纳米材料在生活中的应用——碳纳米管枕头

纳米材料在生活中的应用——碳纳米管枕头

碳纳米管枕头的作用：可浮动，有效保护颈椎，舒适透气，轻微按摩，安神助眠，随意翻身，减少打鼾，有效改善睡眠质量。

碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口）的一维量子材料，在1991年1月由日本物理学家饭岛澄男使用高分辨率分析电镜从电弧法生产的碳纤维中发现。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，约，直径一般为2～20nm

一、碳纳米管的制备方法：

1.石墨电弧法

石墨电弧法是最早用于制备纳米碳管的工艺方法, 后经过优化工艺, 每次可制得克量级的纳米碳管。此法是在真空反应室中充惰性气体或氢气, 采用较粗大的石墨棒为阴极, 细石墨棒为阳极, 在电弧放电的过程中阳极石墨棒不断的被消耗, 同时在石墨阴极上沉积出含有纳米碳管的产物。采用此法合成纳米碳管时, 工艺参数的改变如更换阴极材料或改变惰性气体都将大大影响纳米碳管的产率。除此之外, 改变在阳极组成或直径、或在石墨极中添加 Y2O3等, 也有很好的效果。1991 年, Iijima 就是使用石墨电弧法来制备出纳米碳管的, 现在, 人们在尝试寻找简单的制备方法, 通过改变打弧介质来简化电弧装置。液氮和水溶液都曾被用来替换氦气和氢气制备纳米碳管。石墨电弧法具有简单快速的特点, 而且制得的纳米碳管管直、结晶度高。但该法所生产的纳米碳管缺陷较多, 且纳米碳管烧结成束, 束中还存在很多非晶碳杂质。究其原因是电弧温度高达 3

000~3 700 ℃,形成的纳米碳管被烧结于一体, 造成较多的缺陷。但在化学气相沉积法被发现之前,石墨电弧法仍是合成纳米碳管的主要方法。

2、化学气相沉积法

其在一定程度上克服了电弧放电法的缺陷。这种方法是让气态烃通过附着有催化剂微粒的模板，在800~1200度的条件下，气态烃可以分解生成碳纳米管。这种方法突出的优点是残余反应物为气体，可以离开反应体系，得到纯度比较高的碳纳米管，同时温度亦不需要很高，相对而言节省了能量。但是制得的碳纳米管管径不整齐，形状不规则，并且在制备过程中必须要用到催化剂。

3.催化裂解法

催化裂解法是在 600~1 000 ℃的温度及催化剂的作用下, 使含碳气体原料(如一氧化碳、甲烷、乙烯、丙稀和苯等)分解来制备碳纳米管的一种方法。此方法在较高温度下使含碳化合物裂解为碳原子,碳原子在过渡金属- 催化剂作用下, 附着在催化剂微粒表面上形成为碳纳米管。催化裂解法中所使用的催化剂活性组分多为第八族过渡金属或其合金, 少量加入 Cu、Zn、Mg 等可调节活性金属能量状态, 改变其化学吸附与分解含碳气体的能力。催化剂前体对形成金属单质的活性有影响, 金属氧化物、硫化物、碳化物及有机金属化合物也被使用过。

二、特殊物理性能与表征方法：

碳纳米管的分子结构决定了它具有一些独特的性质。由于巨大的长径比（径向尺寸在纳米量级，轴向尺寸在微米量级），碳纳米管表现为典型的一维量子材料。

由于碳纳米管中碳原子采取SP2杂化，相比SP3杂化，SP2杂化中S轨道成分比较大，使碳纳米管具有高模量、高强度。

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。碳纳米管的强度比同体积钢的强度高100倍，重量却只有后者的1/6到1/7。碳纳米管因而被称“超级纤维”。莫斯科大学的研究人员曾将碳纳米管置于1011 Pa的水压下，由于巨大的压力，碳纳米管被压扁。撤去压力后，碳纳米管像弹簧一样立即恢复了形状，表现出良好的韧性。此外，碳纳米管的熔点是已知材料中最高的。

碳纳米管上原子排列的方向常用矢量(n,m)表示。碳纳米管上碳原子的P电

子形成大范围的离域π键，由于共轭效应显著，碳纳米管具有一些特殊的电学性质。

常用矢量Ch表示碳纳米管上原子排列的方向，其中，记为(n,m)。a1和a2分别表示两个基矢。(n,m)与碳纳米管的导电性能密切相关。对于一个给定(n,m)的纳米管，如果有2n+m=3q（q为整数），则这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n=m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。

除了奇特的导电性质之外,碳纳米管还有非凡的力学性质。理论计算表明,碳纳米管具有极高的强度和极大的韧性。由于碳纳米管中碳原子间距短、单层碳纳米管的管径小,使得结构中的缺陷不易存在,因此单层碳纳米管的杨氏模量据估计可高达5TPa(而钢的杨氏模量只有碳纳米管的1/5),可承担自身质量3 000亿倍的拉力,其强度约为钢的100倍,而密度却只有钢的1/6。因此,碳纳米管被认为是强化相的终级形式,人们估计碳纳米管在复合中的应用前景将十分广阔。碳纳米管还有极高的韧性而不脆,在轴向施加压力或弯曲碳纳米管时,当外加压力超过Euler强度极限或弯曲强度时,碳纳米管不会断裂,而是首先发生大角度弯曲,然后打卷绞结在一起形成类似“麻花状”物体。当外力释放后碳纳米管又恢复原状。研究发现,电弧法生产的碳纳米管(直管)的杨氏模量比催化热解法生产的碳纳米管(弯管)的杨氏模量高一到两个数量级。此外,碳纳米管高的比表面积使其成为最有希望的新型储氢材料。碳纳米管还有优异的导热性能,是已知的最好的导热材料。纳米碳管依靠超声波传递热能,纳米碳管在一维方向传递热能,其传递速度可达到10 000m/s。即使将纳米管捆在一起,热量也不会从一根纳米管传到另一根纳米管,纳米碳管优异的导电性能将能使它成为今后计算机芯片的导热板,也将可用于发动、火箭等各种高温部件的。多壁碳纳米管的基本性能:直径:10~50nm长度:1~10μm形状:针状、弯曲状、缠结状结构:典型为8层同轴套管,内孔直径1~2nm吸水率:g体积密度:cm3真实密度:2g/cm3比表面积:250m2/g弹性模量: 弹性模量:~1TPa(单壁管)导热率:2 000W/m·K(单壁管)抗拉强度:30GPa(单壁管)最大电流密度:1013A/m2(单壁管)电阻率:10-4Ω·cm(单壁管)

颜色:黑色。