论文部分内容阅读
摘 要：碳纳米管作为一种新型半导体材料在制作纳米级电子元器件中有着广泛的应用。根据结构的不同，碳纳米管有金属型和半导体型两种，人们以半导体型碳纳米管制备了碳纳米管场效应晶体管，取得了良好的效果。碳纳米管导热性是铜的5倍；它的拉伸强度达到50～200GPa，是钢的100倍，密度却只有钢的1/6；其导电性根据结构的不同而异，可以是导体、绝缘体、半导体，甚至可以仅次于超导体。
关键词：碳纳米；性能及其应用范围
一、碳纳米管材料的性能
1.1力学性能
碳纳米管由C-C共价键结合而成，同时又具有管径小、长径比大的特点，使碳纳米管具有优良的电学和力学性能，其杨氏模量和剪切模量与金刚石相当，理论强度是钢的100倍，并且具有很高的韧性，而密度仅为钢的1/7。据报道[3]，在纳米碳管的拉伸过程中，当应力超过弹性变形以后，纳米碳管会通过较为特殊的塑性变形来改变形状以消除外来应力，即通过纳米碳管管壁的相邻两个六边形网格向成对的五边形和七边形转变（如图）。纳米碳管不仅具有很高的强度，而且具有良好的塑性。在透射电子显微镜观察中，还可以发现具有很大弯曲程度的纳米碳管，尽管在其截面上发生了极大的扭曲变形但仍然未发生断裂，主要原因就是纳米碳管通过其管壁外侧的拉伸和内侧的压缩塌陷甚至折叠来消除外来应力。碳纳米管通过这种网格的結构变化来释放应力，不仅可以发生弹性变形而且可以发生一定的塑性变形，同时保持相当的强度而不断裂。这种特性使之特别适宜作为复合材料，特别是聚合物基复合材料的增强相。。碳纳米管可以使镁基复合材料的微观组织晶粒得到细化，还可使力学性能也有所提高。但当碳纳米管的加入量大于1%时，复合材料的抗拉强度随碳纳米管加入的增多而降低，有人认为这是由于过多的碳纳米管发生偏聚导致的。
1.2电学性能
碳纳米管根据螺旋型构造和直径的不同，可以分为金属型和半导体型。据报道，随机取向的宏观试样电导率近似103s/m，球状的非定向电导率大约50s/m。碳纳米管由C一C链结构组成，与高分子链结构相近，因此将碳纳米管与高分子材料进行复合，可能产生有机结合、并充分发挥各自的优点的性能优异的纳米复合材料。
二、碳纳米管材料的应用范围
2.1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。
2.2碳纳米管复合材料
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。
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。
2.3儲氢材料
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。
2.4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。
2.5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
2.6信息存储
由于碳纳米管作为信息写入及读出探，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1 012bits/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。
2.7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。
2.8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、展望未来
碳纳米管能显著地提高复合材料的物理性能、力学性能，显示出巨大的应用前景。但碳纳米管在复合材料中的应用首先要解决的是其分散问题，其次是选择适当的合成方法制备碳纳米管复合材料，第三是碳纳米管作为增强相与基体的结合强度问题。随着碳纳米管分散技术的高和新的合成方法的出现以及对碳纳米管涂层界面结构及与基体结合机理的进一步认识，碳纳米管复合材料必将在光、电、金属与非金属材料的表面工程等诸多领域中得到更加广泛的应用。
作者简介
朱晓刚（1984-），本科，助教，研究方向：机电一体化工程。
（作者单位：江西工程学院）
关键词：碳纳米；性能及其应用范围
一、碳纳米管材料的性能
1.1力学性能
碳纳米管由C-C共价键结合而成，同时又具有管径小、长径比大的特点，使碳纳米管具有优良的电学和力学性能，其杨氏模量和剪切模量与金刚石相当，理论强度是钢的100倍，并且具有很高的韧性，而密度仅为钢的1/7。据报道[3]，在纳米碳管的拉伸过程中，当应力超过弹性变形以后，纳米碳管会通过较为特殊的塑性变形来改变形状以消除外来应力，即通过纳米碳管管壁的相邻两个六边形网格向成对的五边形和七边形转变（如图）。纳米碳管不仅具有很高的强度，而且具有良好的塑性。在透射电子显微镜观察中，还可以发现具有很大弯曲程度的纳米碳管，尽管在其截面上发生了极大的扭曲变形但仍然未发生断裂，主要原因就是纳米碳管通过其管壁外侧的拉伸和内侧的压缩塌陷甚至折叠来消除外来应力。碳纳米管通过这种网格的結构变化来释放应力，不仅可以发生弹性变形而且可以发生一定的塑性变形，同时保持相当的强度而不断裂。这种特性使之特别适宜作为复合材料，特别是聚合物基复合材料的增强相。。碳纳米管可以使镁基复合材料的微观组织晶粒得到细化，还可使力学性能也有所提高。但当碳纳米管的加入量大于1%时，复合材料的抗拉强度随碳纳米管加入的增多而降低，有人认为这是由于过多的碳纳米管发生偏聚导致的。
1.2电学性能
碳纳米管根据螺旋型构造和直径的不同，可以分为金属型和半导体型。据报道，随机取向的宏观试样电导率近似103s/m，球状的非定向电导率大约50s/m。碳纳米管由C一C链结构组成，与高分子链结构相近，因此将碳纳米管与高分子材料进行复合，可能产生有机结合、并充分发挥各自的优点的性能优异的纳米复合材料。
二、碳纳米管材料的应用范围
2.1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。
2.2碳纳米管复合材料
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。
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。
2.3儲氢材料
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。
2.4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。
2.5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
2.6信息存储
由于碳纳米管作为信息写入及读出探，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1 012bits/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。
2.7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。
2.8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、展望未来
碳纳米管能显著地提高复合材料的物理性能、力学性能，显示出巨大的应用前景。但碳纳米管在复合材料中的应用首先要解决的是其分散问题，其次是选择适当的合成方法制备碳纳米管复合材料，第三是碳纳米管作为增强相与基体的结合强度问题。随着碳纳米管分散技术的高和新的合成方法的出现以及对碳纳米管涂层界面结构及与基体结合机理的进一步认识，碳纳米管复合材料必将在光、电、金属与非金属材料的表面工程等诸多领域中得到更加广泛的应用。
作者简介
朱晓刚（1984-），本科，助教，研究方向：机电一体化工程。
（作者单位：江西工程学院）