碳納米管的性能

（一）電學(xué)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(yīng)顯著，碳納米管具有一些特殊的電學(xué)性質(zhì)。

碳納米管具有一維中空管狀結(jié)構(gòu)，管壁由單層或多層石墨烯片圍成，管徑為納米級，管長為微米級，長徑比巨大，其性質(zhì)會因石墨烯片的卷曲方式不同而發(fā)生變化，體現(xiàn)金屬性或半導(dǎo)體性質(zhì)。就導(dǎo)電性而言，碳納米管可以是金屬性的，也可以是半導(dǎo)體性的，甚至在同一根碳米管的不同部位，由于結(jié)構(gòu)不同，也會表現(xiàn)出不同的導(dǎo)電性，而且碳納米管的導(dǎo)電性與其直徑和手性有密切關(guān)系。

（二）力學(xué)性能

由于碳納米管中碳原子采取sp2雜化，相比sp3雜化，sp2雜化雜化中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(xué)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(guī)石墨纖維高一個數(shù)量級；它的彈性模量可達1TPa，與金剛石的彈性模量相當(dāng)，約為鋼的5倍。對于具有理想結(jié)構(gòu)的單層壁的碳納米管，其抗拉強度約800GPa。碳納米管的結(jié)構(gòu)雖然與高分子材料的結(jié)構(gòu)相似，但其結(jié)構(gòu)卻比高分子材料穩(wěn)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(fù)合材料, 可使復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的強度、彈性、抗疲勞性及各向同性，給復(fù)合材料的性能帶來極大的改善。

（三）導(dǎo)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(dǎo)材料。另外，碳納米管有著較高的熱導(dǎo)率，只要在復(fù)合材料中摻雜微量的碳納米管 ,該復(fù)合材料的熱導(dǎo)率將會可能得到很大的改善。

（四）吸附性能

碳納米管具有超大的比表面積，吸附性能強；同時具有良好的電磁波吸收等性能。

碳納米管的制備方法

（一）電弧放電法

電弧放電法是生產(chǎn)碳納米管的主要方法。電弧放電法的具體過程是：將石墨電極置于充滿氦氣或氬氣的反應(yīng)容器中，在兩極之間激發(fā)出電弧，此時溫度可以達到4000度左右。在這種條件下，石墨會蒸發(fā)，生成的產(chǎn)物有富勒烯（C60）、無定型碳和單壁或多壁的碳納米管。通過控制催化劑和容器中的氫氣含量，可以調(diào)節(jié)幾種產(chǎn)物的相對產(chǎn)量。

使用這一方法制備碳納米管技術(shù)上比較簡單，但是生成的碳納米管與C60等產(chǎn)物混雜在一起，很難得到純度較高的碳納米管，并且得到的往往都是多層碳納米管，而實際研究中人們往往需要的是單層的碳納米管。此外該方法反應(yīng)消耗能量太大。有些研究人員發(fā)現(xiàn)，如果采用熔融的氯化鋰作為陽極，可以有效地降低反應(yīng)中消耗的能量，產(chǎn)物純化也比較容易。

（二）化學(xué)氣相沉積法（催化熱解法）

化學(xué)氣相沉積法是將烴類或含碳氧化物引入到含有催化劑的高溫管式爐中經(jīng)過催化分解后形成碳納米管。

化學(xué)氣相沉積法在一定程度上克服了電弧放電法的缺陷。這種方法突出的優(yōu)點是殘余反應(yīng)物為氣體，可以離開反應(yīng)體系，得到純度比較高的碳納米管，同時溫度亦不需要很高，相對而言節(jié)省了能量。但是制得的碳納米管管徑不整齊，形狀不規(guī)則，并且在制備過程中必須要用到催化劑。

（三）激光蒸發(fā)法

激光蒸發(fā)法的具體過程是：在一長條石英管中間放置一根金屬催化劑/石墨混合的石墨靶，該管則置于一加熱爐內(nèi)。當(dāng)爐溫升至一定溫度時，將惰性氣體沖入管內(nèi)，并將一束激光聚焦于石墨靶上。在激光照射下生成氣態(tài)碳，這些氣態(tài)碳和催化劑粒子被氣流從高溫區(qū)帶向低溫區(qū)時，在催化劑的作用下生長成CNTs。

通過改變生長溫度﹑催化劑組分和其他條件,可改變平均直徑和直徑分布。在相同的生長條件下,每束碳納米管內(nèi)的直徑差異小于不同束之間的差異。相比于電弧放電法，該方法更有利于單壁碳納米管的生長，并且易于進行生長機理的分析。在該方法中，碳納米管的產(chǎn)率很大程度上取決于催化劑的種類。

（四）低溫固相熱解法

固相熱解法是通過制備中間體來生產(chǎn)碳納米管的。首先制備出亞穩(wěn)定狀態(tài)的納米級氮化碳硅(Si-C-N)陶瓷中間體.然后將此納米陶瓷中間體放在氮化硼紺鍋中、在石墨電阻爐中加熱分解．同時通入氮氣作為保護性氣體,大約加熱1h左右,納米中間體粉末開始熱解,碳原子向表面遷移。表層熱解產(chǎn)物中可獲得高比例的碳納米管和大量的高硅氮化硅粉末。

這種方法過程比較穩(wěn)定，不需要催化劑，并且是原位生長。低溫固態(tài)熱解法工藝的優(yōu)點在于有可能實現(xiàn)重復(fù)生產(chǎn)，從而有利于大規(guī)模生產(chǎn)。

（五）離子轟擊法

在真空爐中,通過離子或電子放電蒸發(fā)碳,在冷凝器上收集沉淀物，其中包含碳納米管和其他結(jié)構(gòu)的碳。此方法雖易于連續(xù)生產(chǎn)，但由于設(shè)備的原因限制了它的規(guī)模。

（六）聚合反應(yīng)合成法

在碳納米管制備方法中，聚合反應(yīng)合成法一般指利用模板復(fù)制擴增的方法。

碳納米管的一般制備過程與有機合成反映類似，其副反應(yīng)復(fù)雜多樣，很難保證同一爐碳納米管均為扶手椅式納米管或鋸齒形納米管。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在強酸、超聲波作用下，碳納米管可以先斷裂為幾段，再在一定納米尺度催化劑顆粒作用下增殖延伸，而延伸后所得的碳納米管與模板的卷曲方式相同。于是科學(xué)家設(shè)想，如果通過這種類似于DNA擴增的方式對碳納米管進行增殖，那么只需找到少量的扶手椅式納米管或鋸齒形納米管，便可在短時間內(nèi)復(fù)制、擴增出數(shù)量幾百萬倍于模板數(shù)量的、同類型的碳納米管。這可能會成為制備高純度碳納米管的新方式。

（七）水熱合成法

以鎳為催化劑，將水和聚乙烯混合，在700-800℃，60-100Mpa的條件下合成碳納米管。首先使聚乙烯在700-800℃，60-80Mpa的條件下完全熱解，然后將壓力提高到100Mpa，保持2-24小時，碳原子凝聚生成碳納米。