碳纳米管

结构

　　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中心而捕获各种缺陷，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，可达 1000～10000，完全可以认为是一维分子。

性能

　　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。它是最强的纤维，在强度与重量之比方面，这种纤维是最理想的。如果用碳纳米管做成绳索，是迄今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o较低。纳米管的横向尺寸比多数在室温至 150 C 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3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/m 。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。

应用

　　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，从而抑制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,目前中国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着提高负极材料的+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。

　　7)  催化剂载体

　　纳米材料比表面积大,表面原子比率大(约占总原子数的 50%),使体系的电子结构和晶体结构明显改变,表现出特殊的电子效应和表面效应。如气体通过碳纳米管的扩散速度为通过常规催化剂颗粒的上千倍,担载催化剂后极大提高催化剂的活性和选择性。碳纳米管作为纳米材料家族的新成员,其特殊的结构和表面特性、优异的储氢能力和金属及半导体导电性,使其在加氢、脱氢和择型催化等反应中具有很大的应用潜力。碳纳米管一旦在催化上获得应用,可望极大提高反应的活性和选择性,产生巨大的经济效益。

　　8)  新型的电子探针将碳纳米管修饰到扫描隧道电子显微镜探针的针尖上，可观察到原子缝隙底部的情况，用这种工具可以得到分辨率极高的生物大分子图像。如果在多壁碳纳米管的另一端修饰不同的基团，这些基团可以用来识别一些特种原子，这就使得从表征一般的微区形貌上升到实际的分子。如果在探头针尖上装上一个阵列基团，完全能够对整个表面的分子进行识别，这对于研究生物薄膜、细胞结构和疾病诊断是非常有意义的。

　　9)  碳纳米管肌肉对机器人、光纤转换器、假肢、声纳幻影机等这类材料来说，通过一种材料的反应，将电能直接转化为机械能是至关重要的。尽管铁电的电致伸缩材料特别合适，但其可允许的可操作温度和电压均高，而能量转换效率却低，使其应用受到很大限制。碳纳米管的引入可望解决这些问题。

　　含碳纳米管的电机致动器产生的应力比普通肌肉高，应变比高模量的铁电体还要大，与普通肌肉一样。这种宏观致动器由数十亿个纳米制动器组成，只用几伏的低操作电压便可产生很大的致动应变，大大优于常用的缺电体致动器。通过优化纳米管片制备的致动器，其能量转换效率可望比已知的任何技术达到的都高，可能使人工肌肉的梦想变成现实。

　　10) 作为传感器

　　＋用碳纳米管去修饰电极，可以提高对H 等的选择性，从而制成电化学传感器。利用碳纳米管对气体吸附的选择性和碳纳米管的导电性，可以做成气体传感器。不同温度下吸附微量氧气可以改变碳纳米管的导电性，甚至在金属和半导体之间转换。在碳纳米管内局部填充碱金属可以形成p－n 结。

　　在碳纳米管内填充光敏、湿敏、压敏等材料，可以制成纳米级的各种功能传感器。纳米管传感器将会是一个很大的产业。

　　11) 作为混纺材料

　　碳纳米管具有弹性高、密度低、绝热性好、强度高、隐身性优越、红外吸收性好、疏水性强等优点，它可以与普通纤维混纺来制成防弹、保暖、隐身的军用装备。有人说碳纳米管纺织的成功会使1951年上映的英国喜剧片“The Man in The White Suit”中幻想的无敌纤维成为现实。碳纳米管在聚乙烯醇和十六烷基磺酸钠中制成的纤维的弹性摸量仍达15GPa。美国国防高新技术研究工程局DAPA（U.S. Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA）正在计划将碳纳米管制成智能化功能弹壳，它将具有制动、储能、能量转换及感应功能，因此可以制成仿鸟、仿昆虫的微型飞行器。

市场现状

　　碳纳米管和碳纳米纤维的市场主要决定于它的广泛应用。目前，碳纳米管的应用研究正在进行，近期比较有前途的应用主要有：

　　1）复合材料添加剂，该项应用对碳纳米管或碳纳米纤维的需要量较大；

　　2）锂离子电池用碳材料；

　　3）催化剂材料；

　　4）消声或吸波材料，火焰法的平面合成技术更优越。

　　目前碳纳米管的市场价格约为每克大约 2-3 美元或20多元人民币。