碳纳米管应用研究进展

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为微米， 甚至毫米量级 A ， 它表现为典型的一维量子 材料， 并具有许多异常的力学、 电学、 光学、 热学和 化学性能。碳纳米管在制备、 结构、 性能、 应用等方 面引起了物理学、化学和材料学等科学家的极大兴 趣， 均取得了重大的成果。近几年来， 随着碳纳米管 及纳米材料研究的不断深入，其广阔应用前景也不 断显现出来。
第!期
马如飞 碳纳米管应用研究进展
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纤维，被看作是理想的复合材料增强相。利用碳纳 米管具有极好的导电特性、电致发光和长径比值达 可制备导电聚合物复合材料。碳纳 !"# 等其他性能， 米管复合材料广泛应用于汽车（刹车片、保险杠） 、 （钓鱼杆、 航空、 航天、 船舶、 文体用品 高尔夫球杆、 （水泥复合材料、 网球拍） 、 土木建筑 轻量材） 、 机械 （弹簧、 螺旋杆等） 等方面。此外， 添加碳纳米管可提 高聚合物的导电性。由于碳纳米管直径小且导电， 在纺织品中添加微量碳纳米管，既可以防止静电的 产生，同时又不会影响纺织品的舒适性；经化学修 饰的碳纳米管衍生物与聚合物共混纺制碳纳米管 复合纤维，其不仅具有导电或抗静电性，还具有高 的强度和模量，该类复合纤维制造的防弹衣可以有 效保护整个人体，而不仅仅是前胸和后背；同时还 能制作重量很轻的防辐射和抗冲击太空服。 !# $ 电子材料及器件 碳纳米管的电子结构可以是金属性质，也可以 是半导体性质，取决于其直径和螺旋度。因此不同 直径和螺旋度的碳纳米管可以作为功能电子器件、 微型电路的导线、最小的半导体装置、纳米级的晶 体三极管、逻辑门和线路的连接件，应用于微电子 器件。碳纳米管上极小的微粒可以引起碳纳米管在 电流中的摆动频率发生变化，据此，美国佐治亚理 “纳 工学院王中林教授 $ % & 发明了精度在 !" ’ !( )* 的 米秤” ， 能够称量单个病毒的质量。+""# 年， 韦进全 等
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性能使它可以作为扫描隧道显微镜、原子力显微镜 和静电力显微镜的探针 $ !! & 。 与传统探针相比， 碳纳米 管探针具有更高的传导能力、 化学稳定性、 灵敏度和 精度（纳米级） ，能够探测出距表面较深的沟槽内部 形貌， 进行表面分子识别和电子结构分析， 同时避免 损坏样品及探针针尖。通过碳纳米管探针针尖可以 获得高分辨率图片， 以及操纵材料表面的原子， 在研 究生物薄膜、细胞结构和诊断疾病方面具有重要的 应用前景。研究人员将核酸和碳纳米管连接在一起 制备 49:、 用于核糖核酸 69:、 ;9: 碳纳米管探针， 检测、 基因疗法、 药物输送和系统生物学 $ !+ & 。 碳纳米管特殊的力学、 电子、 热学性能， 可以用 于制作各种传感器， 具有结构紧凑、 耗能低、 操作安 全的特点，表现出良好的灵敏度和可选择性，且校 准技术简单、监测成本低，可用于现场检测和远程 监控。碳纳米管在吸附某些气体如 <+ 、 9<.、 =+ 和无 机气体后电阻发生迅速的突变，可以作为电化学传 感器
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碳纳米管的结构和性能
碳纳米管可以看作是石墨片绕中心轴按一定
的螺旋角度卷绕而成的无缝圆筒，碳原子间是 >B: 杂化，它具有典型的层状中空结构特征，管径在 16 C D E1 <* 之间，长度为微米量级，管身是由六边 形碳环组成的多边形结构，两端由富勒烯半球形端 帽封口。 碳纳米管的螺旋度通常用螺旋矢量 !F G "#! H 其数值等于碳纳米管的周长， 其中 "， $#: 表示， $
1223 年第 ! 期 第 14 卷
$%&’() *+$,)-./+0 炭 素 技 术
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碳纳米管应用研究进展
马如飞， 李铁虎， 赵廷凯， 王大为
@ 西北工业大学 材料学院，陕西
摘
西安
C!11C: A
要：碳纳米管作为一种新型炭材料， 由一层或者多层石墨片按照一定螺旋角卷曲而成六边形无缝结构， 具有独特的纳米
结构和优异的力学、 电学、 热学和物理化学性能， 在各个领域显示出诱人的潜在应用价值和前景， 引起了科学界广泛的研究。 本文综述了碳纳米管的结构、 制备和性能以及相关的潜在应用领域。 关键词：碳纳米管； 螺旋； 性能； 概括； 应用 中图分类号：?P$::6 0E 文献标识码： Q （:11" ） 文章编号： !11!JECR! 1EJE$J1$
段。 日本 45/ 公司基础研究实验室的电镜 !""! 年， 专家 )6 7898*+ 在用电子显微镜观察石墨电弧法制备 富勒烯产物时，发现了一种新的碳的晶体结构—— — 2:3 ， 自此开辟了 碳纳米管 （/+&;’< 4+<’(=;->， /4?>） 碳科学发展的新篇章，也把人们带入了纳米科技的 新时代。 碳纳米管的结构，形象地讲是由含六边形网格 的石墨片卷曲而成的无缝纳米级圆筒，两端的“碳 帽”由五边形或七边形参与封闭，根据石墨片层数 的不同，碳纳米管可分为单壁管和多壁管。由于其 结构上的特殊性 @ 径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸
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作者简介： 马如飞 男 硕士生， 主要从事纳米材料和 / I / 复合材料的制备和性能研究， 5J*+8,K &=L-8*M .+F’’6 N’*6 N<。 收稿日期： :11# O 1E O 1$
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炭
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弹性应变最高可达 !"4 。碳纳米管和石墨一 012 % 3 & ， 样具有良好的导电性能， 随着螺旋矢量 # "， # $ 的不 同，碳纳米管的能隙宽度可以从零变化到与硅相 等， 导电性能介于导体和半导体之间 % 5 & 。 由于电子的 量子限域所致，电子只能在石墨片中沿着碳纳米管 的轴向运动，因此碳纳米管表现出独特的电学性 能。碳纳米管尖端具有纳米尺度的曲率半径，在相 对较低的电压下就能够发射出大量的电子，因此碳 纳米管呈现出优良的场致发射特性。碳纳米管轴向 导热系数高达 / /** 6 （ ，为自然界已知材 . 7・ 8 ） 料中最高， 是电子设备中最高效的散热材料。另外， 碳纳米管具有独特的辉光效应、电致发光特性和光 致发光效应等性能。
碳是自然界分布非常普遍的一种元素。碳元素 最大的特点之一是存在着众多的同素异形体，形成 许许多多结构和性质完全不同的物质。长期以来， 人们一直认为碳的晶体只有两种：石墨和金刚石。 直 到 !"#$ 年 ， 英 国 科 学 家 %&’(’ 和 美 国 科 学 家 )*+,,-. 在研究激光蒸发石墨电极时发现了碳的第 三种晶体形式 /01 ， 从此开启人类对碳认识的新阶
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碳纳米管的应用
碳纳米管独特的结构及与之相关的力学、电子
特性及化学性能， 必然决定了它在物理、 化学、 信息 技术、 环境科学、 材料科学、 能源技术、 生命及医药 科学等领域均具有广阔的应用前景。 !& ’ 碳纳米管复合材料 $( % 碳纳米管全部由碳原子组成， 缺陷少、 密度低， 具有很高的轴向强度和刚度，其性能优于通用级炭
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， 用作灵敏的环境监测计， 监测有毒气体含
量的微弱变化和控制环境污染。碳纳米管在气体和 液体环境中某些喇曼光谱峰会产生偏移，可作为压 力传感器。:>?@?A 等 $ !# & 使用碳纳米管阵列成功开发 出了微型气体离子传感器样品，该样品能够非常出 色地定量或定性分析大气中的各种气体。968 研究 小组 $ !B & 报道了利用碳纳米管制成神经毒气传感器 的传感元件， 其成本、 能耗低， 可用于检测低于 !" ’ , 的神经毒气和有毒化学物质。经碳纳米管修饰的电 极，可以降低化学物质氧化还原反应的过电位，改 善生物分子氧化还原可逆性，其大的比表面积有利 于酶的固定化，在生物传感器领域具有广阔的前 景。 !# % 医学应用 &’( ) 碳纳米管以其极高的稳定性、良好的生物相容 性成为生物纳米材料中的佼佼者，在医学领域的应 用前景也很令人期待。碳纳米管管道合成是有机合 成、生物化学和制药化学的重点研究领域。碳纳米 管可在养料、药品供给系统与细胞之间形成圆筒形 的渠道， 输送肽、 蛋白质、 质粒 49: 或寡核苷酸等物 质。碳纳米管能促进骨组织的修复生长，促进神经 再生，减少神经组织瘢痕产生。碳纳米管声学传感 “纳米听诊器” 器可以用作 ， 给医生提供更快更准确 的诊断工具。此外， 由碳纳米管制成的微型纳米钳， 有望成为科学家和医生装配纳米机械和进行微型 手术的新工具。碳纳米管用于极微细毛细血管的医 治或代替破损的毛细血管，可修复受损的毛细血 管。碳纳米管具有优良的伸缩性，在较低电压下可 产生较大的机械拉伸，而且随外加电压的变化长度
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碳纳米管的制备 $ " %
9: ;<=<72 的工作揭开了碳纳米管研究热潮的序 幕。碳纳米管的制备是对其开展研究与应用的前 提， 获得管径均匀、 高纯度、 结构完美的碳纳米管是 研究其性能及应用的基础，而大批量、低成本的合 成工艺是碳纳米管能否实现工业应用的保证。因 此，其制备与研究成为材料界、化学界以及物理界 研究的前沿和热点。 自从发现电弧法制备碳纳米管以来，研究人员 相继开发了激光蒸发法和化学气相沉积法。电弧法 和激光蒸发法制备的碳纳米管纯度和晶化程度较 高， 但产量较低， 成本较高， 不适合大规模生产。化 学气相沉积法因其设备简单，是实现工业化大批量 生产的有效方法，但由于反应温度低，产物通常含 有非晶炭和催化剂残余等杂质。此外，研究人员又 先后开发出溶液法、 火焰法、 等离子体法、 电解合成 为整数， !! 、 !" 是石墨晶格的基矢 # 图 ! $ % " & 。在二维 石墨晶片上，给定一组 # "， # $ 便确定了一个矢量 另一个重要参量是 $’ 与 !! 间夹角 !， 称为手性 $’ 。 角。 当 " ( #， 称其为扶手椅形碳纳米管； ! ( )*+时， 当 # ( *， 称其为锯齿形碳纳米管； 而当 *+ ! ( *+时， , ! ,)*+时形成的所有其他类型均是手性碳纳米 %)& （图 " ） 。 因此碳纳米管的结构参数都可以由 # "， 管 同时随着直径和螺旋角的不同 # $ 这对整数来表示， 可以表现出金属性或半导体性。 碳纳米管具有最简单的化学组成及原子结合 形态，却展现了最丰富多彩的结构以及与之相关的 物理、化学等性能。碳纳米管的碳原子之间以自然 界最强 - — - 化学键相结合，它的强度是钢的 !** 倍， 而密度仅仅是钢的 ! . /， 具有很高的轴向强度、 韧性和弹性模量，杨氏模量与金刚石相当，约为 ! 法、微孔模板法和热解聚合物法等制备碳纳米管， 但是这些合成方法由于自身的一些因素并不常 用。虽然电弧法是经典的制备碳纳米管的方法，但 最吸引人的、商业应用最成功的是化学气相沉积 法。