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碳納米管
閱讀�18757�(shí)間:2011-03-22 09:22:55

  碳納米管是一種直徑在幾納米到幾十�(gè)納米之間的中空碳纖維,長(zhǎng)度為�(shù)微米,甚至毫米,稱為“碳納米管�。理論分析和�(shí)�(yàn)觀察認(rèn)為它是一種由六角�(wǎng)狀�石墨�片卷成的具有螺旋周期管狀�(jié)�(gòu)。具有許多異常的力學(xué)、電�(xué)和化�(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�(yīng)用前景也不斷地展�(xiàn)出來�

�(jié)�(gòu)

  按照石墨烯片的層�(shù),可分為�

  1)  單壁碳納米管(Single-walled nanotubes, SWNTs):由一層石墨烯片組�。單壁管典型的直徑和�(zhǎng)度分別為 0.75�3nm� 1�50μm。又稱富勒管(Fullerenes tubes)�

  2)  多壁碳納米管(Multi-walled nanotubes, MWNTs):含有多層石墨烯片。形狀象�(gè)同軸電纜�

  其層�(shù)� 2�50 不等,層間距� 0.34±0.01nm,與石墨層間�(0.34nm)相當(dāng)。多壁管的典型直徑和�(zhǎng)度分別為 2�30nm� 0.1�50μm�

  多壁管在開始形成的時(shí)�,層與層之間很容易成為陷阱中心而捕獲各種缺�,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)�,其直徑大小的分布范圍小,缺陷少,具有更高的均勻一致性。無論是多壁管還是單壁管都具有很高的�(zhǎng)徑比,一般為 100�1000,可�(dá) 1000�10000,完全可以認(rèn)為是一維分��

碳納米管的結(jié)構(gòu)

性能

  1)  力學(xué)性能

  碳納米管的抗拉強(qiáng)度達(dá)� 50�200GPa,是鋼� 100 �,密度卻只有鋼� 1/6,至少比常規(guī)石墨纖維高一�(gè)�(shù)量級(jí)。它是最�(qiáng)的纖�,在�(qiáng)度與重量之比方面,這種纖維是最理想的。如果用碳納米管做成繩索,是迄今可從月球掛到地球表面而不�(huì)被自身重量拉折的繩索,如果用它做成地球——月球載人電�,人們來往月球和地球獻(xiàn)方便了。用這種輕而柔�、結(jié)�(shí)的材料做防彈背心那就更加理想��

  除此以外,它的高彈性和彎曲剛性估�(jì)可以由超過兆兆帕的楊氏模量的熱振幅測(cè)量證�(shí)。對(duì)于具有理想結(jié)�(gòu)的單層壁的碳納米�,其抗拉�(qiáng)度約 800GPa;對(duì)于多層壁,理論計(jì)算太�(fù)�,難于給出一確定的�。碳納米管的�(jié)�(gòu)雖然與高分子材料的結(jié)�(gòu)相似,但其結(jié)�(gòu)卻比高分子材料穩(wěn)定得��

  在大氣氧化條件下,碳納米管在 973K 的溫度下失重很少,結(jié)�(gòu)基本沒有�(fā)生變�。碳納米管在�、堿的長(zhǎng)�(shí)間浸泡下,結(jié)�(gòu)基本不發(fā)生破��

  人們還�(yù)言,碳納米管只�(huì)在非常高的應(yīng)變(15%�20%)狀況才�(huì)破壞。在�(dòng)力學(xué)模擬�,它們的行為象“超�(jí)�(xì)繩�。納米管能抗扭轉(zhuǎn)力引起的畸變,在許多情況�,納米管可以在卸載時(shí)恢復(fù)原來的截�,不象石墨纖�,壓縮時(shí)易破�。壓縮的納米管形成波峰狀的紐�(jié),卸載后,能彈性地松弛。納米管的這種特性使其在諸如高強(qiáng)度復(fù)合材科的制造中和紡織原料的紡織中具有極大的吸引�。碳納米管是目前可制備出的具有比�(qiáng)度的材料。若將碳納米管與其他工程材料制成�(fù)合材�,可對(duì)基體起到�(qiáng)化作��

  2)  電學(xué)性能

  由于碳納米管的結(jié)�(gòu)與石墨的片層�(jié)�(gòu)相同,所以具有很好的電學(xué)性能。理論預(yù)�(cè)其導(dǎo)電性能取決于其管徑和管壁的螺旋�。當(dāng) CNTs 的管徑大� 6mm �(shí),導(dǎo)電性能下降;當(dāng)管徑小于 6mm �(shí),CNTs可以被看成具有良好導(dǎo)電性能的一維量子導(dǎo)��

  3)  熱學(xué)性能

  一維管具有非常大的�(zhǎng)徑比,因而大量熱是沿著長(zhǎng)度方向傳遞的,通過合適的取向,這種管子可以合成高各向異性材�。雖然在管軸平行方向的熱交換性能很高,但在其垂直方向的熱交換性能o較低。納米管的橫向尺寸比多數(shù)在室溫至 150 C 電介�(zhì)的品格振�(dòng)波長(zhǎng)大一�(gè)量級(jí),這使得彌散的納米管在散布聲子界面的形成中是有效的,同�(shí)降低了導(dǎo)熱性能。適�(dāng)排列碳納米管可得到非常高的各向異性熱傳導(dǎo)材料�

  4)  �(chǔ)氫性能

  碳納米管的中空結(jié)�(gòu),以及較石墨(0.335nm)略大的層間距(0.343nm),是否具有更加優(yōu)良的�(chǔ)氫性能,也成為科學(xué)家們關(guān)注的焦點(diǎn)�1997 年,A. C. Dillon �(duì)單壁碳納米管(SWNT)的儲(chǔ)氫性能做了研究,SWNT � 0℃時(shí),�(chǔ)氫量�(dá)到了 5%。DeLuchi 指出:一輛燃料機(jī)車行� 500km,消耗約 31kg 的氫3�,以�(xiàn)有的油箱來推�,需�?dú)錃鈨?chǔ)存的重量和體積能量密度達(dá)� 65%� 62kg/m 。這兩�(gè)�(jié)果大大增加了人們對(duì)碳納米管�(chǔ)氫應(yīng)用前景的希望�

�(yīng)�

  1)  超級(jí)電容�

  碳納米管用作電雙層電容器電極材料。電雙層電容器即可用作電容器也可作為一種能量存�(chǔ)裝置。超�(jí)電容器可大電流充放電,幾乎沒有充放電過電壓,循環(huán)壽命可達(dá)上萬�,工作溫度范圍很寬。電雙層電容在聲� -視頻�(shè)�、調(diào)諧器、電話機(jī)和傳真機(jī)等通訊�(shè)備及各種家用電器中可得到廣泛�(yīng)��

  作為電雙層電容電極材�,要求材料結(jié)晶度�、導(dǎo)電性好、比表面積大,微孔大小集中在一定的范圍�(nèi)。而目前一般用多孔炭作電極材料,不但微孔分布寬 (�(duì)存儲(chǔ)能量有貢�(xiàn)的孔不到 30%),而且�(jié)晶度�、導(dǎo)電性差、導(dǎo)致容量小。沒有合適的材料是限制電雙層電容在更廣闊范圍�(nèi)使用的一�(gè)重要原因�

  碳納米管比表面積大、結(jié)晶度�、導(dǎo)電性好,微孔大小可通過合成工藝加以控制,因而是一種理想的電雙層電容器電極材料。由于碳納米管具有開放的多孔�(jié)�(gòu),并能在與電解質(zhì)的交界面形成雙電�,從而聚集大量電�,功率密度可�(dá) 8000W/kg。其在不同頻率下�(cè)得的電容容量分別�102F/g(1Hz)� 49F/g(100Hz)。碳納米管超�(jí)電容器是已知的容量的電容�,存在著巨大的商�(yè)�(jià)值�

  2)  碳納米管�(fù)合材�

  基于納米碳管的優(yōu)良力�(xué)性能可將其作為結(jié)�(gòu)�(fù)合材料的增強(qiáng)�。研究表�,環(huán)氧樹脂和納米碳管之間可形成數(shù)� MPa 的界面強(qiáng)度�

  除做�(jié)�(gòu)�(fù)合材料的增強(qiáng)劑外,納米碳管還可做為功能增�(qiáng)劑填充到聚合物中,提高其�(dǎo)電�、散熱能力等如:在共軛發(fā)光聚合物中添加納米碳管后,不但其�(dǎo)電率大大提高,強(qiáng)度也得到了改��

  同時(shí),由于納米碳管在納米尺度散熱,避免了局部形成的熱積�,可防止共軛聚合物中鏈的斷裂,從而抑制聚合物的光褪色作用�

  �(dǎo)電塑�(聚脂)。將碳納米管均勻�?cái)U(kuò)散到塑料�,可獲得�(qiáng)度更高并具有�(dǎo)電性能的塑�,可用于靜電噴涂和靜電消除材料,目前汽車的塑料零件由于采用了這種材料,可用普通塑料取代原用的工程塑料,簡(jiǎn)化制造工�,降低了成本,并獲得形狀更復(fù)�、強(qiáng)度更�、表面更美觀的塑料零部件,是靜電噴涂塑料 (聚脂 )的發(fā)展方向。同�(shí)由于碳納米管�(fù)合材料具有良好的�(dǎo)電性能,不�(huì)象絕緣塑料產(chǎn)生靜電堆積,因此是用于靜電消�、晶片加�、磁盤制造及潔凈空間等領(lǐng)域的理想材料。碳納米管還有靜電屏蔽功�,由于電子設(shè)備外殼可消除外部靜電�(duì)�(shè)備的干擾,保證電子設(shè)備正常工��

  3)  電磁干擾屏蔽材料及隱形材�

  由于特殊的結(jié)�(gòu)和介電性質(zhì),碳納米管表現(xiàn)出較�(qiáng)的寬帶微波吸收性能,它同�(shí)還具有質(zhì)量輕、導(dǎo)電性可�(diào)�、高溫抗氧化性能�(qiáng)和穩(wěn)定性好等特�(diǎn),是一種有前途的理想微波吸收�,可用于隱形材料、電磁屏蔽材料或暗室吸波材料。碳納米管對(duì)紅外和電磁波有隱身作用的主要原因有兩�(diǎn):一方面由于納米微粒尺寸�(yuǎn)小于紅外及雷�(dá)波波�(zhǎng),因此納米微粒材料�(duì)這種波的透過率比常規(guī)材料要強(qiáng)得多,這就大大減少波的反射�,使得紅外探測(cè)器和雷達(dá)接收到的反射信號(hào)變得很微�,從而達(dá)到隱身的作用;另一方面,納米微粒材料的比表面積比常規(guī)粗粉� 3�4 �(gè)�(shù)量級(jí),�(duì)紅外光和電磁波的吸收率也比常�(guī)材料大得�,這就使得紅外探測(cè)器及雷達(dá)得到的反射信�(hào)�(qiáng)度大大降�,因此很難�(fā)�(xiàn)被探�(cè)目標(biāo),起到了隱身作用。由于發(fā)射到該材料表面的電磁波被吸收,不產(chǎn)生反�,因此而達(dá)到隱形效��

  4)  �(chǔ)氫材�

  碳納米管�(jīng)過處理后具有�(yōu)異的�(chǔ)氫性能,理論上單壁碳納米管的�(chǔ)氫能力在 10%以上,目前中國(guó)科學(xué)家制備的碳納米管�(chǔ)氫材料的�(chǔ)氫能力達(dá)� 4%以上,至少是稀土的 2 倍。根�(jù)�(shí)�(yàn)�(jié)果推�(cè),室溫常壓�,� 2/3 的氫能從這些可被多次利用的納料材料中釋放。儲(chǔ)存和凝聚大量的氫氣可做成燃料電池�(qū)�(dòng)汽車�

  5)  鋰離子電�

  碳納米管可用于鋰離子電池�(fù)極材�。碳納米管的層間距為 0.34nm,略大于石墨的層間�+ +0.335nm,這有利于 Li 的嵌入與遷出,它特殊的圓筒狀�(gòu)型不僅可� Li 從外壁和�(nèi)壁兩方面嵌入,�+可防止因溶劑� Li 嵌入引起的石墨層剝離而造成�(fù)極材料的損壞。碳納米管摻雜石墨時(shí)可提高石墨負(fù)極的�(dǎo)電�,消除極化�

  �(shí)�(yàn)表明,用碳納米管作為添加劑或單�(dú)用作鋰離子電池的�(fù)極材料均可顯著提高負(fù)極材料的+嵌Li 容量和穩(wěn)定�。碳納米管比表面積大,�(jié)晶度�,�(dǎo)電性好,微孔大小可通過合成工藝加以控制,因而有可能成為一種理想的電極材料。在鋰離子電池中加入碳納米管,也可有效提高電池的儲(chǔ)氫能力從而大大提高鋰離子電池的性能。根�(jù)�(shí)�(yàn),多壁碳納米管鋰電池放電能力達(dá)� 385 mA·h/g,單壁管則高達(dá) 640mA·h/g,而石墨的理論放電極限� 372 mA·h/g�

  6)  �(chǎng)�(fā)射管(平板顯示�)

  在硅片上鍍上催化�,在特定條件下使碳納米管在硅片上垂直生�(zhǎng),形成陣列式結(jié)�(gòu),用于制造超高清晰度平板顯示�,清晰度可�(dá)�(shù)萬線。同�(shí)也可使碳納米管在鎳、玻�、鈦、鉻、石�、鎢等材料上形成陣列式結(jié)�(gòu),制造各種用途的�(chǎng)�(fā)射管�

  7)  催化劑載�

  納米材料比表面積�,表面原子比率�(約占總原子數(shù)� 50%),使體系的電子�(jié)�(gòu)和晶體結(jié)�(gòu)明顯改變,表現(xiàn)出特殊的電子效應(yīng)和表面效�(yīng)。如氣體通過碳納米管的擴(kuò)散速度為通過常規(guī)催化劑顆粒的上千�,�(dān)載催化劑后極大提高催化劑的活性和選擇�。碳納米管作為納米材料家族的新成�,其特殊的�(jié)�(gòu)和表面特性、優(yōu)異的�(chǔ)氫能力和金屬及半�(dǎo)體導(dǎo)電�,使其在加�、脫氫和擇型催化等反�(yīng)中具有很大的�(yīng)用潛�。碳納米管一旦在催化上獲得應(yīng)�,可望極大提高反應(yīng)的活性和選擇�,�(chǎn)生巨大的�(jīng)�(jì)效益�

  8)  新型的電子探針將碳納米管修飾到掃描隧道電子顯微鏡探針的針尖上,可觀察到原子縫隙底部的情�,用這種工具可以得到分辨率極高的生物大分子圖�。如果在多壁碳納米管的另一端修飾不同的基團(tuán),這些基團(tuán)可以用來�(shí)別一些特種原子,這就使得從表征一般的微區(qū)形貌上升到實(shí)際的分子。如果在探頭針尖上裝上一�(gè)陣列基團(tuán),完全能�?qū)φ麄€(gè)表面的分子�(jìn)行識(shí)�,這對(duì)于研究生物薄膜、細(xì)胞結(jié)�(gòu)和疾病診斷是非常有意義的�

  9)  碳納米管肌肉�(duì)�(jī)器人、光纖轉(zhuǎn)換器、假�、聲納幻影機(jī)等這類材料來說,通過一種材料的反應(yīng),將電能直接�(zhuǎn)化為�(jī)械能是至�(guān)重要�。盡管鐵電的電致伸縮材料特別合適,但其可允許的可操作溫度和電壓均�,而能量轉(zhuǎn)換效率卻�,使其應(yīng)用受到很大限�。碳納米管的引入可望解決這些問題�

  含碳納米管的電機(jī)致動(dòng)器產(chǎn)生的�(yīng)力比普通肌肉高,應(yīng)變比高模量的鐵電體還要大,與普通肌肉一�。這種宏觀致動(dòng)器由�(shù)十億�(gè)納米制動(dòng)器組�,只用幾伏的低操作電壓便可產(chǎn)生很大的致動(dòng)�(yīng)�,大大優(yōu)于常用的缺電體致�(dòng)�。通過�(yōu)化納米管片制備的致動(dòng)器,其能量轉(zhuǎn)換效率可望比已知的任何技�(shù)�(dá)到的都高,可能使人工肌肉的夢(mèng)想變成現(xiàn)�(shí)�

  10) 作為傳感�

 ?。锰技{米管去修飾電極,可以提高�(duì)H 等的選擇性,從而制成電化學(xué)傳感�。利用碳納米管對(duì)氣體吸附的選擇性和碳納米管的導(dǎo)電�,可以做成氣體傳感器。不同溫度下吸附微量氧氣可以改變碳納米管的導(dǎo)電�,甚至在金屬和半�(dǎo)體之間轉(zhuǎn)�。在碳納米管�(nèi)局部填充堿金屬可以形成p-n �(jié)�

  在碳納米管內(nèi)填充光敏、濕�、壓敏等材料,可以制成納米級(jí)的各種功能傳感器。納米管傳感器將�(huì)是一�(gè)很大的產(chǎn)�(yè)�

  11) 作為混紡材料

  碳納米管具有彈性高、密度低、絕熱性好、強(qiáng)度高、隱身性優(yōu)�、紅外吸收性好、疏水性強(qiáng)等優(yōu)�(diǎn),它可以與普通纖維混紡來制成防彈、保�、隱身的軍用裝備。有人說碳納米管紡織的成功會(huì)�1951年上映的英國(guó)喜劇片“The Man in The White Suit”中幻想的無敵纖維成為現(xiàn)�(shí)。碳納米管在聚乙烯醇和十六烷基磺酸鈉中制成的纖維的彈性摸量仍�(dá)15GPa。美�(guó)�(guó)防高新技�(shù)研究工程局DAPA(U.S. Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)正在計(jì)劃將碳納米管制成智能化功能彈�,它將具有制�(dòng)、儲(chǔ)�、能量轉(zhuǎn)換及感應(yīng)功能,因此可以制成仿�、仿昆蟲的微型飛行器�

市場(chǎng)�(xiàn)狀

  碳納米管和碳納米纖維的市�(chǎng)主要決定于它的廣泛應(yīng)用。目�,碳納米管的�(yīng)用研究正在�(jìn)�,近期比較有前途的�(yīng)用主要有�

  1)復(fù)合材料添加劑,該�(xiàng)�(yīng)用對(duì)碳納米管或碳納米纖維的需要量較大�

  2)鋰離子電池用碳材料�

  3)催化劑材料�

  4)消聲或吸波材料,火焰法的平面合成技�(shù)更優(yōu)��

  目前碳納米管的市�(chǎng)�(jià)格約為每克大� 2-3 美元�20多元人民��

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