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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751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751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751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751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]。