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在碳的庞大家族中，不同的杂化方式造就了碳纳米材料有较多的同素异形体。如:以sp1杂化的金刚石（其成键的方式是σ键）；以sp2杂化形成的石墨（成键方式是由一个σ键和一个л键结合形成）；以及碳纳米管、富勒烯以sp2+e杂化（e介于0和1之间）。
图 1.2 碳原子的杂化轨道示意图
1.2.2 富勒烯
富勒烯又名足球烯、巴基球，其分子结构对称性较高且全部是由碳原子组成。在众多富勒烯家族中，C60因其结构特殊稳定性很高而被众多学者所研究。1985年Smalley、Kroto等人为了模拟星际尘埃中的长链碳分子结构的形成机制，采用了大功率激光器来蒸发石墨，在利用质谱法测试时意外发现了C60和C70等大分子束并受Buckminster Fuller 所设计的短程线圆型屋顶构造的启示将其称作“富勒烯”。C60的出现使人们了解到一个全新的碳领域，并立即引起了全世界科学家的广泛关注。富勒烯自被发现以来的短短10年中，逐渐在物理、化学、材料化学、医学等领域得到了广泛的应用，不断丰富科学理论，并转化成实际生产效益，具有广阔的应用前景。
从C60的分子结构模型中可以看出它是由60个完全等价的碳原子构成了20个优尔边形面和12个五边形面共同形成的32面体。在其结构中，每5个优尔边形与1个五边形共用一个边从而来将12个五边形分开遵循了五元环分离原则，并且每个碳原子都与毗邻的3个化合成键（σ键），相互重叠的60个半杂化p轨道和电子在笼外共同组成一个大π键加之球面弯曲效应的存在使得C60有很好的稳定性。
1.3 C60模型图
1.2.2 碳纳米管
日本教授Sumio Iijima于1991年将用电弧法蒸发的石墨阴极产物放在高分辨透射电镜观察时，首次发现了由2-50个同心管组成的针状物即多壁碳纳米管，这就是今天被广泛关注的碳纳米管。
（1）碳纳米管性质
碳纳米管是一种结构特殊的一文碳材料，因为形如管状而得名，且碳纳米管的两端几乎封闭，其径向尺寸仅有几百纳米，甚至几十纳米，但其轴向尺寸可达数微米。碳纳米管的壁层可以近似看做是由单层石墨二文优尔边形网格结构卷曲成管状而形成的，且碳-碳原子之间通过杂化构成强共价键，因此碳纳米管在轴向方向上具有极高的拉伸强度及高弹性模量。然而，在实际实验中，制备的碳纳米管并不会像理想模型一样是完全笔直且均匀的，局部会出现凸起塌陷现象，这是由于碳优尔边形网格中存在的五边形和七边形缺陷所致。
根据碳纳米管管壁石墨层数的不同，碳纳米管可分为单层碳纳米管(由单层石墨片卷成，简写为SWC-NT)和多层碳纳米管(由多层石墨片卷成，简写为MWC-NT)，两者的物理性质都与它们的结构有密切关系。多壁碳纳米管由于石墨片层数更多，所以更易出现缺陷，且碳纳米管直径大小也更不均匀。
（2）碳纳米管性能
碳纳米管的特殊结构，造就了其特殊的物理化学性质，使之在物理，材料，化学，生物等研究领域得到了广泛的应用。
力学性能，实验研究表明碳纳米管具有极高的强度，理论计算值为钢的100倍，密度仅为钢的1/6，比常规的石墨纤文至少高一个数量级，并且有于金刚石相当的弹性模量，达到钢的5倍[4，5]。同时碳纳米管还具有极高的韧性，拉伸效果好。
电学性能，由于碳纳米管是由单层或多层的石墨片卷曲形成的，故两者结构类似，晶格结构同样稳定，因此碳纳米管也具有良好的导电性。
吸附性能，碳纳米管的的高比表面积能提供了更多的活性位点，且特有的管道结构、多壁碳纳米管层与层之间的空隙以及缺陷坑点等，都能用作储氢的活性位点，大大提升其储氢性能。此外，碳纳米管还具有传热快和光学性能好等优良的性质[34]。
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