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碳納米管
閱讀�18751時間�2011-03-22 09:22:55

  碳納米管是一種直徑在幾納米到幾十個納米之間的中空碳纖�,長度為�(shù)微米,甚至毫�,稱為“碳納米管�。理論分析和實驗觀察認為它是一種由六角�(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、電學和化學性能。近些年隨著碳納米管及納米材料研究的深入其廣闊的應用前景也不斷地展現(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長度分別� 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。形狀象個同軸電��

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

  多壁管在開始形成的時候,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�,單壁管是由單層圓柱型石墨層�(gòu)�,其直徑大小的分布范圍小,缺陷少,具有更高的均勻一致�。無論是多壁管還是單壁管都具有很高的長徑�,一般為 100�1000,可� 1000�10000,完全可以認為是一維分子�

碳納米管的結(jié)構(gòu)

性能

  1)  力學性能

  碳納米管的抗拉強度達� 50�200GPa,是鋼� 100 �,密度卻只有鋼� 1/6,至少比常規(guī)石墨纖維高一個數(shù)量級。它是最強的纖維,在強度與重量之比方面,這種纖維是最理想�。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會被自身重量拉折的繩�,如果用它做成地球——月球載人電梯,人們來往月球和地球獻方便�。用這種輕而柔軟、結(jié)實的材料做防彈背心那就更加理想了�

  除此以外,它的高彈性和彎曲剛性估計可以由超過兆兆帕的楊氏模量的熱振幅測量證實。對于具有理想結(jié)�(gòu)的單層壁的碳納米�,其抗拉強度� 800GPa;對于多層壁,理論計算太復雜,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)定得多�

  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)生變化。碳納米管在�、堿的長時間浸泡下,�(jié)�(gòu)基本不發(fā)生破��

  人們還預言,碳納米管只會在非常高的應變�15%�20%)狀況才會破�。在動力學模擬中,它們的行為象“超級細繩�。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恢復原來的截�,不象石墨纖維,壓縮時易破壞。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度復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強度的材料。若將碳納米管與其他工程材料制成復合材料,可對基體起到強化作用�

  2)  電學性能

  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性能。理論預測其導電性能取決于其管徑和管壁的螺旋�。當 CNTs 的管徑大� 6mm �,導電性能下降;當管徑小于 6mm �,CNTs可以被看成具有良好導電性能的一維量子導��

  3)  熱學性能

  一維管具有非常大的長徑�,因而大量熱是沿著長度方向傳遞的,通過合適的取�,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)的品格振動波長大一個量�,這使得彌散的納米管在散布聲子界面的形成中是有效的,同時降低了導熱性能。適當排列碳納米管可得到非常高的各向異性熱傳導材料�

  4)  儲氫性能

  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)良的儲氫性能,也成為科學家們關注的焦點�1997 �,A. C. Dillon 對單壁碳納米�(SWNT)的儲氫性能做了研究,SWNT � 0℃時,儲氫量達到了 5%。DeLuchi 指出:一輛燃料機車行� 500km,消耗約 31kg 的氫3�,以�(xiàn)有的油箱來推�,需要氫氣儲存的重量和體積能量密度達� 65%� 62kg/m 。這兩個結(jié)果大大增加了人們對碳納米管儲氫應用前景的希望�

應用

  1)  超級電容�

  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儲裝�。超級電容器可大電流充放電,幾乎沒有充放電過電壓,循�(huán)壽命可達上萬次,工作溫度范圍很寬。電雙層電容在聲� -視頻設備、調(diào)諧器、電話機和傳真機等通訊設備及各種家用電器中可得到廣泛應��

  作為電雙層電容電極材料,要求材料�(jié)晶度�、導電性好、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 (對存儲能量有貢獻的孔不到 30%),而且�(jié)晶度�、導電性差、導致容量小。沒有合適的材料是限制電雙層電容在更廣闊范圍�(nèi)使用的一個重要原��

  碳納米管比表面積�、結(jié)晶度高、導電性好,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)的交界面形成雙電層,從而聚集大量電�,功率密度可� 8000W/kg。其在不同頻率下測得的電容容量分別為102F/g(1Hz)� 49F/g(100Hz)。碳納米管超級電容器是已知的容量的電容器,存在著巨大的商�(yè)價值�

  2)  碳納米管復合材料

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

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

  同時,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�

  導電塑料(聚脂)。將碳納米管均勻地擴散到塑料�,可獲得強度更高并具有導電性能的塑�,可用于靜電噴涂和靜電消除材�,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,簡化制造工�,降低了成本,并獲得形狀更復�、強度更�、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�。同時由于碳納米管復合材料具有良好的導電性能,不會象絕緣塑料�(chǎn)生靜電堆�,因此是用于靜電消除、晶片加工、磁盤制造及潔凈空間等領域的理想材料。碳納米管還有靜電屏蔽功能,由于電子設備外殼可消除外部靜電對設備的干�,保證電子設備正常工��

  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)出較強的寬帶微波吸收性能,它同時還具有�(zhì)量輕、導電性可�(diào)變、高溫抗氧化性能強和�(wěn)定性好等特�,是一種有前途的理想微波吸收�,可用于隱形材�、電磁屏蔽材料或暗室吸波材料。碳納米管對紅外和電磁波有隱身作用的主要原因有兩�:一方面由于納米微粒尺寸遠小于紅外及雷達波波�,因此納米微粒材料對這種波的透過率比常規(guī)材料要強得多,這就大大減少波的反射�,使得紅外探測器和雷達接收到的反射信號變得很微�,從而達到隱身的作用;另一方面,納米微粒材料的比表面積比常規(guī)粗粉� 3�4 個數(shù)量級,對紅外光和電磁波的吸收率也比常規(guī)材料大得�,這就使得紅外探測器及雷達得到的反射信號強度大大降�,因此很難�(fā)�(xiàn)被探測目�,起到了隱身作�。由于發(fā)射到該材料表面的電磁波被吸收,不產(chǎn)生反�,因此而達到隱形效果�

  4)  儲氫材料

  碳納米管�(jīng)過處理后具有�(yōu)異的儲氫性能,理論上單壁碳納米管的儲氫能力� 10%以上,目前中國科學家制備的碳納米管儲氫材料的儲氫能力達� 4%以上,至少是稀土的 2 �。根�(jù)實驗�(jié)果推�,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。儲存和凝聚大量的氫氣可做成燃料電池�(qū)動汽��

  5)  鋰離子電�

  碳納米管可用于鋰離子電池負極材料。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負極材料的損�。碳納米管摻雜石墨時可提高石墨負極的導電�,消除極化�

  實驗表明,用碳納米管作為添加劑或單獨用作鋰離子電池的負極材料均可顯著提高負極材料的+嵌Li 容量和穩(wěn)定�。碳納米管比表面積大,�(jié)晶度�,導電性好,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氫能力從而大大提高鋰離子電池的性能。根�(jù)實驗,多壁碳納米管鋰電池放電能力達� 385 mA·h/g,單壁管則高達 640mA·h/g,而石墨的理論放電極限� 372 mA·h/g�

  6)  場發(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�,形成陣列式結(jié)�(gòu),用于制造超高清晰度平板顯示�,清晰度可達數(shù)萬線。同時也可使碳納米管在鎳、玻�、鈦、鉻、石墨、鎢等材料上形成陣列式結(jié)�(gòu),制造各種用途的場發(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)出特殊的電子效應和表面效應。如氣體通過碳納米管的擴散速度為通過常規(guī)催化劑顆粒的上千�,擔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)異的儲氫能力和金屬及半導體導電�,使其在加�、脫氫和擇型催化等反應中具有很大的應用潛�。碳納米管一旦在催化上獲得應�,可望極大提高反應的活性和選擇�,�(chǎn)生巨大的�(jīng)濟效益�

  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,這些基團可以用來識別一些特種原�,這就使得從表征一般的微區(qū)形貌上升到實際的分子。如果在探頭針尖上裝上一個陣列基�,完全能�?qū)φ麄€表面的分子進行識別,這對于研究生物薄�、細胞結(jié)�(gòu)和疾病診斷是非常有意義的�

  9)  碳納米管肌肉對機器人、光纖轉(zhuǎn)換器、假�、聲納幻影機等這類材料來說,通過一種材料的反應,將電能直接�(zhuǎn)化為機械能是至關重要�。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高,而能量轉(zhuǎn)換效率卻�,使其應用受到很大限制。碳納米管的引入可望解決這些問題�

  含碳納米管的電機致動器產(chǎn)生的應力比普通肌肉高,應變比高模量的鐵電體還要大,與普通肌肉一樣。這種宏觀致動器由�(shù)十億個納米制動器組成,只用幾伏的低操作電壓便可產(chǎn)生很大的致動應變,大大優(yōu)于常用的缺電體致動器。通過�(yōu)化納米管片制備的致動�,其能量�(zhuǎn)換效率可望比已知的任何技術達到的都高,可能使人工肌肉的夢想變成現(xiàn)實�

  10) 作為傳感�

 ?。锰技{米管去修飾電極,可以提高對H 等的選擇�,從而制成電化學傳感�。利用碳納米管對氣體吸附的選擇性和碳納米管的導電�,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電�,甚至在金屬和半導體之間�(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、濕敏、壓敏等材料,可以制成納米級的各種功能傳感器。納米管傳感器將會是一個很大的�(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、強度高、隱身性優(yōu)�、紅外吸收性好、疏水性強等優(yōu)點,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�1951年上映的英國喜劇片“The Man in The White Suit”中幻想的無敵纖維成為現(xiàn)�。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�15GPa。美國國防高新技術研究工程局DAPA(U.S. Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)正在計劃將碳納米管制成智能化功能彈�,它將具有制�、儲能、能量轉(zhuǎn)換及感應功能,因此可以制成仿鳥、仿昆蟲的微型飛行器�

市場�(xiàn)狀

  碳納米管和碳納米纖維的市場主要決定于它的廣泛應用。目�,碳納米管的應用研究正在進行,近期比較有前途的應用主要有:

  1)復合材料添加劑,該項應用對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術更�(yōu)��

  目前碳納米管的市場價格約為每克大� 2-3 美元�20多元人民幣�

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