碳纳米材料

前言：碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。摘要：碳纳米管是纳米材料中开发价值最高的纳米材料之一。碳纳米管的导电性能优于铜，仅次于超导体，导热性能优于金刚石,并是已知的弹性模量和抗拉强度最高的材料。自从1991年发现以来,经过各国科学家近10年的研究，在基础研究和应用领域都取得了重要进展。可以预见，随着研究领域新的发现,碳纳米管的应用领域将会越来越广，其蕴藏的潜在的巨大经济价值将随着人们对它的认识的不断加深而充分体现出来。关键词：碳纳米管性能应用前景制备Abstract:carbonnanotubesnanomaterialisthehighestvalueofdevelopmentofnanometermaterials.Carbonnanotubeconductiveperformanceisbetterthancopper,secondonlytothesuperconductor,thermalperformanceissuperiortodiamond,andisknownastheelasticmodulusandthetensilestrengthofthematerialsofthehighest.Sincediscoveredin1991,afterscientistsfornearly10yearsofresearch,inbasicandappliedresearchfieldshavemadeimportantprogress.Canforeknow,withtheresearchofnewdiscoveries,theapplicationsofcarbonnanotubesfieldwillbemoreandmorewidely,itcontainedthepotentialeconomicvaluewillbewiththepeople'sunderstandingtoitconstantlyandfullyembodied.Keywords:carbonnanotubespreparationpropertiesapplication一．碳纳米管的性能力学性能由于碳纳米管中碳原子采取SP2杂化，相比SP3杂化，SP2杂化中S轨道成分比较大，使碳纳米管具有高模量、高强度。碳纳米管具有良好的力学性能，CNTs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；它的弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。对于具有理想结构的单层壁的碳纳米管，其抗拉强度约800GPa。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。碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。若将以其他工程材料为基体与碳纳米管制成复合材料,可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性，给复合材料的性能带来极大的改善[1]。碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，可以拉伸。目前在工业上常用的增强型纤维中，决定强度的一个关键因素是长径比，即长度和直径之比。目前材料工程师希望得到的长径比至少是20:1，而碳纳米管的长径比一般在1000:1以上，是理想的高强度纤维材料。2000年10月，美国宾州州立大学的研究人员称，碳纳米管的强度比同体积钢的强度高100倍，重量却只有后者的1/6到1/7。碳纳米管因而被称“超级纤维”[2]。莫斯科大学的研究人员曾将碳纳米管置于1011MPa[3]的水压下(相当于水下10000米深的压强)，由于巨大的压力，碳纳米管被压扁。撤去压力后，碳纳米管像弹簧一样立即恢复了形状，表现出良好的韧性。这启示人们可以利用碳纳米管制造轻薄的弹簧，用在汽车、火车上作为减震装置，能够大大减轻重量。此外，碳纳米管的熔点是目前已知材料中最高的。导电性能碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域π键，由于共轭效应显著，碳纳米管具有一些特殊的电学性质。碳纳米管具有良好的导电性能，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6nm时，导电性能下降；当管径小于6nm时，CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。有报道说Huang通过计算认为直径为0.7nm的碳纳米管具有超导性，尽管其超导转变温度只有1.5×10-4K，但是预示着碳纳米管在超导领域的应用前景。常用矢量Ch表示碳纳米管上原子排列的方向，其中Ch=na1+ma2，记为(n,m)。a1和a2分别表示两个基矢。(n,m)与碳纳米管的导电性能密切相关。对于一个给定(n,m)的纳米管，如果有2n+m=3q（q为整数），则这个方向上表现出金属性，是良好的导体，否则表现为半导体。对于n=m的方向，碳纳米管表现出良好的导电性，电导率通常可达铜的1万倍。传热性能碳纳米管具有良好的传热性能，CNTs具有非常大的长径比，因而其沿着长度方向的热交换性能很高，相对的其垂直方向的热交换性能较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合成高各向异性的热传导材料。另外，碳纳米管有着较高的热导率，只要在复合材料中掺杂微量的碳纳米管,该复合材料的热导率将会可能得到很大的改善。其他性能碳纳米管还具有光学和储氢等其他良好的性能,正是这些优良的性质使得碳纳米管被认为是理想的聚合物复合材料的增强材料。二．纳碳米管的应用及前景(1)超级电容器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。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。碳纳米管超级电容器是已知的最大容量的电容器。(2)碳纳米管复合材料[5]①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。②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。(3)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。储存和凝聚大量的氢气可做成燃料电池驱动汽车。(4)锂离子电池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。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著提高负极材料的嵌Li+容量和稳定性。(5)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。(6)信息存储由于碳纳米管作为信息写入及读出探头，其信息写入及读出点可达1.3nm(当存储信号的斑点为10nm时，其存储密度为1012bits/cm2,称其为超高密度，比目前市场上的商品高4个数量级)，从而实现信息的超高密度存储,该技术将会给信息存储技术带来革命性变革。(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。(8)质子交换膜(PEM)燃料电池碳纳米管燃料电池是最具发展潜力的新型汽车动力源，这种燃料电池通过消耗氢产生电力,排出的废气为水蒸气，因此没有污染。只要能够提供足够氢燃料，配有碳纳米管燃料电池的电动汽车行驶路程不受限制。相比配有锂离子电池及镍氢动力电池的汽车目前充电一次行驶路程大约200~300km，碳纳米管燃料电池有巨大的优越性此外，碳纳米管还可用于制造催化剂和吸附剂、纳米装置(纳米机器人)、原子探针、超大规模集成电路散热衬托材料、计算机芯片导热板、一维导线、纳米同轴电缆、分子晶体管、电子开关、传感器、美容材料、防弹背心、抗震建筑等。三．碳纳米管的制备目前常用的碳纳米管制备方法主要有：电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法（碳氢气体热解法），固相热解法、辉光放电法和气体燃烧法等以及聚合反应合成法。电弧放电法电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法。1991年日本物理学家饭岛澄男就是从电弧放电法生产的碳纤维中首次发现碳纳米管的。电弧放电法的具体过程是：将石墨电极置于充满氦气或氩气的反应容器中，在两极之间激发出电弧，此时温度可以达到4000度左右。在这种条件下，石墨会蒸发，生成的产物有富勒烯（C60）、无定型碳和单壁或多壁的碳纳米管。通过控制催化剂和容器中的氢气含量，可以调节几种产物的相对产量。使用这一方法制备碳纳米管技术上比较简单，但是生成的碳纳米管与C60等产物混杂在一起，很难得到纯度较高的碳纳米管，并且得到的往往都是多层碳纳米管，而实际研究中人们往往需要的是单层的碳纳米管。此外该方法反应消耗能量太大。近年来有些研究人员发现，如果采用熔融的氯化锂作为阳极，可以有效地降低反应中消耗的能量，产物纯化也比较容易。[6]近年来发展出了化学气相沉积法，或称为碳氢气体热解法，在一定程度上克服了电弧放电法的缺陷。这种方法是让气态烃通过附着有催化剂微粒的模板，在800~1200度的条件下，气态烃可以分解生成碳纳米管。这种方法突出的优点是残余反应物为气体，可以离开反应体系，得到纯度比较高的碳纳米管，同时温度亦不需要很高，相对而言节省了能量。但是制得的碳纳米管管径不整齐，形状不规则，并且在制备过程中必须要用到催化剂。目前这种方法的主要研究方向是希望通过控制模板上催化剂的排列方式来控制生成的碳纳米管的结构，已经取得了一定进展。激光烧蚀法激光烧蚀法的具体过程是：在一长条石英管中间放置一根金属催化剂/石墨混合的石墨靶，该管则置于一加热炉内。当炉温升至一定温度时，将惰性气体冲入管内，并将一束激光聚焦于石墨靶上。在激光照射下生成气态碳，这些气态碳和催化剂粒子被气流从高温区带向低温区时，在催化剂的作用下生长成CNTs。[7]固相热解法除此之外还有固相热解法等方法。固相热解法是令常规含碳亚稳固体在高温下热解生长碳纳米管的新方法，这种方法过程比较稳定，不需要催化剂，并且是原位生长。但受到原料的限制，生产不能规模化和连续化。参考文献[1]易昌风,徐祖顺.聚合物纳米粒子.化学工业出版社.2006:1-4[2]杨春巍,胡信国,张亮.碳纳米管研究近况.哈尔滨工业大学应用化学系.云南大学学报.2005:1-18第27卷[3]朱宏伟,吴德海.碳纳米管.机械工业出版社.2003:1-2[4]王安之,吕满庚.碳纳米管/高分子复合导电材料的研究进展.中国科学院广州化学研究所.2006年5月第66页[5]潘玮,张慧勤,陈燕.碳纳米管/聚丙烯腈导电纤维的结构与性能.化学工业出版社.2006:3-22[6]范凌云,蔡永明,沈晓冬,崔升,袁林生.丙烯酸酯/碳纳米管导电涂料的制备及其性能研究.南京工业大学材料科学与工程学院.材料开发与应用.2005:8-2第21卷第2期[7]贾志杰,王正元.材料开发与应用.清华大学出版社.1998:8-11