碳納米管，又名巴基管，于1991年由日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，是一種徑向尺寸為納米量級(jí)，軸向尺寸為微米量級(jí)，管子兩端基本上都封口的一維量子材料。與其他納米材料相比，具有更為獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和奇異的性能，被稱為“納米材料之王”。
碳納米管是除石墨、金剛石、無(wú)定形碳和富勒烯之外元素碳的又一變體。在此，碳原子呈六角形排列。該結(jié)構(gòu)相當(dāng)于卷起的單原子或多原子石墨層，以至于形成具有通常幾納米的直徑和最多幾毫米長(zhǎng)度的空心圓柱體。原則上區(qū)分為多壁碳納米管和單壁碳納米管，在文獻(xiàn)中通常也縮寫(xiě)成MWNTs和SWNTs(源自英語(yǔ)：multiwallednanotubes和singlewallednanotubes)。由于范德華力，碳納米管顯示出強(qiáng)烈的聚集成束的傾向，所以在擠出過(guò)程中必需通過(guò)高剪切力來(lái)解開(kāi)/分散，而不會(huì)使其嚴(yán)重縮短。
碳納米管具有獨(dú)特的的物理化學(xué)性能，使它有如下的作用：
1.導(dǎo)電
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(jí)，管長(zhǎng)為微米級(jí)，長(zhǎng)徑比巨大，其性質(zhì)會(huì)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(huì)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，碳納米管被認(rèn)為是--維量7-導(dǎo)體，有研究表明碳納米管的電流運(yùn)載能力是銅導(dǎo)線的一千倍。
2.超強(qiáng)抗拉
碳納米管具有優(yōu)越的機(jī)械性能：抗拉強(qiáng)度50-200GPa，相當(dāng)于鋼的100倍，但比重只有鋼的1/6，因而被稱“超級(jí)纖維”;硬度與鉆石相當(dāng)，但柔韌性更強(qiáng)，可拉伸，其最大拉伸率高于任何金屬;它還有很好的柔性、回彈性和抗畸變的能力。被人們認(rèn)為是有最大強(qiáng)度重量比的纖維和強(qiáng)化相的終極形式
3.導(dǎo)熱
碳納米管具有良好的導(dǎo)熱性，軸向熱導(dǎo)率為2000-3000W/mK，約為銅的10倍，鉆石的3倍。
4.吸附
碳納米管具有超大的比表面積，吸附性能強(qiáng); 同時(shí)具有良好的電磁波吸收等性能。
利用上述性質(zhì)，碳納米管可廣泛用于用于鋰電池用導(dǎo)電漿料、太陽(yáng)能電池涂層、高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料、導(dǎo)電涂料、催化劑載體、場(chǎng)發(fā)射材料、電磁屏蔽材料等領(lǐng)域。諾貝爾獎(jiǎng)得主R.E.Smalley稱：“納米碳管將是價(jià)格便宜，環(huán)境友好并為人類(lèi)創(chuàng)造奇跡的新材料?！?。碳納米管主要有如下的應(yīng)用領(lǐng)域：
一、電子領(lǐng)域應(yīng)用
用碳納米管制成天線，就可以像接收無(wú)線電波的天線一樣接受光波。在接收無(wú)線電波的天線中，天線的尺寸相當(dāng)于入射無(wú)線電波波長(zhǎng)或其波長(zhǎng)的一部分。無(wú)線電波可激勵(lì)電子成為電流。對(duì)無(wú)線電波的這種響應(yīng)、放大和調(diào)制，是無(wú)線電廣播和電視廣播的基礎(chǔ)，使之可傳輸聲音和影像。對(duì)接收可見(jiàn)光納米天線的實(shí)際應(yīng)用，專家認(rèn)為，納米天線可制成光電視，即將電視信號(hào)加到在光纖上傳送的激光束，而在終端，由一系列納米管(每個(gè)功能類(lèi)似于高速二極管)將信號(hào)解調(diào)，而大大提高電視信號(hào)的效率和圖像的品質(zhì)。這種納米天線可成為高效太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化器。即入射光被轉(zhuǎn)化成電荷存儲(chǔ)在電容器中，從而可使太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成電能的效率大大提高。
應(yīng)用于納米電子器件。由于碳納米管壁能被某些化學(xué)反應(yīng)所“溶解”，因此它們可以作為易于處理的模具。只要用金屬灌滿碳納米管，然后把碳層腐蝕掉，即可得到納米尺度的導(dǎo)線。碳納米管不僅可用于制造納米導(dǎo)線的模具，而且還能夠用來(lái)制造導(dǎo)線本身。利用碳納米管的電子特性，可用來(lái)制作晶體管開(kāi)頭電路或微型傳感器元件。它還可以做為鋰離子電池的正極和負(fù)極，使電池壽命增長(zhǎng)，充放電性能好。此外碳納米管被認(rèn)為是制造新一代平面顯示屏極有希望的材料。
二、復(fù)合材料領(lǐng)域
納米管的強(qiáng)度比鋼高100倍，但重量只有鋼的六分之一。它們非常微小，5萬(wàn)個(gè)并排起來(lái)才有人的一根頭發(fā)那么寬，可以作為高強(qiáng)度碳纖維材料。
另外，碳納米管應(yīng)用于催化纖維和膜工業(yè)。畔梁及其研究組將硫酸工業(yè)和石油化工中應(yīng)用的重要的催化劑氧化釩灌注進(jìn)或涂覆在碳納米管上，氧化釩有時(shí)可以到達(dá)納米管管壁的石墨層的間隙中。用氧把碳管氧化掉，就只剩下全部由氧化釩組成的超小型纖維，形狀頗似納米管。這種被制成納米纖維的氧化釩，因其有極高的表面積，催化效果大大加強(qiáng)。除氧化釩外，碳納米管還可作為其他金屬和金屬氧化物催化劑的載體，最大限度地提高催化劑的效率。碳納米管“列陣”制成的取向膜，可被用作場(chǎng)發(fā)射器件，也可被制成濾膜，由于膜也為納米級(jí)，可對(duì)某些分子和病毒進(jìn)行過(guò)濾，從而使超濾膜進(jìn)入一個(gè)嶄新的天地。
三、能源方面
最有代表性的是儲(chǔ)氫材料和超級(jí)納米碳纖素電池。
儲(chǔ)氫材料是清華大學(xué)碳納米材料研究小組近日發(fā)現(xiàn)一種經(jīng)處理后表現(xiàn)出顯著儲(chǔ)氫性能的碳納米管，它有望成為新的清潔能源--氫能電池的制造材料。該項(xiàng)技術(shù)可以應(yīng)用在燃料電池的制造中，起到持續(xù)穩(wěn)定的氫源的作用。燃料電池是一種不經(jīng)過(guò)燃燒而以電學(xué)反應(yīng)連續(xù)把燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電裝置。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)以純氫為燃料，具有工作溫度低、輸出功率大、體積小、重量輕、“零排放”的優(yōu)點(diǎn)，特別適合交通運(yùn)輸工具使用。
超級(jí)納米碳素電池是超級(jí)納米碳纖素電池是中美科學(xué)家歷時(shí)十年時(shí)間，投入大量的人力、物力，最新工藝研制的新材料、新技術(shù)的最新綠色能源，重量輕，只有鉛酸電池的1/10重量，體積只有一般電池的1/16，能量可大的驚人，每克納米碳纖素電池的表面積比2000M克，每顆納米材料為10~30nm，長(zhǎng)度150mm，光、聲、電都產(chǎn)生一般分子級(jí)材料難以產(chǎn)生的能量，導(dǎo)電阻接近0，這是一般任何傳統(tǒng)電池?zé)o法比擬的。該產(chǎn)品具有快速充電的特性，又有突發(fā)功率的特性，重量比能量可在170Wh/kg~230Wh/kg之間，而體積比能量可達(dá)500W~1000W/L之間，充放電可達(dá)1000次以上，壽命長(zhǎng)達(dá)10年。而價(jià)格僅為鋰電池的一半。它廣泛應(yīng)用于電動(dòng)車(chē)、潛艇、電力機(jī)車(chē)等需儲(chǔ)能大、重量輕的電動(dòng)力機(jī)械上。它的推出是超導(dǎo)及儲(chǔ)能科學(xué)的一場(chǎng)革命，為更高性能電化學(xué)超級(jí)電容器的研究開(kāi)辟了新的途徑。
四、醫(yī)療領(lǐng)域及生物工程
在美國(guó)加利福尼亞大學(xué)萊斯利·威爾遜和齊魯斯·薩費(fèi)尼亞博士領(lǐng)導(dǎo)下研制成的一種所謂“智能”生物納米管，將來(lái)能在人體內(nèi)運(yùn)送藥物?？茖W(xué)家認(rèn)為，將來(lái)在生物“容器”內(nèi)部可以放入藥物，并可以在任何所需地點(diǎn)釋放藥物。研究人員已經(jīng)進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，證明新方法可靠有效。不過(guò)，科學(xué)家目前尚未作出很快就能實(shí)際應(yīng)用“智能”生物納米管的預(yù)測(cè)。
五、環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域
利用納米級(jí)集塵灰微粒的特性，發(fā)展新的保濕材料，大幅提升土壤之保水能力，提高綠化成功率與速度，為本項(xiàng)目發(fā)展目標(biāo)。希望借著此一新技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，可以有效解決沙漠化地帶土壤風(fēng)化和水份流失，造成土壤逐步荒漠化之危機(jī)。
結(jié)束語(yǔ)：
碳納米管以其特殊的結(jié)構(gòu)，獨(dú)特的的物理化學(xué)性能(導(dǎo)電，強(qiáng)抗拉，導(dǎo)熱和吸附)，極其廣泛的應(yīng)用范圍和極具潛力的應(yīng)用價(jià)值，吸引了全世界科學(xué)家的關(guān)注和研究，并且在這一領(lǐng)域己經(jīng)取得了若干重要的進(jìn)展。隨著“工業(yè)4.0”及“2025方案”的實(shí)施，碳納米管將會(huì)在越來(lái)越多的領(lǐng)域中產(chǎn)生重大而深刻的影響，并給人類(lèi)帶來(lái)巨大的利益。
參考文獻(xiàn)：
（1）韓蜂等，新型材料一碳納米管，江蘇化工，2001, Vol.29,No.4,35-37.
（2）播套旭，擴(kuò)敵火焰合成碳納米管研究，新型炭材料2001,Vol.16,No.3,24-27.
（3）孫曉 剛娜，碳納米管的生產(chǎn)及應(yīng)用，人工晶體學(xué)報(bào)，2001.V ol.30 ,No .4, 39 8-403
（4）張 文 毓 ，碳納米管及其應(yīng)用，萬(wàn)方數(shù)據(jù)庫(kù)。
（5）西北大學(xué)化學(xué)系化學(xué)班 李溟 2005110056。
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