多壁碳納米管

【概述】
碳納米管（multi-walled carbon nano-tubes）是由一層碳原子組成的石墨片層以一定的角度卷成無縫、中空的管體。碳納米管是繼 C60之后發(fā)現(xiàn)的碳的又一同素異形體，其徑向尺寸較小，管的外徑一般在幾納米到幾十納米，管的內(nèi)徑更小，有的只有 1nm 左右；而其長度一般在微米級，長度和直徑比非常大，可達 103～106。因此，碳納米管被認(rèn)為是一種典型的一維納米材料。碳納米管自從被人類發(fā)現(xiàn)以來，就一直被譽為未來的材料，是近年來國際科學(xué)的前沿領(lǐng)域之一。碳納米管具有十分獨特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理化學(xué)性能，在納米電子器件、復(fù)合材料、傳感器等諸多領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。目前，工業(yè)化的碳納米管以CVD方法生長為主，由于其生長溫度低，石墨化程度低，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)缺陷多，嚴(yán)重制約了它們優(yōu)異性能的發(fā)揮。其他的碳管合成方法或生產(chǎn)成本高，或比較耗時，且產(chǎn)量較低，不能夠滿足實際應(yīng)用。因此，探索高質(zhì)量、低缺陷的碳納米管的低成本、批量化制備具有非常重要的現(xiàn)實意義[1]。


圖1 多壁碳納米管模擬圖

【性質(zhì)】
碳納米管的獨特結(jié)構(gòu)決定了它具有許多特殊的物理和化學(xué)性質(zhì)。組成碳納米管的 C=C 共價鍵是自然界最穩(wěn)定的化學(xué)鍵，所以使得碳納米管具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能。理論計算表明，碳納米管具有極高的強度和極大的韌性。其理論值估計楊氏模量可達 5TPa，強度約為鋼的 100 倍，而重量密度卻只有鋼的 1/6。Treacy 等首次利用了 TEM 測量了溫度從室溫到 800 度變化范圍內(nèi)多壁碳納米管的均方振幅，從而推導(dǎo)出多壁碳納米管的平均楊氏模量約為 1.8Tpa。而 Salvetat 等測量了小直徑的單壁碳納米管的楊氏模量，并導(dǎo)出其剪切模量為 1Tpa。Wong 等用原子力顯微鏡測量多壁碳納米管的彎曲強度平均值為 14.2±10.8GPa，而碳纖維的彎曲強度卻僅有 1GPa。碳納米管無論是強度還是韌性，都遠遠優(yōu)于任何纖維，被認(rèn)為是未來的“超級纖維”[2]。


圖2 單壁（左）/多壁（右）碳納米管

【應(yīng)用】
人們預(yù)言碳納米管可能成為一種新型的高強度碳纖維材料，既具有碳素材料的固有本性，又具有金屬材料的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性，陶瓷材料的耐熱和耐腐蝕性，紡織纖維的可編織性，以及高分子材料的輕質(zhì)、易加工性。將碳納米管作為復(fù)合材料增強體，預(yù)計可表現(xiàn)出良好的強度、彈性、抗疲勞性及各向同性，可以預(yù)期碳納米管增強復(fù)合材料可能帶來復(fù)合材料性能的一次飛躍。用納米管制作復(fù)合材料的研究首先是在金屬基上進行的，如：Fe/碳納米管、Al/碳納米管、Ni/碳納米管、Cu/碳納米管等。近年來，碳納米管復(fù)合材料的研究重心已轉(zhuǎn)到高分子/碳納米管復(fù)合材料方面，如在輕質(zhì)高強度的材料中，使用碳纖維作為增強材料，碳納米管的機械性能及其小的直徑和大的長徑比將會帶來更好的增強效果[3]。

【參考文獻】
[1] 鞠莉,朱麗瑾,楊軍. 多壁碳納米管致癌性的研究進展[J]. 癌變.畸變.突變, 2014, 卷缺失(3): 239-241.
[2]多壁碳納米管.中國知網(wǎng).[引用日期2017.07.20]
[3]多壁碳納米管.百鏈數(shù)據(jù)庫詞條.[引用日期2017.07.20].