纳米碳管是由类石墨的六边形网状结构卷曲套构而成的无缝中空管状物,它继承了石墨的优良性质,如耐磨、润滑以及导电等,而且还具有独特的一维纳米结构、奇异的电学性质、超强的力学性能以及稳定的物理化学性质,其导热性是目前已知材料中最好的。目前理论以及实验都证明纳米碳管,特别是单壁纳米碳管具有特异的性能,其应用前景不可估量。物理学家对不同结构纳米碳管的特殊电性质,化学家对纳米碳管具有纳米尺度的空间,材料学家对其惊人的刚度、强度和弹力等都极为关注,使纳米碳管成为近十年来凝聚态物理和材料科学研究的一大热点。本文首先介绍了利用化学气相沉积法以及电弧放电法制备以及纯化纳米碳管的研究工作；而后讨论了利用纳米碳管对传统材料的改性并研究了纳米碳管复合材料的力学性能；最后从理论上对纳米碳管场发射问题进行优化,同时利用计算机数值计算验证了理论计算的结果。第一章文献综述本章主要回顾了纳米碳管的发现过程,简要的介绍了纳米碳管的结构特点。着重介绍了利用化学气相沉积法、电弧放电法以及激光蒸发石墨法在纳米碳管制备领域内今年来所取得的成果,并讨论了影响纳米碳管生长的工艺条件。最后,根据纳米碳管的具体特性,详细介绍了纳米碳管在纳米电子器件、场发射器件、电脑芯片、复合材料、储能方面(储氢、储锂及双层电容器)以及其它物理化学等领域的发展情况以及应用前景。第二章化学气相沉积法制备纳米碳管的研究本章从五个方面研究了纳米碳管催化剂的制备工艺以及利用化学气相沉积法制备纳米碳管的工艺条件,可以看出催化剂的种类以及成分和载体的种类对纳米碳管的生长以及形貌都有着很大的影响。使用双金属催化剂或添加过渡金属钼,来改变催化剂的成分以及比例可以大幅度提高纳米碳管的产量和纯度。通过改变纳米金属催化剂与载体的比例可以在一定程度上控制纳米碳管的直径,进而可以利用化学气相沉积法获得单壁纳米碳管。通过改变催化剂载体的种类(介孔分子筛、硅模板)可以在一定程度上对纳米碳管的形貌进行控制,得到纳米碳管薄膜以及纳米碳管阵列。第三章电弧放电法制备单壁纳米碳管的研究以及纯化方面的研究本章主要讨论了利用电弧放电法制备单壁纳米碳管的工艺以及条件,并对传统的制备方法提出了改良。通过采用阴阳极成角度放电以及循环连续放电可以极大的提高复合阳极的利用率,使沉积物基本上出现在放电容器的内壁,从而提高单壁纳米碳管的产量和纯度。另外,针对电弧放电法制备单壁纳米碳管难于纯化的问题,跟踪国外的纯化方法并加以改善,通过萃取、酸化、过滤以及煅烧等工艺可以得到纯度较高的单壁纳米碳管(95%以上)。虽然可以得到纯度较高的单壁纳米碳管,但是单壁纳米碳管的产率相对较低,造成单壁纳米碳管的大量损失,因此这方面的工作仍需要深入研究。第四章纳米碳管/复合材料的制备以及力学性能的研究纳米碳管具有类石墨的片层结构,不仅具有石墨的耐磨性、自润滑性、导电性等,同时拥有特殊的一维纳米结构、超强的力学性能以及优异的物理化学稳定性,使纳米碳管适合作为复合材料的轻型增强、增韧复合材料添加剂。本章通过纳米碳管对传统材料(环氧树脂、Ni-P复合镀层)改性的研究,可以看出纳米碳管可以明显改善传统材料的性质,如强度、韧性以及耐磨性等。在制备纳米碳管/复合材料时,首要解决的问题是纳米碳管团聚的问题,这也是影响纳米碳管/复合材料各种性能的主要原因。第五章纳米碳管场发射性能的理论研究以及数值模拟本章通过对纳米碳管场发射体的场发射性能进行镜像悬浮球理论计算以及计算机数值模拟,得到了关于纳米碳管场发射性能优化的某些条件。通过两种方法可以获得相似的结论,而且能够实验结果相吻合。纳米碳管阵列的间距对纳米碳管阵列的场发射性能影响很大,在同时考虑场发射增强因子以及场发射电流密度时,认为在纳米碳管阵列的间距是碳管高度的1-2倍时,纳米碳管阵列的场发射性能最佳。而极板间距对纳米碳管场发射性能影响较小,但是可以通过降低极板间距来进一步降低纳米碳管作为场发射体的阈值电压以及工作电压,具有现实意义。通过两种方法的比较,也可以从另一方面证明镜像悬浮球模型是可以处理纳米碳管场发射的某些问题。