由管狀的同軸納米管組成的碳分子即碳納米管。
基本介紹
- 中文名：炭納米管
- 起源：1991年日本NEC公司實驗室
- 組成：由管狀的同軸納米管組成
- 用途：作為分子導線納米半導體材料
- 分類：單壁碳納米管、多壁碳納米管
- 特點：熔點高，硬度大，傳熱性好
基本介紹,分類,製備方法,性能,套用前景,
基本介紹
炭納米管1991年日本NEC公司實驗室的專家飯島（Iijima）發現了由管狀的同軸納米管組成的碳分子即碳納米管。碳納米管具有典型的層狀中空結構特徵,構成碳納米管的層片之間存在一定的夾角碳納米管的管身是準圓管結構，並且大多數由五邊形截面所組成。管身由六邊形碳環微結構單元組成, 端帽部分由含五邊形的碳環組成的多邊形結構，或者稱為多邊錐形多壁結構。是一種具有特殊結構（徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級、管子兩端基本上都封口）的一維量子材料。它主要由呈六邊形排列的碳原子構成數層到數十層的同軸圓管。層與層之間保持固定的距離，約為0.34nm，直徑一般為2～2Onm。由於其獨特的結構，碳納米管的研究具有重大的理論意義和潛在的套用價值，如：其獨特的結構是理想的一維模型材料;巨大的長徑比使其有望用作堅韌的碳纖維，其強度為鋼的100倍，重量則只有鋼的1/6；同時它還有望用作為分子導線，納米半導體材料，催化劑載體，分子吸收劑和近場發射材料等。
分類
不同結構的炭納米管
炭納米管
炭納米管碳納米管按照石墨烯片的層數分類可分為：單壁碳納米管（Single-walled nanotubes, SWNTs）和多壁碳納米管（Multi-walled nanotubes, MWNTs），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陷，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成，其直徑大小的分布範圍小，缺陷少，具有更高的均勻一致性。
製備方法
單壁炭納米管的製備
炭納米管
炭納米管目前常用的碳納米管制備方法主要有：電弧放電法、雷射燒蝕法、化學氣相沉積法（碳氫氣體熱解法），固相熱解法、輝光放電法和氣體燃燒法等以及聚合反應合成法。另外還有離子或雷射濺射法。此方法雖易於連續生產，但由於設備的原因限制了它的規模。
性能
炭納米管的結構示意圖
炭納米管
炭納米管碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結構連線完美，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套用前景也不斷地展現出來。
力學性能
由於碳納米管中碳原子採取SP2雜化，相比SP3雜化，SP2雜化中S軌道成分比較大，使碳納米管具有高模量、高強度。
碳納米管具有良好的力學性能，CNTs抗拉強度達到50～200GPa,是鋼的100倍,密度卻只有鋼的1/6，至少比常規石墨纖維高一個數量級；它的彈性模量可達1TPa，與金剛石的彈性模量相當，約為鋼的5倍。對於具有理想結構的單層壁的碳納米管，其抗拉強度約800GPa。碳納米管的結構雖然與高分子材料的結構相似，但其結構卻比高分子材料穩定得多。碳納米管是目前可製備出的具有最高比強度的材料。若將以其他工程材料為基體與碳納米管制成複合材料, 可使複合材料表現出良好的強度、彈性、抗疲勞性及各向同性，給複合材料的性能帶來極大的改善。
碳納米管的硬度與金剛石相當，卻擁有良好的柔韌性，可以拉伸。目前在工業上常用的增強型纖維中，決定強度的一個關鍵因素是長徑比，即長度和直徑之比。目前材料工程師希望得到的長徑比至少是20:1，而碳納米管的長徑比一般在1000:1以上，是理想的高強度纖維材料。2000年10月，美國賓州州立大學的研究人員稱，碳納米管的強度比同體積鋼的強度高100倍，重量卻只有後者的1/6到1/7。碳納米管因而被稱“超級纖維”。
莫斯科大學的研究人員曾將碳納米管置於1011 Pa的水壓下(相當於水下18000米深的壓強)，由於巨大的壓力，碳納米管被壓扁。撤去壓力後，碳納米管像彈簧一樣立即恢復了形狀，表現出良好的韌性。這啟示人們可以利用碳納米管制造輕薄的彈簧，用在汽車、火車上作為減震裝置，能夠大大減輕重量。
此外，碳納米管的熔點是目前已知材料中最高的。
導電性能
碳納米管上碳原子的P電子形成大範圍的離域π鍵，由於共軛效應顯著，碳納米管具有一些特殊的電學性質。
碳納米管具有良好的導電性能，由於碳納米管的結構與石墨的片層結構相同，所以具有很好的電學性能。理論預測其導電性能取決於其管徑和管壁的螺旋角。當CNTs的管徑大於6nm時，導電性能下降；當管徑小於6nm時，CNTs可以被看成具有良好導電性能的一維量子導線。有報導說Huang通過計算認為直徑為0.7nm的碳納米管具有超導性，儘管其超導轉變溫度只有1.5×10-4K，但是預示著碳納米管在超導領域的套用前景。
常用矢量Ch表示碳納米管上原子排列的方向，其中Ch=na1+ma2，記為(n,m)。a1和a2分別表示兩個基矢。(n,m)與碳納米管的導電性能密切相關。對於一個給定(n,m)的納米管，如果有2n+m=3q（q為整數），則這個方向上表現出金屬性，是良好的導體，否則表現為半導體。對於n=m的方向，碳納米管表現出良好的導電性，電導率通常可達銅的1萬倍。
傳熱性能
碳納米管具有良好的傳熱性能，CNTs具有非常大的長徑比，因而其沿著長度方向的熱交換性能很高，相對的其垂直方向的熱交換性能較低，通過合適的取向，碳納米管可以合成高各向異性的熱傳導材料。另外，碳納米管有著較高的熱導率，只要在複合材料中摻雜微量的碳納米管 ,該複合材料的熱導率將會可能得到很大的改善。
碳納米管還具有光學和儲氫等其他良好的性能,正是這些優良的性質使得碳納米管被認為是理想的聚合物複合材料的增強材料。
力學性能
由於碳納米管中碳原子採取SP2雜化，相比SP3雜化，SP2雜化中S軌道成分比較大，使碳納米管具有高模量、高強度。
碳納米管具有良好的力學性能，CNTs抗拉強度達到50～200GPa,是鋼的100倍,密度卻只有鋼的1/6，至少比常規石墨纖維高一個數量級；它的彈性模量可達1TPa，與金剛石的彈性模量相當，約為鋼的5倍。對於具有理想結構的單層壁的碳納米管，其抗拉強度約800GPa。碳納米管的結構雖然與高分子材料的結構相似，但其結構卻比高分子材料穩定得多。碳納米管是目前可製備出的具有最高比強度的材料。若將以其他工程材料為基體與碳納米管制成複合材料, 可使複合材料表現出良好的強度、彈性、抗疲勞性及各向同性，給複合材料的性能帶來極大的改善。
碳納米管的硬度與金剛石相當，卻擁有良好的柔韌性，可以拉伸。目前在工業上常用的增強型纖維中，決定強度的一個關鍵因素是長徑比，即長度和直徑之比。目前材料工程師希望得到的長徑比至少是20:1，而碳納米管的長徑比一般在1000:1以上，是理想的高強度纖維材料。2000年10月，美國賓州州立大學的研究人員稱，碳納米管的強度比同體積鋼的強度高100倍，重量卻只有後者的1/6到1/7。碳納米管因而被稱“超級纖維”。
莫斯科大學的研究人員曾將碳納米管置於1011 Pa的水壓下(相當於水下18000米深的壓強)，由於巨大的壓力，碳納米管被壓扁。撤去壓力後，碳納米管像彈簧一樣立即恢復了形狀，表現出良好的韌性。這啟示人們可以利用碳納米管制造輕薄的彈簧，用在汽車、火車上作為減震裝置，能夠大大減輕重量。
此外，碳納米管的熔點是目前已知材料中最高的。
導電性能
碳納米管上碳原子的P電子形成大範圍的離域π鍵，由於共軛效應顯著，碳納米管具有一些特殊的電學性質。
碳納米管具有良好的導電性能，由於碳納米管的結構與石墨的片層結構相同，所以具有很好的電學性能。理論預測其導電性能取決於其管徑和管壁的螺旋角。當CNTs的管徑大於6nm時，導電性能下降；當管徑小於6nm時，CNTs可以被看成具有良好導電性能的一維量子導線。有報導說Huang通過計算認為直徑為0.7nm的碳納米管具有超導性，儘管其超導轉變溫度只有1.5×10-4K，但是預示著碳納米管在超導領域的套用前景。
常用矢量Ch表示碳納米管上原子排列的方向，其中Ch=na1+ma2，記為(n,m)。a1和a2分別表示兩個基矢。(n,m)與碳納米管的導電性能密切相關。對於一個給定(n,m)的納米管，如果有2n+m=3q（q為整數），則這個方向上表現出金屬性，是良好的導體，否則表現為半導體。對於n=m的方向，碳納米管表現出良好的導電性，電導率通常可達銅的1萬倍。
傳熱性能
碳納米管具有良好的傳熱性能，CNTs具有非常大的長徑比，因而其沿著長度方向的熱交換性能很高，相對的其垂直方向的熱交換性能較低，通過合適的取向，碳納米管可以合成高各向異性的熱傳導材料。另外，碳納米管有著較高的熱導率，只要在複合材料中摻雜微量的碳納米管 ,該複合材料的熱導率將會可能得到很大的改善。
碳納米管還具有光學和儲氫等其他良好的性能,正是這些優良的性質使得碳納米管被認為是理想的聚合物複合材料的增強材料。
套用前景
炭納米管可實現存儲器微型化
炭納米管
炭納米管氫氣被很多人視為未來的清潔能源。但是氫氣本身密度低，壓縮成液體儲存又十分不方便。碳納米管自身重量輕，具有中空的結構，可以作為儲存氫氣的優良容器，儲存的氫氣密度甚至比液態或固態氫氣的密度還高。適當加熱，氫氣就可以慢慢釋放出來。研究人員正在試圖用碳納米管制作輕便的可攜帶式的儲氫容器。
在碳納米管的內部可以填充金屬、氧化物等物質，這樣碳納米管可以作為模具，首先用金屬等物質灌滿碳納米管，再把碳層腐蝕掉，就可以製備出最細的納米尺度的導線，或者全新的一維材料，在未來的分子電子學器件或納米電子學器件中得到套用。有些碳納米管本身還可以作為納米尺度的導線。這樣利用碳納米管或者相關技術製備的微型導線可以置於矽晶片上，用來生產更加複雜的電路。
利用碳納米管的性質可以製作出很多性能優異的複合材料。例如用碳納米管材料增強的塑膠力學性能優良、導電性好、耐腐蝕、禁止無線電波。使用水泥做基體的碳納米管複合材料耐衝擊性好、防靜電、耐磨損、穩定性高，不易對環境造成影響。碳納米管增強陶瓷複合材料強度高，抗衝擊性能好。碳納米管上由於存在五元環的缺陷，增強了反應活性，在高溫和其他物質存在的條件下，碳納米管容易在端面處打開，形成一個管子，極易被金屬浸潤、和金屬形成金屬基複合材料。這樣的材料強度高、模量高、耐高溫、熱膨脹係數小、抵抗熱變性能強。
碳納米管還給物理學家提供了研究毛細現象機理最細的毛細管，給化學家提供了進行納米化學反應最細的試管。碳納米管上極小的微粒可以引起碳納米管在電流中的擺動頻率發生變化，利用這一點，1999年，巴西和美國科學家發明了精度在10-17kg精度的“納米秤”，能夠稱量單個病毒的質量。隨後德國科學家研製出能稱量單個原子的“納米秤”。
在碳納米管的內部可以填充金屬、氧化物等物質，這樣碳納米管可以作為模具，首先用金屬等物質灌滿碳納米管，再把碳層腐蝕掉，就可以製備出最細的納米尺度的導線，或者全新的一維材料，在未來的分子電子學器件或納米電子學器件中得到套用。有些碳納米管本身還可以作為納米尺度的導線。這樣利用碳納米管或者相關技術製備的微型導線可以置於矽晶片上，用來生產更加複雜的電路。
利用碳納米管的性質可以製作出很多性能優異的複合材料。例如用碳納米管材料增強的塑膠力學性能優良、導電性好、耐腐蝕、禁止無線電波。使用水泥做基體的碳納米管複合材料耐衝擊性好、防靜電、耐磨損、穩定性高，不易對環境造成影響。碳納米管增強陶瓷複合材料強度高，抗衝擊性能好。碳納米管上由於存在五元環的缺陷，增強了反應活性，在高溫和其他物質存在的條件下，碳納米管容易在端面處打開，形成一個管子，極易被金屬浸潤、和金屬形成金屬基複合材料。這樣的材料強度高、模量高、耐高溫、熱膨脹係數小、抵抗熱變性能強。
碳納米管還給物理學家提供了研究毛細現象機理最細的毛細管，給化學家提供了進行納米化學反應最細的試管。碳納米管上極小的微粒可以引起碳納米管在電流中的擺動頻率發生變化，利用這一點，1999年，巴西和美國科學家發明了精度在10-17kg精度的“納米秤”，能夠稱量單個病毒的質量。隨後德國科學家研製出能稱量單個原子的“納米秤”。
