炭納米管基本介紹

1991年日本NEC公司實(shí)驗(yàn)室的專家飯島（Iijima）發(fā)現(xiàn)了由管狀的同軸納米管組成的碳分子即碳納米管。碳納米管具有典型的層狀中空結(jié)構(gòu)特征,構(gòu)成碳納米管的層片之間存在一定的夾角碳納米管的管身是準(zhǔn)圓管結(jié)構(gòu)，并且大多數(shù)由五邊形截面所組成。管身由六邊形碳環(huán)微結(jié)構(gòu)單元組成, 端帽部分由含五邊形的碳環(huán)組成的多邊形結(jié)構(gòu)，或者稱為多邊錐形多壁結(jié)構(gòu)。是一種具有特殊結(jié)構(gòu)（徑向尺寸為納米量級(jí)，軸向尺寸為微米量級(jí)、管子兩端基本上都封口）的一維量子材料。它主要由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管。層與層之間保持固定的距離，約為0.34nm，直徑一般為2～2Onm。由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，碳納米管的研究具有重大的理論意義和潛在的應(yīng)用價(jià)值，如：其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)是理想的一維模型材料;巨大的長(zhǎng)徑比使其有望用作堅(jiān)韌的碳纖維，其強(qiáng)度為鋼的100倍，重量則只有鋼的1/6；同時(shí)它還有望用作為分子導(dǎo)線，納米半導(dǎo)體材料，催化劑載體，分子吸收劑和近場(chǎng)發(fā)射材料等。

炭納米管的結(jié)構(gòu)示意圖

碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有許多異常的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能。近些年隨著碳納米管及納米材料研究的深入其廣闊的應(yīng)用前景也不斷地展現(xiàn)出來(lái)。

力學(xué)性能

由于碳納米管中碳原子采取SP2雜化，相比SP3雜化，SP2雜化中S軌道成分比較大，使碳納米管具有高模量、高強(qiáng)度。

碳納米管具有良好的力學(xué)性能，CNTs抗拉強(qiáng)度達(dá)到50～200GPa,是鋼的100倍,密度卻只有鋼的1/6，至少比常規(guī)石墨纖維高一個(gè)數(shù)量級(jí)；它的彈性模量可達(dá)1TPa，與金剛石的彈性模量相當(dāng)，約為鋼的5倍。對(duì)于具有理想結(jié)構(gòu)的單層壁的碳納米管，其抗拉強(qiáng)度約800GPa。碳納米管的結(jié)構(gòu)雖然與高分子材料的結(jié)構(gòu)相似，但其結(jié)構(gòu)卻比高分子材料穩(wěn)定得多。碳納米管是目前可制備出的具有最高比強(qiáng)度的材料。若將以其他工程材料為基體與碳納米管制成復(fù)合材料, 可使復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度、彈性、抗疲勞性及各向同性，給復(fù)合材料的性能帶來(lái)極大的改善。

碳納米管的硬度與金剛石相當(dāng)，卻擁有良好的柔韌性，可以拉伸。目前在工業(yè)上常用的增強(qiáng)型纖維中，決定強(qiáng)度的一個(gè)關(guān)鍵因素是長(zhǎng)徑比，即長(zhǎng)度和直徑之比。目前材料工程師希望得到的長(zhǎng)徑比至少是20:1，而碳納米管的長(zhǎng)徑比一般在1000:1以上，是理想的高強(qiáng)度纖維材料。2000年10月，美國(guó)賓州州立大學(xué)的研究人員稱，碳納米管的強(qiáng)度比同體積鋼的強(qiáng)度高100倍，重量卻只有后者的1/6到1/7。碳納米管因而被稱“超級(jí)纖維”。

莫斯科大學(xué)的研究人員曾將碳納米管置于1011 Pa的水壓下(相當(dāng)于水下18000米深的壓強(qiáng))，由于巨大的壓力，碳納米管被壓扁。撤去壓力后，碳納米管像彈簧一樣立即恢復(fù)了形狀，表現(xiàn)出良好的韌性。這啟示人們可以利用碳納米管制造輕薄的彈簧，用在汽車、火車上作為減震裝置，能夠大大減輕重量。

此外，碳納米管的熔點(diǎn)是目前已知材料中最高的。

導(dǎo)電性能

碳納米管上碳原子的P電子形成大范圍的離域π鍵，由于共軛效應(yīng)顯著，碳納米管具有一些特殊的電學(xué)性質(zhì)。

碳納米管具有良好的導(dǎo)電性能，由于碳納米管的結(jié)構(gòu)與石墨的片層結(jié)構(gòu)相同，所以具有很好的電學(xué)性能。理論預(yù)測(cè)其導(dǎo)電性能取決于其管徑和管壁的螺旋角。當(dāng)CNTs的管徑大于6nm時(shí)，導(dǎo)電性能下降；當(dāng)管徑小于6nm時(shí)，CNTs可以被看成具有良好導(dǎo)電性能的一維量子導(dǎo)線。有報(bào)道說(shuō)Huang通過(guò)計(jì)算認(rèn)為直徑為0.7nm的碳納米管具有超導(dǎo)性，盡管其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度只有1.5×10-4K，但是預(yù)示著碳納米管在超導(dǎo)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

常用矢量Ch表示碳納米管上原子排列的方向，其中Ch=na1 ma2，記為(n,m)。a1和a2分別表示兩個(gè)基矢。(n,m)與碳納米管的導(dǎo)電性能密切相關(guān)。對(duì)于一個(gè)給定(n,m)的納米管，如果有2n m=3q（q為整數(shù)），則這個(gè)方向上表現(xiàn)出金屬性，是良好的導(dǎo)體，否則表現(xiàn)為半導(dǎo)體。對(duì)于n=m的方向，碳納米管表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性，電導(dǎo)率通?？蛇_(dá)銅的1萬(wàn)倍。

傳熱性能

碳納米管具有良好的傳熱性能，CNTs具有非常大的長(zhǎng)徑比，因而其沿著長(zhǎng)度方向的熱交換性能很高，相對(duì)的其垂直方向的熱交換性能較低，通過(guò)合適的取向，碳納米管可以合成高各向異性的熱傳導(dǎo)材料。另外，碳納米管有著較高的熱導(dǎo)率，只要在復(fù)合材料中摻雜微量的碳納米管 ,該復(fù)合材料的熱導(dǎo)率將會(huì)可能得到很大的改善。

碳納米管還具有光學(xué)和儲(chǔ)氫等其他良好的性能,正是這些優(yōu)良的性質(zhì)使得碳納米管被認(rèn)為是理想的聚合物復(fù)合材料的增強(qiáng)材料。

單壁炭納米管的制備

目前常用的碳納米管制備方法主要有：電弧放電法、激光燒蝕法、化學(xué)氣相沉積法（碳?xì)錃怏w熱解法），固相熱解法、輝光放電法和氣體燃燒法等以及聚合反應(yīng)合成法。另外還有離子或激光濺射法。此方法雖易于連續(xù)生產(chǎn)，但由于設(shè)備的原因限制了它的規(guī)模。

不同結(jié)構(gòu)的炭納米管

碳納米管按照石墨烯片的層數(shù)分類可分為：?jiǎn)伪谔技{米管（Single-walled nanotubes, SWNTs）和多壁碳納米管（Multi-walled nanotubes, MWNTs），多壁管在開始形成的時(shí)候，層與層之間很容易成為陷阱中心而捕獲各種缺陷，因而多壁管的管壁上通常布滿小洞樣的缺陷。與多壁管相比，單壁管是由單層圓柱型石墨層構(gòu)成，其直徑大小的分布范圍小，缺陷少，具有更高的均勻一致性。

炭納米管可實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器微型化

氫氣被很多人視為未來(lái)的清潔能源。但是氫氣本身密度低，壓縮成液體儲(chǔ)存又十分不方便。碳納米管自身重量輕，具有中空的結(jié)構(gòu)，可以作為儲(chǔ)存氫氣的優(yōu)良容器，儲(chǔ)存的氫氣密度甚至比液態(tài)或固態(tài)氫氣的密度還高。適當(dāng)加熱，氫氣就可以慢慢釋放出來(lái)。研究人員正在試圖用碳納米管制作輕便的可攜帶式的儲(chǔ)氫容器。

在碳納米管的內(nèi)部可以填充金屬、氧化物等物質(zhì)，這樣碳納米管可以作為模具，首先用金屬等物質(zhì)灌滿碳納米管，再把碳層腐蝕掉，就可以制備出最細(xì)的納米尺度的導(dǎo)線，或者全新的一維材料，在未來(lái)的分子電子學(xué)器件或納米電子學(xué)器件中得到應(yīng)用。有些碳納米管本身還可以作為納米尺度的導(dǎo)線。這樣利用碳納米管或者相關(guān)技術(shù)制備的微型導(dǎo)線可以置于硅芯片上，用來(lái)生產(chǎn)更加復(fù)雜的電路。

利用碳納米管的性質(zhì)可以制作出很多性能優(yōu)異的復(fù)合材料。例如用碳納米管材料增強(qiáng)的塑料力學(xué)性能優(yōu)良、導(dǎo)電性好、耐腐蝕、屏蔽無(wú)線電波。使用水泥做基體的碳納米管復(fù)合材料耐沖擊性好、防靜電、耐磨損、穩(wěn)定性高，不易對(duì)環(huán)境造成影響。碳納米管增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料強(qiáng)度高，抗沖擊性能好。碳納米管上由于存在五元環(huán)的缺陷，增強(qiáng)了反應(yīng)活性，在高溫和其他物質(zhì)存在的條件下，碳納米管容易在端面處打開，形成一個(gè)管子，極易被金屬浸潤(rùn)、和金屬形成金屬基復(fù)合材料。這樣的材料強(qiáng)度高、模量高、耐高溫、熱膨脹系數(shù)小、抵抗熱變性能強(qiáng)。

碳納米管還給物理學(xué)家提供了研究毛細(xì)現(xiàn)象機(jī)理最細(xì)的毛細(xì)管，給化學(xué)家提供了進(jìn)行納米化學(xué)反應(yīng)最細(xì)的試管。碳納米管上極小的微?？梢砸鹛技{米管在電流中的擺動(dòng)頻率發(fā)生變化，利用這一點(diǎn)，1999年，巴西和美國(guó)科學(xué)家發(fā)明了精度在10-17kg精度的“納米秤”，能夠稱量單個(gè)病毒的質(zhì)量。隨后德國(guó)科學(xué)家研制出能稱量單個(gè)原子的“納米秤”。