新型炭材料——纳米碳管

新型炭材料——纳米碳管
摘要：碳纳米管的发现是碳团簇领域的又一重大科研成果，本文探讨了碳纳米管的结构、特性、制备、应用、进展研究、前景等。

关键词：新型碳材料，纳米碳管，性质，应用
，
纳米碳管是一种新型碳纳米材料，也是纳米材料，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，
一：纳米碳管的发现
1991年，美国科学家成功地合成了碳纳米管，并发现其质量仅为同体积钢的1/6，强度却是钢的10倍，因此称之为超级纤维.这一纳米材料的发现标志人类对材料性能的发掘达到了新的高度。

二：纳米碳管的结构
纳米碳管中的碳原子以sp2杂化，但是由于存在一定曲率所以其中也有一小部分碳属sp3杂化。

在不考虑手性的情况下，单壁纳米碳管可以由两个参量完全确定（直径和螺旋角或两个表示石墨烯的指数（n,m）或者螺旋向量Cn和垂直向量T〕。

理想纳米碳管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体。

石墨烯的片层一般可以从一层到上百层，含有一层石墨烯片层的称为单壁纳米碳管，多于一层的则称为多壁纳米碳管，如图二。

单壁纳米碳管的直径一般为1－6nm，最小直径大约为0.5nm，与C36分子的直径相当, 但单壁纳米碳管的直径大于6nm以后特别不稳定，会发生单壁纳米碳管管的塌陷，长度则可达几百纳米到几个微米。

因为单壁纳米碳管的最小直径与富勒烯分子类似，故也有人称其为巴基管或富勒管。

多壁纳米碳管的层间距约为0.34纳米，直径在几个纳米到几十纳米，长度一般在微米量级，最长者可达数毫米。

由于纳米碳管具有较大的长径比，所以可以把其看成为准一维纳米材料。

三：纳米碳管的性质
纳米碳管的性质与其结构有密切相关性
1、电学性质
由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。

理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。

2、力学性能
墨烯平面中碳碳键是自然界中已知的最强的化学键之一，石墨中
C11的弹性常数达1060GPa。

纳米碳管的结构是比较完整的石墨烯网格，而且由于缺陷很少，单壁纳米碳管的强度应该接近于碳碳键强度。

理论计算表明单壁纳米碳管的杨氏模量与其直径以及螺旋角无关，杨氏模量和剪切模量与金刚石相当，强度可以达到1.0TPa以上。

其强
度大约为钢的100倍，而密度却只有钢的1/6。

所以纳米碳管具有优异的力学性能
3、热学性能
一维管具有非常大的长径比，因而大量热是沿着长度方向传递的，通过合适的取向，这种管子可以合成高各向异性材料。

虽然在管轴平行方向的热交换性能很高，但在其垂直方向的热交换性能较低。

纳米管的横向尺寸比多数在室温至150℃电介质的品格振动波长大一
个量级，这使得弥散的纳米管在散布声子界面的形成中是有效的，同时降低了导热性能。

适当排列碳纳米管可得到非常高的各向异性热传导材料。

4、储氢
碳纳米管的中空结构，以及较石墨(0.335nm)略大的层间距
(0.343nm)，使其有更加优良的储氢性能，氢可以以固体形式填充到单壁纳米碳管的管体内部以及单壁纳米碳管束之间的孔隙，因此单壁纳米碳管具有极佳的储氢能力。

推测单壁纳米碳管的储氢量可达10％（重量比, 因此可以用作储氢材料）
四：纳米碳管的制备
纳米碳管主要制备法方法有电弧法，激光蒸发法，化学气相淀积法，固相热解法、辉光放电法和气体燃烧法等以及聚合反应合成法。

电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法。

备富勒烯类似，在惰性气体
五：纳米碳管的应用
碳纳米管可作为复合材料，电化学器件，作为氢气存储的材料，做催化剂载体，场发射装置，碳纳米管场效应晶体管。

六：纳米碳管的最新研究进展
（1）纳米碳管可制新型太阳能电池
美国科学家利用纳米碳管制作出新型太阳能电池，在吸收等量的光子下能产生更多的光电流，其效能将优于现行的光伏电池。

他们证明纳米碳管做成的光二极管(photodiode)吸收一个光子能产生多组电子
空穴对(electron- holepair)，不像传统的光二极管只能产生一组。

康乃尔大学参与这项研究的Nathan Gabor表示，这项技术若能应用于大尺寸的太阳能电池，势必能突破以往转换效率的限制
（2）纳米碳管电池电量高于锂电池五倍
美国麻省理工学院（MIT）的研究人员开发出一种利用正极涂层碳纳米管构建新特性锂离子电容和电池的方法，该技术在含氧化学物质中加入纳米碳管涂层，并与锂元素一起大面积产生电流。

这种电池构造能够存储大约现有锂电池的5倍电
量，并且还能提高放电能力，取得最佳性能，今后的电动汽车将有望采用这种大容量，高效率的产品。

参考文献
/s/blog_63ceef780100gowp.html
/Portal0/InfoModule_375/17138.htm
/view/1569669.htm?fr=ala0_1//carbonknowledge/cknowle dge_CN.htm
/carbonknowledge/cknowledge_CN.htm。