理論和實驗研究表明碳納米管具有極高的強度,理論計算值為鋼的100倍,但其密度僅為鋼的1/6。Treacy等人[1]在透射電子顯微鏡中測定熱致振動的振幅,結果表明,碳納米管具有異常高的揚氏模量,平均值為118Tpa。同時碳納米管還具有極高的韌性,十分柔軟,它被認為是未來的/超級纖維0。基于碳納米管的優良力學性能可以將其作為結構復合材料的增強劑。初步研究表明,環氧樹脂和碳納米管之間可以形成數百兆帕的界面強度。另外碳納米管還可以作功能增強劑添加到聚合物中,提高其導電性和散熱能力。因形狀規則,具有穩定的化學活性、高的機械強度及良好的導電性,碳納米管已經被用于制作掃描隧道顯微鏡(STM)的探針[2],這也是碳納米管最接近商業化的應用之一。 2.2 碳納米管的發射性能及應用 由于碳納米管具有納米尺度的尖端,有利于電子的發射,科學家們預言并證實了碳納米管具有極好的場致電子發射效應[3]。單壁碳納米管的直徑通常僅有1~2nm,長度可以達到幾十至上百微米,長徑比很大;而且其結構完整性好,導電性很好,化學性能穩定,具備了高性能場發射材料的基本
結構特
化工新型材料第35卷 征。但單壁碳納米管的制備比較困難,迄今為止還沒有單壁碳納米管陣列制備成功的報道。因此,目前在碳納米管場致發射性能研究領域中以多壁碳納米管的研究較為普遍和活躍。碳納米管優異的場致發射性能可以應用于很多領域,尤其是真空電子領域,如場致發射平板顯示器、冷發射陰極射線管等。此外,微波放大器、真空電源開關、場致發射電子槍也都是碳納米管展示優異的場發射性能的舞臺。 2.3 碳納米管的電磁性能及應用 碳納米管不同的直徑和螺旋度可以使其呈現金屬導電性 或半導體特性。Ebbesen等人[4]直接測量了多壁碳納米管的電導,證明了碳納米管金屬性和半導體性的存在。碳納米管具有獨特的導電性、很高的熱穩定性和本征遷移率,比表面積大,微孔集中在一定范圍內,滿足理想的超級電容器電極材料的要求[5] 。Niu等人[6] 將以催化裂解法制備的直徑集中于8nm的多壁碳納米管制成電極,以38%H2SO4作電解液,在1~100Hz范圍內的測定結果表明,其比電容高達102F/g。此外,碳納米管還可以用作鋰離子電池的材料。關于碳納米管的磁性[7]和磁化率也有部分報道,其磁化率比石墨、富勒烯、活性炭、碳黑等其它材料高。 2.4 碳納米管的吸附性能及應用 由于碳納米管具有較大的比表面積、特殊的管道結構以及多壁碳納米管之間的類石墨層隙,使其成為最有潛力的儲氫材料[8],在燃料電池方面有著重要的作用。研究表明即使是5%的儲氫量[9],也是極有希望的新型能源材料。Dillon[10]證明室溫1bar的壓力下,單壁碳納米管可以吸附氫氣的重量為5%~10%。另外碳納米管是一種超強的二口 惡烷吸附劑,比 活性碳高1034倍,可用來除去水中的二口 惡烷[11] 。碳納米管的管狀結構使其具有很強的毛細性能[12],利用該性能可以將金 屬或氧化物填充到開口的碳納米管模板中制成一維的納米材料,如納米金屬導線[13],這些低維的材料以及技術可能使微電子器件升級進入納米時代。 2.5 碳納米管的化學性能及應用 在催化研究方面,碳納米管已被用于分散和穩定納米級的金屬小顆粒。由碳納米管制得的催化劑可以改善多相催化的選擇性。Planeix[14]發現載有Ru粒子的碳納米管,在肉桂醛加氫合成肉桂醇的催化反應中,其選擇性高達92%,而同樣分散度的Ru/Al2O3和Ru/AC卻分別只有20%~30%和30%~40%。Louv[15]曾報道了直接用碳納米管做催化劑分解NO,在873K有100%的轉換率。此外,有人利用碳納米管的管狀腔進行管道有機合成,預言在有機合成、生物化學以及制藥化學領域有重要意義。
碳納米管作為一維納米材料,重量輕,六邊形結構連接完美,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應用前景也不斷地展現出來。
碳納米管,又名巴基管,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。碳納米管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0.34nm,直徑一般為2~20 nm。并且根據碳六邊形沿軸向的不同取向可以將其分成鋸齒形、扶手椅型和螺旋型三種。其中螺旋型的碳納米管具有手性,而鋸齒形和扶手椅型碳納米管沒有手性。
碳納米管是一種奇異分子,它是使用一種特殊的化學氣相方法,使碳原子形成長鏈來生長出的超細管子,細到5萬根并排起來才有一根頭發絲寬。這種又長又細的分子,人們給它取個計量單位“納米”(百萬分之一毫米)的名字,叫“納米管”。碳納米管有著不可思議的強度與韌性,重量卻極輕,導電性極強,兼有金屬和半導體的性能;把納米管組合起來,比同體積的鋼強度高100倍,重量卻只有1/6。