什么是碳纳米管(一文了解碳纳米管)
发布网友
发布时间：2024-08-19 05:15
共1个回答
热心网友
时间：2024-08-22 19:00
碳纳米管是一种由石墨碳原子结晶而成的无缝、中空的管状纳米碳材料，可以看作是由石墨烯层卷起来的直径只有几纳米的微型管体，管的一端或两端由富勒烯半球封帽而成。根据碳纳米管中碳原子层数不同，将碳纳米管分为单壁碳纳米管（SWCNT）和多壁碳纳米管（MWCNT）两种。单壁碳纳米管由单层石墨卷成，管径为1-6Na，具有很高的长径比，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，层间距均为0.34Na。
主要性能
1、优异的力学性能
由于碳纳米管的结构与高分子材料的结构相似，但碳纳米管的结构更稳定，且具有超高的长径比，所以，碳纳米管具有超高的抗拉强度、良好的柔韧性和弹性。碳纳米管的抗拉强度是钢的100倍，弹性模量是钢的5倍，而密度只有钢的1/6。碳纳米管在被压扁后撤去压力，可以象弹簧一样立即恢复原状。
2、良好的导电性能
由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能，且随着碳纳米管管径的减少表现出更好的导电性能，最高可以达到金属铜的电导率的一万倍。据称，当管径小于6Na时，碳纳米管可看成是一根量子导线；当管径小于0.7Na时，碳纳米管在低温条件下具有超导性能。
3、良好的传热性能
由于碳纳米管具有超高的长径比，沿其长度方向具有很高的热交换性能，而沿其径向方向热交换性能较低，所以，利用碳纳米管可以合成各向异性的热传导材料。此外，碳纳米管具有较高的热导率，只要在其它材料中掺入少量碳纳米管，就可以大大提高复合材料的热导率。
4、优异的光学性能
碳纳米管具有光学偏振性、光学各向异性、电致发光性及对红外辐射异常敏感等性能。
5、良好的电磁性能
碳纳米管的尖端具有纳米尺度的曲率,在相对较低的电压下就能够发射大量的电子,呈现出良好的场致发射特性。
6、其它性能
碳纳米管还具有熔点高（据称是已知材料中熔点最高的）、吸附能力强、催化催催化性能、宽带微波吸收能力强等性能。
主要应用
1、用于制备碳纳米合成材料，如高强度复合材料、导电塑料、电磁干扰屏蔽材料、隐形材料、暗室吸波材料等。
2、用于制作电化学器件，如用于制作扫描探针显微镜的探针、室温探测器、燃料电池、电极、生物传感器等。
3、用于制作场发射显示装置。
4、用于制碳纳米管场效应晶体管。
5、用于制作超级电容器，碳纳米管超级电容器是已知的最大容量的电容器。
6、用于制作信息写入与输出探头，实现超高密度存储。
7、用作催化剂或吸附剂。
8、用于制作超大规模散热器。
9、用于制作纳米同轴电缆、电子开关、高速光电传感器等等。
制备方法
1、电弧法
电弧法是制备碳纳米管最早的方法，也是制备单壁碳纳米管最主要的方法。其制备工艺为：在真空容器中充满惰性气何或氢气，用掺有催化剂的石墨作为电极，在电弧发电时，阳极蒸发的石墨在阴极石墨上沉积形成碳纳米管。电弧法的特点是简单快速，制备的碳纳米管直，结晶度高，但产量不高，且在高温时因掺入非晶碳杂质造成缺陷。
2、激光蒸发法
激光蒸发法制取的主要是单壁碳纳米。其制备工艺为：将混有金属催化剂的石墨靶置于封闭的长形石英管中，将石英管置于加热炉中，当炉温升至1473k时，向管内充入惰性气体，并用激光照射石墨靶，石墨靶变成气态碳和催化剂微粒，这些气态碳和催化剂微粒被气流从高温区带至低温区，在共同作用下生长成为单壁碳纳米管。由于该方法产量低、设备昂贵等原因，没有得到推广应用。
3、催化热解法
催化热解法又叫化学气相沉积法，包括基体法和浮游法。基体法的工艺为：将催化剂附着在石墨或陶瓷基体上，高温下通入的含碳气体分解并在催化剂颗粒上生长出碳纳米管。浮游法的工艺为：先将催化剂加热使之变成气态，然后随同烃类气体一起被引入反应室，分别在不同温区分解，分解的催化剂原子逐渐聚集成纳米颗粒，浮游在反应室空间里，烃类气体分解出来的碳原子逐渐在催化剂纳米颗粒表面析出并生成碳纳米管。这种方法反应温度较低且易于控制，产量高且产品纯度高，成本低，适用性强，目前被广泛应用。
发展前景
碳纳米管作为最具开发价值的纳米材料之一，自被发现以来强烈聚焦着各国专家的目光，经过二十多年的探索践，碳纳米管已经进入了批量生产和使用阶段。近两年，碳纳米管行业保持高速发展，据行业专业人士估计，2016年中国碳纳米管产量同比增长达到80%左右。在2017年，一大批企业都在布局或扩大碳纳米管产业。我们相信，随着人们对碳纳米管的不断探索，随着智能制造的高速发展，碳纳米管必将发挥更加重要的作用，并将继续保持高速发展。
