由于碳納米管中碳原子采取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。對于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。碳納米管是目前可制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復合材料, 可使復合材料表現出良好的強度、彈性、抗疲勞性及各向同性,給復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,重量卻只有后者的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于1011 MPa的水壓下(相當于水下10000米深的壓強),由于巨大的壓力,碳納米管被壓扁。撤去壓力后,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電子形成大范圍的離域π鍵,由于共軛效應顯著,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,由于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于其管徑和管壁的螺旋角。當CNTs的管徑大于6nm時,導電性能下降;當管徑小于6nm時,CNTs可以被看成具有良好導電性能的一維量子導線。有報道說Huang通過計算認為直徑為0.7nm的碳納米管具有超導性,盡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應用前景。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。對于一個給定(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。對于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。
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