碳纳米管的性能及应用领域

碳纳米管的性能及应用领域

碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有很多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料讨论的深入其广阔的应用前景也不断地呈现出来。

一、碳纳米管的性能

1.1力学性能

不同类型的碳纳米管

碳纳米管具有良好的力学性能，碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，可以拉伸。碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相像，但其结构却比高分子材料稳定得多。碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。若将以其他工程材料为基体与碳纳米管制成复合材料，可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗疲乏性及各向同性，给复合材料的性能带来极大的改善。

1.2导电性能

碳纳米管制成的透亮导电薄膜

碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域键，由于共轭效应显著，碳纳米管具有一些特别的电学性质。

碳纳米管具有良好的导电性能，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。对于一个给定的纳米管，在某个方向上表现出金属性，是良好的导体，否则表现为半导体。对于这个的方向，碳纳米管表现出良好的导电性，电导率通常可达铜的1万倍。

1.3传热性能

采纳了碳纳米管涂层的热水器内胆

碳纳米管具有良好的传热性能，碳纳米管具有特别大的长径比，因而其沿着长度方向的热交换性能很高，相对的其垂直方向的热交换性

能较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合成高各向异性的热传导材料。另外，碳纳米管有着较高的热导率，只要在复合材料中掺杂微量的碳纳

米管，该复合材料的热导率将会可能得到很大的改善。

二、碳纳米管的应用

2.1电子领域

碳纳米电子管（CNTS）是一种具有显著电子、机械和化学特性的

独特材料。其导电本领不同于一般的导体。性能方面的区分取决于应用，或许是优点，或许是缺点，或许是机会。在一理想纳米碳管内，电传导

以低温漂轨道传播的，假如电子管能无缝交接，低温漂是计算机芯片的

优点。诸如电连接等的混乱极大地修改了这行为。对十较慢的模拟信号

的处理速度，四周环围着平向球分子的碳纳米管充当传播者已被试验证明。

碳纳米管光纤导电性能是铜电缆的4倍

在碳纳米管的内部可以填充金属、氧化物等物质，这样碳纳米管

可以作为模具，首先用金属等物质灌满碳纳米管，再把碳层腐蚀掉，就

可以制备出最细的纳米尺度的导线，或者全新的一维材料，在将来的分

子电子学器件或纳米电子学器件中得到应用。有些碳纳米管本身还可以

作为纳米尺度的导线。这样利用碳纳米管或者相关技术制备的微型导线

可以置于硅芯片上，用来生产更加多而杂的电路。

2.2信息存储领域

信息技术的进步是晶体管不断缩小的结果，晶体管重要应用于信

息收集与处理的各个方面。信息技术本领的不断进展取决于更加强大的

计算硬件制造业的不断进步。摩尔定律（集成电路的功能按指数增长的

规律）一直延续到今日。尽管在这一范围内有潜在的局限性，半导体工

业路标ITRs依据应用良好达40年的大型设备缩放比例预见了当前摩尔

定律可持续成为2023年的路标，那时器件密度也相应地增长了32倍。

达到和超越这一密度的障碍如下：平版印刷术、漏电流、电路连接需求

和热问题。这些挑战己激发了极多的科学讨论，这些科学讨论既致力十

传统的有硅系统的问题，也想找到突破这些屏障的替代产品。纳米技术

引起了人们极大的爱好，多种材料以纳米级的精度应用于这一领域。

用分子制作逻辑电路的热诚正空前高涨，碳纳米电子管和分子层

晶体管的力分别技术己成功应用十实际制作晶体管甚至简单的逻辑电路。在2023年所取得的进步被科学杂志认为是达年的技术突破。

碳纳米管在制备过程中大多数都使用了过渡金属粒子作为催化剂，在生长的过程中，很多碳纳米管的顶部和底部都封有直径为几个纳米到

几十个纳米数量级的催化剂颗粒。依据磁学理论可以知道，这些粒子是

单磁畴粒子，可以稳定地记录信息。单根碳纳米管在垂直方向上可以存

在多个铁磁粒子。因此碳纳米管将具有实现新型的大规模信息存储的可

能性。

2.3储氢材料领域

氢气在将来的能源方面将扮演一个很紧要的角色，它在释放能量

的过程中不会引起空气的污染和导致温室效应，但目前依旧没有一个应

用的方法存储和运输氢气，而这对氢气能源的应用化是非常紧要的。近

来的讨论表明，碳纳米管特别适合于作为储氢材料。由于碳纳米管具有

独特的纳米级尺寸和中空结构，具有更大的表面积，相对于常用的吸附

剂活性炭而言，具有更大的氢气吸附本领。

目前，碳纳米管在储氢方面具有更加明显的优势，再加之碳材料

的价格低廉，化学性能稳定，密度比较小，碳纳米管储氢的应用前景非

常乐观。目前，碳纳米管储氢应用的重要问题是进一步提高储氢率，探

究碳纳米管吸放氢气条件，讨论碳纳米管材料的储氢机理以及如何在工

业上大量制备碳纳米管。通过制备工艺的改进、碳纳米管的提纯等方式，使得碳纳米管的储氢率进一步提高。讨论碳纳米管吸放氢气的物理过程，确定其吸放氢气的物理条件，才能设计出相应的储气、释放系统，使得

碳纳米管在贮藏氢气方面走向应用化。碳纳米管作为一种新型的纳米材料，对原有的气体吸附理论也提出了新的挑战，需要使用新的理论来描

述碳纳米管储氢过程，这些问题的解决，都需要进一步开展碳纳米管储

氢方面的理论讨论和试验讨论。

2.4复合材料领域

由于碳纳米管的纳米级尺寸，中空管状和极高的杨氏模量，它被

认为是晶须类强化相的终极形式。利用碳纳米管的性质可以制作出很多

性能优异的复合材料。例如，碳纳米管材料加强的塑料力学性能优良、

导电性好、耐腐蚀、屏蔽无线电波。使用水泥做基体的碳纳米管复合材

料耐冲击性好、防静电、耐磨损、稳定性高，不易对环境造成影响。碳

纳米管加强陶瓷复合材料强度高，抗冲击性能好。碳纳米管上由于存在

五元环的缺陷，加强了反应活性，在高不冷不热其他物质存在的条件下，碳纳米管简单在端面处打开，形成一个管子，极易被金属浸润和金属形

成金属基复合材料。这样的材料强度高、模量高、耐高温、热膨胀系数小、防范热变性能强。

2.5其他领域

碳纳米管还给物理学家供给了讨论毛细现象机理最细的毛细管，

给化学家供给了进行纳米化学反应最细的试管。碳纳米管上微小的微粒

可以引起碳纳米管在电流中的摇摆频率发生变化，利用这一点，1999年，巴西和美国科学家创造了精度在10—17kg精度的“纳米秤”，能够称

量单个病毒的质量。随后德国科学家研制出能称量单个原子的“纳米秤”。

碳纳米管具有优良的场致发射特性，可以用于制作新型平板显示

器的场发射极。使用定向排列的碳纳米管薄膜作为阴极的场致发射显示

器具有成本低、工艺简单、牢靠性高的特点，可以用来制作点阵式显示器、数码管等各种显示装置。

虽然碳纳米管的技术性能特别好，但因成本和其他因素其大规模

推广仍将会是一个长期的过程。我国对此项讨论虽然起步较晚，但进展

很快。目前碳纳米化学方兴未艾，内容丰富，前景迷人。通过对碳纳米

管的讨论，必定带动相应学科的进展。