多壁碳納米管

碳納米管的獨(dú)特結(jié)構(gòu)決定了它具有許多特殊的物理和化學(xué)性質(zhì)。組成碳納米管的 C=C 共價(jià)鍵是自然界最穩(wěn)定的化學(xué)鍵，所以使得碳納米管具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能。理論計(jì)算表明，碳納米管具有極高的強(qiáng)度和極大的韌性。其理論值估計(jì)楊氏模量可達(dá) 5TPa，強(qiáng)度約為鋼的 100 倍，而重量密度卻只有鋼的 1/6。Treacy 等首次利用了 TEM 測(cè)量了溫度從室溫到 800 度變化范圍內(nèi)多壁碳納米管的均方振幅，從而推導(dǎo)出多壁碳納米管的平均楊氏模量約為 1.8Tpa。而 Salvetat 等測(cè)量了小直徑的單壁碳納米管的楊氏模量，并導(dǎo)出其剪切模量為 1Tpa。Wong 等用原子力顯微鏡測(cè)量多壁碳納米管的彎曲強(qiáng)度平均值為 14.2±10.8GPa，而碳纖維的彎曲強(qiáng)度卻僅有 1GPa。碳納米管無(wú)論是強(qiáng)度還是韌性，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于任何纖維，被認(rèn)為是未來(lái)的"超級(jí)纖維"。

人們預(yù)言碳納米管可能成為一種新型的高強(qiáng)度碳纖維材料，既具有碳素材料的固有本性，又具有金屬材料的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性，陶瓷材料的耐熱和耐腐蝕性，紡織纖維的可編織性，以及高分子材料的輕質(zhì)、易加工性。將碳納米管作為復(fù)合材料增強(qiáng)體，預(yù)計(jì)可表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度、彈性、抗疲勞性及各向同性，可以預(yù)期碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料可能帶來(lái)復(fù)合材料性能的一次飛躍。用納米管制作復(fù)合材料的研究首先是在金屬基上進(jìn)行的，如:Fe/碳納米管、Al/碳納米管、Ni/碳納米管、Cu/碳納米管等。碳納米管復(fù)合材料的研究重心已轉(zhuǎn)到高分子/碳納米管復(fù)合材料方面，如在輕質(zhì)高強(qiáng)度的材料中，使用碳纖維作為增強(qiáng)材料，碳納米管的機(jī)械性能及其小的直徑和大的長(zhǎng)徑比將會(huì)帶來(lái)更好的增強(qiáng)效果。

1985 年英國(guó)薩塞克斯大學(xué)的波譜學(xué)家 Kroto 教授與美國(guó)萊斯大學(xué)的 Smalley和 Curl 兩教授在合作研究中，發(fā)現(xiàn)碳元素可以形成由 60 個(gè)或 70 個(gè)碳原子構(gòu)成的高度對(duì)稱性籠狀結(jié)構(gòu)的 C60和 C70分子，被稱為巴基球(Buckyballs)。1991 年，日本 NEC 科學(xué)家 Iijima 在制取 C60的陰極結(jié)疤中首次采用高分辨隧道電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)一種外徑為 515nm、內(nèi)徑為 213nm，僅由兩層同軸類石墨圓柱面疊而成的碳納米管。隨后在 1993 年，Iijima和 Bethune研究小組同時(shí)報(bào)道合成了結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單的單壁碳納米管，這為理論預(yù)測(cè)碳納米管的性能提供了實(shí)驗(yàn)上的可能性，進(jìn)一步拓寬了碳簇材料的范圍，也極大地促進(jìn)了對(duì)碳納米管的理論和實(shí)驗(yàn)研究，使得該領(lǐng)域成為如今全球研究的一個(gè)熱點(diǎn) 。

納米管的類別有:硅納米管、單壁碳納米管、雙壁碳納米管、多壁碳納米管、功能化多壁碳納米管、短多壁碳納米管、工業(yè)化多壁碳納米管、石墨化多壁碳納米管、大內(nèi)徑薄壁碳納米管、鍍鎳碳納米管。隕石碳質(zhì)晶體納米管。

碳納米管的電學(xué)性能包括導(dǎo)電性能和超導(dǎo)特性兩個(gè)部分，其中前一部分研究得最多。理論與實(shí)驗(yàn)均證實(shí)碳納米管的導(dǎo)電性質(zhì)與其微結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。早期的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，一些碳納米管應(yīng)是金屬或窄能隙的半導(dǎo)體。1996年，Langer等人開(kāi)始用兩電極法研究單根多壁碳納米管的輸運(yùn)特性，而Ebbesen等人為了避免樣品的不良電接觸，改用四電極法測(cè)量了單根多壁碳納米管的電學(xué)特性。從單根多壁碳納米管的電阻R來(lái)看，它們的差別確實(shí)很大，有些碳納米管屬于金屬，而另一些屬于半導(dǎo)體。一些研究組的實(shí)驗(yàn)顯示，碳納米管的電學(xué)性能與螺旋度有密切關(guān)聯(lián)。

碳納米管最令人矚目的熱學(xué)性能是導(dǎo)熱系數(shù)。理論預(yù)測(cè)碳納米管的導(dǎo)熱系數(shù)很可能大于金剛石而成為世界上導(dǎo)熱率高的材料。不過(guò)，測(cè)量單根碳納米管的導(dǎo)熱系數(shù)是一件很困難的事情，2014年還沒(méi)有獲得突破。將電弧法制備的單壁碳納米管軋成相對(duì)密度為70%，尺寸為5mm×2mm×2mm的方塊，Hone測(cè)得了室溫下未經(jīng)處理的碳納米管塊材的導(dǎo)熱率為35W/(M·K)，該值遠(yuǎn)小于理論預(yù)測(cè)值。顯然，碳納米管塊材中的空隙和碳納米管之間的接觸都將極大地減小碳納米管塊材的導(dǎo)熱率。而且，與石墨相類似，碳納米管沿軸方向與垂直于軸向方向的導(dǎo)熱能力應(yīng)有很大的不同。因此，該結(jié)果不能代表碳納米管的實(shí)際熱率。正如單根碳納米管的電導(dǎo)率是碳納米管管體材料的電導(dǎo)率的50-150倍一樣，如果單根碳納米管的電導(dǎo)率也是如此，那么碳納米管的導(dǎo)熱率應(yīng)為1750-5800W/(M·K)。通過(guò)測(cè)量碳納米管塊材的導(dǎo)熱率與溫度的關(guān)系曲線可以推斷，碳納米管的導(dǎo)熱是由聲子決定的，并就此估計(jì)出碳納米管中聲子的平均自由程約為0.5-1.5μm。

利用X射線衍射和透射電子顯微鏡研究納米碳管在5.5Gpa下的熱穩(wěn)定性也取得了重要進(jìn)展。根據(jù)以往的研究，在常壓真空條件下碳納米管的熱穩(wěn)定性非常好，其結(jié)構(gòu)在2800℃以下可能并不發(fā)生變化。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在5.5Gpa壓力下，雖然碳納米管的微結(jié)構(gòu)在低溫時(shí)沒(méi)有發(fā)生明顯的改變，但在950℃即開(kāi)始發(fā)生變化，轉(zhuǎn)變成類巴基蔥和類條帶結(jié)構(gòu)，而在1150℃時(shí)轉(zhuǎn)變成石墨結(jié)構(gòu)，高壓是這種轉(zhuǎn)變的主要原因，高壓可以促使碳納米管結(jié)構(gòu)的破裂，從而降低它的熱穩(wěn)定性。