5.2.2径向模量 283

5.2.3拉伸强度 284

5.3力学性能的应用 294

5.3.1扫描探针显微镜的探针 294

5.3.2在复合材料中的应用 299

参考文献 309

第6章 电磁性能及其应用 313

6.1电子能带结构 315

6.1.1二维石墨烯 315

6.1.2单壁奈米碳管 317

6.1.3管束和多壁奈米碳管 324

6.1.4奈米碳管接面 328

6.1.5单壁奈米碳管电子态密度的实验测定 333

6.1.6电子能量损失谱 339

6.2电子输运及磁学性质 341

6.2.1电子输运特点 341

6.2.2多壁奈米碳管的电学特性 342

6.2.3单壁奈米碳管的电学特性 347

6.2.4掺杂奈米碳管的电学特性 352

6.2.5磁学性质 353

6.2.6阿哈洛夫—伯姆（Aharonov—Bohm）效应 356

6.3电磁性能的应用 357

6.3.1奈米电子元件 357

6.3.2微型感测器 361

6.3.3电动机械装置 364

参考文献 368

第7章 场致发射性能及其应用 373

7.1场致发射的基本原理 375

7.1.1固体内部电子状态与表面能障 375

7.1.2电子逸出与逸出功 377

7.1.3福乐—诺德汉模型 379

7.2常用的场致发射材料 383

7.2.1难熔金属及其化合物 384

7.2.2碳质材料 386

7.2.3氮化硼（BN）材料 389

7.3场致发射性能 389

7.3.1场致发射性能的测试方法 389

7.3.2单壁奈米碳管的场致发射性能 400

7.3.3多壁奈米碳管的场致发射性能 405

7.3.4影响场致发射的主要因素 420

7.4场致发射性能的应用 428

7.4.1场致发射平板显示器 428

7.4.2冷发射阴极射线管 431

7.4.3其他可能的应用 431

参考文献 434

第8章 储放氢特性 437

8.1传统储氢材料的发展及现状 441

8.1.1高压及液化储氢 441

8.1.2金属氢化物储氢 442

8.1.3多孔物质吸附储氢 443

8.2储氢特性的实验研究进展 445

8.2.1储氢容量及其实验研究方法 445

8.2.2储氢的实验研究结果 449

8.2.3影响储氢性能的因素分析 454

8.3储氢的理论研究 460

8.3.1几何模型 461

8.3.2理论计算 462

8.4储氢中存在的问题和前景展望 478

参考文献 480

第9章 电化学性能 483

9.1电化学储氢 485

9.1.1基本原理 485

9.1.2理论储氢容量及可能机制 486

9.1.3储氢电极的制造及其电化学性能测试 489

9.1.4电化学储氢特性 490

9.1.5电化学储氢的应用 502

9.2锂离子电池中阴极材料 503

9.2.1锂离子电池概述 503

9.2.2锂离子电池中阴极材料的种类 505

9.2.3阴极材料的研究 508

9.3电化学电容特性及应用 511

9.3.1电化学电容器原理及关键材料 512

9.3.2影响极化电极比电容的主要因素 514

9.3.3电化学电容特性 520

9.3.4电化学电容器应用展望 526

参考文献 528

第10章 奈米碳管化学 533

10.1结构和化学性质 535

10.1.1价键结构及化学特性 535

10.1.2理想的一维奈米空间 537

10.2管中化学——奈米反应器中的物理化学 539

10.2.1开口中空管的吸附行为 539

10.2.2管内的填充 543

10.2.3最小的反应器——奈米试管 547

10.3管外化学——化学改性 549

10.3.1化学改性的机制 550

10.3.2化学改性及其应用 551

参考文献 568

第11章 奈米碳纤维 573

11.1奈米碳纤维的制造 575

11.1.1制造方法简介 575

11.1.2影响生长的主要因素 580

11.2形貌及微观结构观察 582

11.3生长机制 592

11.4性能及应用前景 597

11.4.1性能 598

11.4.2应用前景 604

参考文献 611

中英文对照表 615

索引 625

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