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  倩倩可可豆 2016-05-15 00:00:00

  1. 什么是碳纳米管？ 1991年日本NEC公司的饭岛纯雄(Sumio Iijima)首次利用电子显 微镜观察到中空的碳纤维，直径一般在几纳米到几十个纳米之间，长度为数微米，甚至 毫米，称为“碳纳米管”。理论分析和实验观察认为它是一种由六角网状的石墨烯片卷 成的具有螺旋周期管状结构。正是由于饭岛的发现才真正引发了碳纳米管研究的热潮和 近十年来碳纳米管科学和技术的飞速发展。 按照石墨烯片的层数，可分为： 1) 单壁碳纳米管（Single-walled nanotubes， SWNTs）：由一层石墨烯片组成。单壁管 典型的直径和长度分别为0.75～3nm和1～50μm。又称富勒管(Fullerenes tubes)。 2) 多壁碳纳米管（Multi-walled nanotubes， MWNTs）：含有多层石墨烯片。形状象个 同轴电缆。其层数从2～50不等，层间距为0.34±0.01nm，与石墨层间距(0.34nm)相当。 多壁管的典型直径和长度分别为2～30nm和0.1～50μm。 多壁管在开始形成的时候，层与 层之间很容易成为陷阱ZX而捕获各种缺陷，因而多壁管的管壁上通常布满小洞样的缺陷 。与多壁管相比，单壁管是由单层圆柱型石墨层构成，其直径大小的分布范围小，缺陷少 ，具有更高的均匀一致性。无论是多壁管还是单壁管都具有很高的长径比，一般为100～ 1000，Z高可达1000～10000，完全可以认为是一维分子。 2. 碳纳米管的独特性质 1) 力学性能 碳纳米管的抗拉强度达到50～200GPa，是钢的100倍，密度却只有钢的1/6， 至少比常规石墨纤维高一个数量级。它是Z强的纤维，在强度与重量之比方面，这种 纤维是Z理想的。如果用碳纳米管做成绳索，是迄今唯yi可从月球挂到地球表面而不会 被自身重量拉折的绳索，如果用它做成地球——月球载人电梯，人们来往月球和地球献 方便了。用这种轻而柔软、结实的材料做防弹背心那就更加理想了。 除此以外，它的 高弹性和弯曲刚性估计可以由超过兆兆帕的杨氏模量的热振幅测量证实。对于具有理想 结构的单层壁的碳纳米管，其抗拉强度约800GPa；对于多层壁，理论计算太复杂，难于 给出一确定的值。碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似，但其结构却比高分子 材料稳定得多。 在大气氧化条件下，碳纳米管在973K的温度下失重很少，结构基本没有发生变化。碳纳 米管在酸、碱的长时间浸泡下，结构基本不发生破坏。 人们还预言，碳纳米管只会在 非常高的应变（15％—20％）状况才会破坏。在动力学模拟中，它们的行为象“超级细 绳”。纳米管能抗扭转力引起的畸变，在许多情况下，纳米管可以在卸载时恢复原来的 截面，不象石墨纤维，压缩时易破坏。压缩的纳米管形成波峰状的纽结，卸载后，能弹 性地松弛。纳米管的这种特性使其在诸如高强度复合材科的制造中和纺织原料的纺织中 具有极大的吸引力。碳纳米管是目前可制备出的具有Z高比强度的材料。若将碳纳米管 与其他工程材料制成复合材料，可对基体起到强化作用。 2) 电学性能 由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。 理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。当CNTs的管径大于6mm时，导电性能 下降；当管径小于6mm时，CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。 3) 热学性能 一维管具有非常大的长径比，因而大量热是沿着长度方向传递的，通过合 适的取向，这种管子可以合成高各向异性材料。虽然在管轴平行方向的热交换性能很高 ，但在其垂直方向的热交换性能较低。纳米管的横向尺寸比多数在室温至150oC电介质 的品格振动波长大一个量级，这使得弥散的纳米管在散布声子界面的形成中是有效的， 同时降低了导热性能。适当排列碳纳米管可得到非常高的各向异性热传导材料。 4) 储氢性能 碳纳米管的中空结构，以及较石墨(0.335nm)略大的层间距(0.343nm)，是否 具有更加优良的储氢性能，也成为科学家们关注的焦点。1997年，A. C. Dillon对单壁碳 纳米管(SWNT)的储氢性能做了研究，SWNT在0℃时，储氢量达到了5%。DeLuchi指出:一辆 燃料机车行驶500km，消耗约31kg的氢气，以现有的油箱来推算，需要氢气储存的重量和 体积能量密度达到65%和62kg/m3。这两个结果大大增加了人们对碳纳米管储氢应用前景 的希望。 3. 碳纳米管的应用前景 1) 超级电容器 碳纳米管用作电双层电容器电极材料。电双层电容器即可用作电容器也 可作为一种能量存储装置。超级电容器可大电流充放电，几乎没有充放电过电压，循环 寿命可达上万次，工作温度范围很宽。电双层电容在声频 -视频设备、调谐器、电话机 和传真机等通讯设备及各种家用电器中可得到广泛应用。 作为电双层电容电极材料，要 求材料结晶度高、导电性好、比表面积大，微孔大小集中在一定的范围内。而目前一般 用多孔炭作电极材料，不但微孔分布宽 (对存储能量有贡献的孔不到30%)，而且结晶度 低、导电性差、导致容量小。没有合适的材料是限制电双层电容在更广阔范围内使用的 一个重要原因。 碳纳米管比表面积大、结晶度高、导电性好，微孔大小可通过合成工艺 加以控制，因而是一种理想的电双层电容器电极材料。由于碳纳米管具有开放的多孔结 构，并能在与电解质的交界面形成双电层，从而聚集大量电荷，功率密度可达8000W/kg。 其在不同频率下测得的电容容量分别为102F/g(1Hz)和49F/g(100Hz)。碳纳米管超级电 容器是已知的Z大容量的电容器，存在着巨大的商业价值。 2) 碳纳米管复合材料 基于纳米碳管的优良力学性能可将其作为结构复合材料的增强剂。 研究表明，环氧树脂和纳米碳管之间可形成数百MPa的界面强度。除做结构复合材料的增 强剂外，纳米碳管还可做为功能增强剂填充到聚合物中，提高其导电性、散热能力等如： 在共轭发光聚合物中添加纳米碳管后，不但其导电率大大提高，强度也得到了改善。同 时，由于纳米碳管在纳米尺度散热，避免了局部形成的热积累，可防止共轭聚合物中链的 断裂，从而YZ聚合物的光褪色作用。 导电塑料(聚脂)。 将碳纳米管均匀地扩散到塑料中，可获得强度更高并具有导电性能的塑料，可用于静电 喷涂和静电消除材料，目前汽车的塑料零件由于采用了这种材料，可用普通塑料取 代原用的工程塑料，简化制造工艺，降低了成本，并获得形状更复杂、强度更高、表面 更美观的塑料零部件，是静电喷涂塑料 (聚脂 )的发展方向。同时由于碳纳米管复合材 料具有良好的导电性能，不会象绝缘塑料产生静电堆积，因此是用于静电消除、晶片加 工、磁盘制造及洁净空间等领域的理想材料。碳纳米管还有静电屏蔽功能，由于电子设 备外壳可消除外部静电对设备的干扰，保证电子设备正常工作。 3) 电磁干扰屏蔽材料及隐形材料 由于特殊的结构和介电性质，碳纳米管表现出较强的 宽带微波吸收性能，它同时还具有质量轻、导电性可调变、高温抗氧化性能强和稳定性 好等特点，是一种有前途的理想微波吸收剂，可用于隐形材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波 材料。碳纳米管对红外和电磁波有隐身作用的主要原因有两点:一方面由于纳米微粒尺 寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多 ，这就大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而 达到隐身的作用;另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3～4个数量级，对红 外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信 号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。由于发射到该材料表面的 电磁波被吸收，不产生反射，因此而达到隐形效果。 4) 储氢材料 碳纳米管经过处理后具有优异的储氢性能，理论上单壁碳纳米管的储氢能力 在10%以上，目前ZG科学家制备的碳纳米管储氢材料的储氢能力达到4%以上，至少是稀土 的2倍。根据实验结果推测，室温常压下，约2/3的氢能从这些可被多次利用的纳料材料中释 放。储存和凝聚大量的氢气可做成燃料电池驱动汽车。 5) 锂离子电池 碳纳米管可用于锂离子电池负极材料。碳纳米管的层间距为0.34nm，略大 于石墨的层间距0.335nm，这有利于Li+的嵌入与迁出，它特殊的圆筒状构型不仅可使Li+从 外壁和内壁两方面嵌入，又可防止因溶剂化Li+嵌入引起的石墨层剥离而造成负极材料的损 坏。碳纳米管掺杂石墨时可提高石墨负极的导电性，消除极化。 实验表明，用碳纳米管作 为添加剂或单独用作锂离子电池的负极材料均可显著提高负极材料的嵌Li+容量和稳定性 。碳纳米管比表面积大，结晶度高，导电性好，微孔大小可通过合成工艺加以控制，因而有可 能成为一种理想的电极材料。在锂离子电池中加入碳纳米管，也可有效提高电池的储氢能力 ，从而大大提高锂离子电池的性能。根据实验，多壁碳纳米管锂电池放电能力达到 385 mA·h/g，单壁管则高达640mA·h/g，而石墨的理论放电极限为372 mA·h/g。 6) 场发射管(平板显示器) 在硅片上镀上催化剂，在特定条件下使碳纳米管在硅片上垂直 生长，形成阵列式结构，用于制造超高清晰度平板显示器，清晰度可达数万线。同时也可使 碳纳米管在镍、玻璃、钛、铬、石墨、钨等材料上形成阵列式结构，制造各种用途的场发 射管。

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