浅谈碳纳米管的独特性质及应用

1浅谈碳纳米管的独特性质及应用摘要：碳纳米管具有特殊的导电性能、力学性质及物理化学性质等，自问世以来即引起广泛关注，近年来广泛应用于众多科学研究领域，本文综述了碳纳米管由于其独特性质近年来在复合材料，纳米机械，微电子等方面的应用。关键词：碳纳米管；独特性质；应用ABriefStudyonthePropertiesandapplicationsofcarbonnanotubeAbstract:Carbonnanotubehavedrawnwideattentionduetotheiruniquestructuresandproperties，suchasspecialelectricconductivity，mechanical，physicalandchemicalpropertiessincetheywerefirstintroduced.Thisreviewfocusesontheapplicationofcarbonnanotubeinsuchascompositematerials,nano-machinery,andmicro-electronicduetoitsuniquenatureinrecentyears.Keywords:Carbonnanotube;uniqueproperties;application碳纳米管是一种具有独特结构的一维量子材料，由石墨碳原子层卷曲而成，管直径一般为几纳米到几十纳米，管壁厚度仅为几纳米，长度可达数微米。碳纳米管可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管两种主要类型。单壁碳纳米管由单层石墨卷成柱状无缝管而形成，是结构完美的单分子材料；多壁碳纳米管可看作由多个不同直径的单壁碳纳米管同轴套构而成。单壁碳纳米管根据六边环螺旋方向（螺旋角）的不同可以是金属型碳纳米管，也可以是半导体型碳纳米管，并可以用碳纳米管的螺旋矢量参数（n，m）来表征。当n=m时，称为扶手椅型碳纳米管，是金属型碳纳米管；当n=0或m=0时，称为锯齿型碳纳米管；当m和n为不相等的整数时，称为螺旋型碳纳米管。锯齿型和螺旋型碳纳米管既可以是金属型碳纳米管，也可以是半导体型碳纳米管。如果n-m=3k（k为非零整数），则为半导体型碳纳米管，否则为金属型碳纳米管。由于拥有潜在的优越性能，碳纳米管无论在物理、化学还是在材料科学领域都将有重大发展前景。比如在材料科学领域，碳纳米管具有极高的强度、韧性和弹性模量。其弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量几乎相同，约为钢的5倍。其理论抗拉强度为50-200GP，2是钢的100倍，而密度仅为钢的1/6。碳纳米管无论强度还是韧性，都远远优于任何纤维材料，被称为“超级纤维”，其性质随直径和螺旋角的不同有明显变化，因而成为一个极具诱惑力的科学研究对象。以下是从几个方面介绍碳纳米管的性能及其应用。1在复合材料领域内的应用碳纳米管的性能优于当前的任何纤维，它既具有碳纤维的固有性质，又具有金属材料的导电导热性，陶瓷材料的耐热耐蚀性，纺织纤维的柔软可编性，以及高分子材料的轻度易加工性，是一种一材多能和一材多用的功能材料和结构材料，与高分子材料复合时，会形成完整的结合界面，得到性能优异的复合材料，表现出极好的强度、弹性、抗疲劳性、抗静电性、吸收微波性等优异性能。碳纳米管复合材料的优异性能可使其广泛应用于塑料、电磁屏蔽材料、合成纤维等诸多行业。基于碳纳米管的优良力学性能可以将其作为结构复合材料的增强剂。初步研究表明，环氧树脂和碳纳米管之间可以形成数百兆帕的界面强度。也可作为金属的增强材料来提高金属的强度、硬度、耐摩擦、磨损性能以及热稳定性等。在适当的淬火工艺下，碳纳米管复合材料的硬度可达到HRC65，比相同工艺下的普通铁碳合金的硬度高出5~10HRC。在高分子材料中只要加入少量的碳纳米管，其电阻将会降低3个数量级以上，使其具有抗静电功能。因而，碳纳米管可用于静电消除材料。碳纳米管用于电子设备外壳可消除外部静电对设备的干扰，保证电子设备正常工作。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，可用于静电喷涂材料。且碳纳米管有较大的长径比，在塑料熔体中有相互缠结成三维网络结构的趋势，用量在质量分数约2%时，塑料具有良好的导电性，因而不会影响塑料的模塑性、强度和表面光洁度及其它性能。目前高档汽车的塑料零件由于采用了这种材料取代原用的工程塑料，简化了制造工艺，降低了成本，并获得形状更复杂、强度更高、表面更美观的塑料零部件。碳纳米管具有较强的宽带微波吸收性能、重量轻、导电性可调变、高温抗氧化性能强和稳定性好等优点，因而它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。由于碳纳米管的纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，所以纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，大大减少了波的反射率，使得红外探测器和雷达3接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用。另外，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3-4个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用，可用于隐形飞机等电子武器装备。另外，碳纳米管经化学修饰后与聚合物共混纺制的纳米管复合纤维不仅具有导电性和抗静电性，而且其强度和模量远高于现有的合成纤维，可应用于刀枪不入的防弹背心和装甲。2在纳米机械方面的应用在纳米机械方面，已经制成了纳米秤。纳米秤与悬挂的钟摆相似，弯曲常数是已知的，通过测量振动频率，可以测出粘结在悬壁梁一端的颗粒的质量，这个原理同样适用于测量粘结在碳纳米管自由端顶部的微小质量。这是最新发现的纳米秤，也是世界上最敏感的和最小的衡器。有专家认为，此纳米秤将可以用来衡量大生物分子的质量和生物颗粒，例如病毒，还可能导致一种纳米质谱仪的产生。用碳纳米管设计开发出一种纳米镊子。当外加电压从0V增加到8.3V，纳米镊子尖端的距离减小到原来的1\2，。当电压达到8.5V时，纳米镊子突然合上。这种纳米镊子可以用于操纵原子和纳米团簇。碳纳米管作为探针型电子显微镜等的探针，是碳纳米管最接近商业化的应用之一。碳纳米管纳米级的直径使其制备的显微镜探针，比传统的金字塔形状的针尖分辨率更高；碳纳米管具有较大的长径比，比传统的金字塔形状的针尖探测深度高，可以探测狭缝和深层次的特性。另外，碳纳米管弹性弯曲性好，可以避免损坏样品及探针针尖；并且可以对碳纳米管的端部有选择性地进行化学修饰，制备分析有机和生物样品官能团的探针针尖。纳米碳管探针用作原子力显微镜探针后可极大地提高其分辨率，在不破坏生物大分子的条件下，可得到较高分辨率的生物大分子照片，这对于研究生物薄膜、细胞结构和疾病诊断具有非常意义。碳纳米管还可用于制造机电制动器，机电制动器在机器人领域具有潜在的应用价值。碳纳米管机电制动器对比目前使用的压电制动器及电致伸缩制动器具有许多优点。碳纳米管机电制动器的工作电压只需几伏，而压电制动器和电致伸缩制动器的工作电压分别为100V和1000V以上。碳纳米管机电制动器的工作温度高达350℃，如果对碳纳米管的热稳定性进一步改进，工作温度可上升到1000℃。碳纳米管机电制动器的应变可达1%。如果碳纳米管机电制动器的碳纳米管电极的机械性能进一步改进，达到碳纳米管本身固有的机械性能，碳纳4米管机电制动器所产生的应变和应力将比现有制动器高出几个数量级。已观测到的碳纳米管机电制动器所产生的最大应力为26MPa，这是肌肉所能产生应力大小的100倍，并接近大约40MPa工业用铁电体的水平。3在场致发射方面的应用碳纳米管由于其独特的几何结构及其场发射特性而成为平面显示器的理想材料。物理特性是决定场发射性能的重要参数。几个重要的参数包括：开关电场Eto和门槛电场Eth。如果这两个值过大将会影响器件的寿命和性能。研究发现，定向排列开口的碳纳米管（Eto=0.6-1.0V/μm，Eth=2-2.7V/μm）小于其它材料的相似参数的值。另一个参数是表面功函数大小。碳纳米管的发射区主要集中在其尖端，因此局部功函数的大小极大地影响了它的发射特性。研究表明，金属性的碳纳米管表面功函数要比金属低0.2-0.4eV，而半导体性的碳纳米管表面功函数要比金属高0.6eV。因而可以选择金属性碳纳米管作为场发射器件的材料，可用于制作平面显示装置使之更薄，更省电，来取代笨重和低效的电视和计算机显示器。用碳纳米管制成的电子枪与传统的相比，不但具有在空气中稳定、易制作的特点，而且具有较低的工作电压和大的发射电流，适用于制造大的平面显示器。目前已制造出最大尺寸为101.6cm（40英寸）的样机。据近期报导，日本产业技术综合研究所已将这种发射极制成阵列，其起始发射电压仅为4V，这在手机移动通信终端显示领域展示了前景，被认为是人们期待已久的场致发射显示器在实用方向上迈出的一大步。碳纳米管荧光灯的结构类似场发射平板显示器，但结构相对简单，只需将碳纳米管涂敷在阴极极板的表面，阳极极板涂有萤光粉。当加上适当的电压，阴极发射电子轰击阳极而发光。高性能的样机已具备投入工业化生产的条件，使用寿命超过8000h，环境友好，可替代水银荧光灯，并可用于大型体育场的显示牌。如果将场发射平板显示器的阳极萤光屏用金属板取代，同时提高加速电压，阴极将发出X射线。利用这一功能可制造医用便携式X射线机。4在微电子方面的应用在单壁碳纳米管的六边形网络中引入一对五边形与七边形缺陷，可导致同一碳纳米管既具有金属的性质，又具有半导体的性质，这种管子实际上是一种分子二极管，电流可以沿着5管子由半导体向金属的方向流动，而反向则无电流。两根不同粗细的碳纳米管对接也可形成半导体异质结。如果在碳纳米管内邻近异质结的地方引入第三电极则能形成栅极控制的导电沟道。据此原理制成的碳纳米管晶体管可以在室温下操作，并且具有很高的开关速度，调节栅极电压，纳米管的电阻可以从半导体到绝缘体这样一个很宽的范围内变动。单个金属型碳纳米管分子可以组成在室温下工作的单电子晶体管。2001年美国国际商用机器公司(IBM)的研究人员成功制造出世界上第一个碳纳米管晶体管阵列，所使用的碳纳米管是由碳原子排列而成的微小圆柱体，比现在的硅晶体管要小500倍，而且无需对它们逐个进行处理。这种三电极的单分子晶体管的发现无疑是分子电子学的一个重大进步，可使集成电路的尺寸降低两个数量级以上。利用毛细管作用将液态金属填充到碳纳米管中可制成纳米金属导线，这种技术可使微电子器件升级进入纳米阶段。在超大规模集成电路中，由于器件尺寸的减小，导线之间的电磁干扰越来越严重。碳纳米管的电磁屏蔽特性可以有效地减少和防止导线之间的电磁干扰，提高器件的可靠性。同时，因为这种特性，碳纳米管可以用于电磁波吸收，也可以作为电磁屏蔽材料而广泛地应用于各种屏蔽产品上，如手机的电磁防护等。碳纳米管既可以用于单个器件和集成电路，又可以用于器件之间的连线。重要的是碳纳米管用于纳米电子学领域可以有效地克服当前微电子研究所遇到的困难，如电迁移和电磁干扰，因此，可望实现全碳纳米管的集成电路。5在二次电池和超级电容器方面的应用目前，锂离子电池正朝高能量密度方向发展，最终为电动汽车配套，并真正成为工业应用的非化石发电的绿色可持续能源。开发锂离子电池主要任务之一是寻找一种合适电极材料，使电池具有足够高的锂嵌入量和很好的锂脱嵌可逆性，以保证电池的高电压、大容量和长循环寿命的要求。碳纳米管的特殊结构使它可能成为一种优良的锂离子电池负极材料。大的层间距使锂离子更容易嵌入脱出，管状结构在反复充放电过程中不会崩塌。超级电容器是一种新型的电容器、既具有极大的比电容，又具有高的比功率，长的循环使用寿命。因此超级电容器在移动通讯、信息技术、电动汽车、航空航天和国防科技等方面将具有极其重要和广阔的应用前景。碳纳米管具有非常高的比表面积，根据直径和分散程度不同，碳纳米管的比表面积在6250-3000m2/g，加之优异的导电性能和良好的机械性能，碳纳米管是电化学领域所需的理想材料，是制造电化学双层电容器电极的理想材料。碳纳米管电容器电容量巨大，和普通介电电容器