碳纳米管的性能特点及其应用

一、什么是碳纳米管？

碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构的一维量子材料。碳纳米管主要由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的同轴中空无缝管状结构，其管壁大都是由六边形碳原子网格组成。

二、碳纳米管有几类?

（一）管壁层数

根据管壁层数不同，可分为单层碳纳米管和多层碳纳米管。

单壁碳纳米管由一层石墨烯片组成，单壁管典型的直径和长度分别为0.75-3nm和1-50um。多壁碳纳米管含有多层石墨烯片，形状像个同轴电缆，其层数从2-50不等，层间距为0.34nm左右，与石墨层间距相当。多壁管的典型直径和长度分别为2-30nm和0.1-50um。

(二）碳六边形沿轴向的不同取向

根据碳纳米管中碳六边形沿轴向的不同取向可以将其分成锯齿型、扶手椅型和螺旋型3种。

由于映射过程出现夹角,碳纳米管中的网格会产生螺旋现象,而出现螺旋的碳纳米管具有手性。锯齿型和扶手椅型单壁碳纳米管其六边形网格和轴向的夹角分别为0°或者30°,不产生螺旋,所以没有手性,而在0°-30°之间其它角度的单壁碳纳米管,其网格有螺旋,根据手性可把它们分为左螺旋和右螺旋两种。

(三）导电性

根据导电性质可以将其分为金属型碳纳米管和半导体型碳纳米管。当n-m=3k(k为整数)时，碳纳米管为金属型；当n-m=3k±1，碳纳米管为半导体型。

（四）管壁缺陷

根据是否含有管壁缺陷可以分为完善碳纳米管和含缺陷碳纳米管。

（五）外形的均匀性和整体形态

根据外形的均匀性和整体形态可分为直管型、碳纳米管束、Y型、蛇型等。

三、碳纳米管有哪些性能？

（一）电学性能

碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域π键，由于共轭效应显著，碳纳米管具有一些特殊的电学性质。

碳纳米管具有一维中空管状结构，管壁由单层或多层石墨烯片围成，管径为纳米级，管长为微米级，长径比巨大，其性质会因石墨烯片的卷曲方式不同而发生变化，体现金属性或半导体性质。就导电性而言，碳纳米管可以是金属性的，也可以是半导体性的，甚至在同一根碳米管的不同部位，由于结构不同，也会表现出不同的导电性，而且碳纳米管的导电性与其直径和手性有密切关系。

（二）力学性能

由于碳纳米管中碳原子采取sp2杂化，相比sp3杂化，sp2杂化杂化中s轨道成分比较大，使碳纳米管具有高模量、高强度。

碳纳米管具有良好的力学性能，CNTs抗拉强度达到50-200GPa,是钢的100倍,密度却只有钢的1/6，至少比常规石墨纤维高一个数量级；它的弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。对于具有理想结构的单层壁的碳纳米管，其抗拉强度约800GPa。碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似，但其结构却比高分子材料稳定得多。碳纳米管是目前可制备出的具有Z高比强度的材料。若将以其他工程材料为基体与碳纳米管制成复合材料, 可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性，给复合材料的性能带来极大的改善。

（三）导热性能

碳纳米管具有良好的传热性能，CNTs具有非常大的长径比，因而其沿着长度方向的热交换性能很高，相对的其垂直方向的热交换性能较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合成高各向异性的热传导材料。另外，碳纳米管有着较高的热导率，只要在复合材料中掺杂微量的碳纳米管 ,该复合材料的热导率将会可能得到很大的改善。

（四）吸附性能

碳纳米管具有超大的比表面积，吸附性能强；同时具有良好的电磁波吸收等性能。

四、碳纳米管有哪些制备方法？

（一）电弧放电法

电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法。电弧放电法的具体过程是：将石墨电极置于充满氦气或氩气的反应容器中，在两极之间激发出电弧，此时温度可以达到4000度左右。在这种条件下，石墨会蒸发，生成的产物有富勒烯（C60）、无定型碳和单壁或多壁的碳纳米管。通过控制催化剂和容器中的氢气含量，可以调节几种产物的相对产量。

使用这一方法制备碳纳米管技术上比较简单，但是生成的碳纳米管与C60等产物混杂在一起，很难得到纯度较高的碳纳米管，并且得到的往往都是多层碳纳米管，而实际研究中人们往往需要的是单层的碳纳米管。此外该方法反应消耗能量太大。有些研究人员发现，如果采用熔融的氯化锂作为阳极，可以有效地降低反应中消耗的能量，产物纯化也比较容易。

（二）化学气相沉积法（催化热解法）

化学气相沉积法是将烃类或含碳氧化物引入到含有催化剂的高温管式炉中经过催化分解后形成碳纳米管。

化学气相沉积法在一定程度上克服了电弧放电法的缺陷。这种方法突出的优点是残余反应物为气体，可以离开反应体系，得到纯度比较高的碳纳米管，同时温度亦不需要很高，相对而言节省了能量。但是制得的碳纳米管管径不整齐，形状不规则，并且在制备过程中必须要用到催化剂。

（三）激光蒸发法

激光蒸发法的具体过程是：在一长条石英管中间放置一根金属催化剂/石墨混合的石墨靶，该管则置于一加热炉内。当炉温升至一定温度时，将惰性气体冲入管内，并将一束激光聚焦于石墨靶上。在激光照射下生成气态碳，这些气态碳和催化剂粒子被气流从高温区带向低温区时，在催化剂的作用下生长成CNTs。

通过改变生长温度﹑催化剂组分和其他条件,可改变平均直径和直径分布。在相同的生长条件下,每束碳纳米管内的直径差异小于不同束之间的差异。相比于电弧放电法，该方法更有利于单壁碳纳米管的生长，并且易于进行生长机理的分析。在该方法中，碳纳米管的产率很大程度上取决于催化剂的种类。

（四）低温固相热解法

固相热解法是通过制备中间体来生产碳纳米管的。首先制备出亚稳定状态的纳米级氮化碳硅(Si-C-N)陶瓷中间体.然后将此纳米陶瓷中间体放在氮化硼绀锅中、在石墨电阻炉中加热分解．同时通入氮气作为保护性气体,大约加热1h左右,纳米中间体粉末开始热解,碳原子向表面迁移。表层热解产物中可获得高比例的碳纳米管和大量的高硅氮化硅粉末。

这种方法过程比较稳定，不需要催化剂，并且是原位生长。低温固态热解法工艺的Z大优点在于有可能实现重复生产，从而有利于大规模生产。

（五）离子轰击法

在真空炉中,通过离子或电子放电蒸发碳,在冷凝器上收集沉淀物，其中包含碳纳米管和其他结构的碳。此方法虽易于连续生产，但由于设备的原因限制了它的规模。

（六）聚合反应合成法

在碳纳米管制备方法中，聚合反应合成法一般指利用模板复制扩增的方法。

碳纳米管的一般制备过程与有机合成反映类似，其副反应复杂多样，很难保证同一炉碳纳米管均为扶手椅式纳米管或锯齿形纳米管。科学家发现，在强酸、超声波作用下，碳纳米管可以先断裂为几段，再在一定纳米尺度催化剂颗粒作用下增殖延伸，而延伸后所得的碳纳米管与模板的卷曲方式相同。于是科学家设想，如果通过这种类似于DNA扩增的方式对碳纳米管进行增殖，那么只需找到少量的扶手椅式纳米管或锯齿形纳米管，便可在短时间内复制、扩增出数量几百万倍于模板数量的、同类型的碳纳米管。这可能会成为制备高纯度碳纳米管的新方式。

（七）水热合成法

以镍为催化剂，将水和聚乙烯混合，在700-800℃，60-100Mpa的条件下合成碳纳米管。首先使聚乙烯在700-800℃，60-80Mpa的条件下完全热解，然后将压力提高到100Mpa，保持2-24小时，碳原子凝聚生成碳纳米。

五、碳纳米管可以应用哪些领域？

（一）电子领域

用碳纳米管制成天线，就可以像接收无线电波的天线一样接受光波。在接收无线电波的天线中，天线的尺寸相当于入射无线电波波长或其波长的一部分。无线电波可激励电子成为电流。对无线电波的这种响应、放大和调制，是无线电广播和电视广播的基础，使之可传输声音和影像。这种纳米天线可成为高效太阳能转化器，从而可使太阳能转化成电能的效率大大提高。

应用于纳米电子器件。由于碳纳米管壁能被某些化学反应所“溶解”，因此它们可以作为易于处理的模具。只要用金属灌满碳纳米管，然后把碳层腐蚀掉，即可得到纳米尺度的导线。碳纳米管不仅可用于制造纳米导线的模具，而且还能够用来制造导线本身。利用碳纳米管的电子特性，可用来制作晶体管开头电路或微型传感器元件。它还可以做为锂离子电池的正极和负极，使电池寿命增长，充放电性能好。此外碳纳米管被认为是制造新一代平面显示屏极有希望的材料。

（二）复合材料领域

纳米管的强度比钢高100倍，但重量只有钢的六分之一。它们非常微小，5万个并排起来才有人的一根头发那么宽，可以作为高强度碳纤维材料。

另外，碳纳米管可应用于催化纤维和膜工业。科学家将硫酸工业和石油化工中应用的重要的催化剂氧化钒灌注进或涂覆在碳纳米管上，氧化钒有时可以到达纳米管管壁的石墨层的间隙中。碳纳米管“列阵”制成的取向膜，可被用作场发射器件，也可被制成滤膜，由于膜也为纳米级，可对某些分子和病毒进行过滤，从而使超滤膜进入一个崭新的天地。

碳纳米管由于尺寸小，比表面积大，表面的键态和颗粒内部不同，表面原子配位不全等导致表面的活性位蛋增加，是理想的催化剂载体材料。碳纳米管作为催化剂载体材料的研究主要集中在活性组分负载于碳纳米管的方法、碳纳米管的电学性能对催化的影响、碳纳米管独特的管腔结构对催化的影响、碳纳米管的储氢性能对催化的影响等方面。

（三）新能源领域

Z有代表性的是储氢材料和超级纳米碳纤素电池。

储氢材料是清华大学碳纳米材料研究小组发现一种经处理后表现出显著储氢性能的碳纳米管，它有望成为新的清洁能源-氢能电池的制造材料。该项技术可以应用在燃料电池的制造中，起到持续稳定的氢源的作用。

超级纳米碳纤素电池是Z新工艺研制的新材料、新技术的Z新绿色能源，重量轻，只有铅酸电池的1/10重量，体积只有一般电池的1/16，能量可大的惊人。它广泛应用于电动车、潜艇、电力机车等需储能大、重量轻的电动力机械上。

（四）医疗及生物工程领域

有科学家研制成的一种所谓“智能”生物纳米管，将来能在人体内运送药物。科学家认为，将来在生物“容器”内部可以放入药物，并可以在任何所需地点释放药物。研究人员已经进行了一系列实验，证明新方法可靠有效。

造影剂是介入放射学中常用的药物之一，通常被注入人体组织或器官后用于增强放射成像，由于多为非生物的化学制品，对人体有一定伤害。运用碳纳米管技术的造影剂将不再对人体产生伤害，造影成像也更为清晰。

（五）环境保护领域

利用纳米级集尘灰微粒的特性，发展新的保湿材料，大幅提升土壤之保水能力，提高绿化成功率与速度。希望借着此一新技术的开发与应用，可以有效解决沙漠化地带土壤风化和水份流失，造成土壤逐步荒漠化之危机。