浅谈碳纳米管

浅谈碳纳米管

摘要：就对于碳纳米管的优良性质，以及将来在许多的领域的应用，不可避免的说到碳纳米管可能作为某些材料的替代产品，碳纳米管的缺陷和如何改进等问题。

关键词：碳纳米管优良性能

前言：随着科学技术的发展，很多材料和能源都已经快到达它们物理性能的极限了，由于人们对纳米材料的不断探索，终于发现了许多纳米材料所具有的其他材料没有的优良性能，那么我们就来浅谈谈碳纳米管为什么具有这么多的优良性能，和这些优良性能的前景。

正文：正如人们都知道的纳米材料由于具备尺寸小，比表面积大，表面能高等特点，表现出许多特有的物理效应如表面效应小尺寸效应，量子效应和介电限域效应等。从而使纳米材料具有传统材料所不具备的异或反常的物理特性。

碳纳米管由于由于其中碳原子采取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和高强度。从而使其表现出良好的力学性能，碳纳米管的抗拉强度达到50～200GPa,是钢的100倍,密度却只有钢的1/6，至少比常规石墨纤维高一个数量级；它的弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。碳纳米管的导电性也是可观的，由于碳纳米管的碳原子之间构成六边形，必然就会有一个孤对电子环绕在每个碳原子周围，从

而使其有具有相当好的导电性。理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。当碳纳米管的管径大于6nm时，导电性能下降；当管径小于6nm时，碳纳米管可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。有报道有人通过计算认为直径为0.7nm的碳纳米管具有超导性，尽管其超导转变温度只有1.5×10-4K，但是预示着碳纳米管在超导领域的应用前景。当然碳纳米管也具有优良的导热性碳纳米管具有非常大的长径比，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。其他性能，碳纳米管还具有光学和储氢等其他良好的性能,正是这些优良的性质使得碳纳米管被认为是理想的聚合物复合材料的增强材料。

对于碳纳米管的应用前景那是可观的，随着化石原料的逐渐枯竭，人们正在寻找清洁能源，目前被人们所看重的莫过于氢能和太阳能了。不管它们中的哪一种能源，目前都陷于瓶颈之中，氢能怎么制取，怎么存储到现在还是问题，至于太阳能我想不必多少，太阳能虽然总量巨大，但是利用率很低，至今还在探索，但是我想说碳纳米管的研究可能就可以解决这些问题，从而解决现在的能源危机。

氢气密度低，压缩存储一直都是问题，而碳纳米管的自身重量也是相当轻的，具有中空的结构，正是储存氢气的最好容器，储存的氢气密度甚至比液态或固态氢气的密度还高。适当加热，氢气就可以慢慢释放出来，如能实现那将是前景无限。随着碳纳米管的深入的研究，我们发现了它优良的光学性质，Garcia-Vidal等利用有效介质理论，计算出低密度的碳纳米管垂直阵列具有极低的折射率，发现当纳米管之间的间距比入射光波长小得多时，这种复合结构可以看作是一种超材料，其介电函数仅依赖于材料的成分以及填充比。Yang等通过水蒸气辅助化学气相沉淀法，成功制备了超低密度的碳纳米管阵列，并测量了其光学特性。发现碳纳米管在可见光范围可以保持极低的反射率，并且即使当入射角增加到60度时，碳纳米管阵列依然可以保持极低的反射率，从而可以大大提高太阳能的利用率。

当然碳纳米管也有自己的缺陷，关于管壁缺陷对碳纳米管力学性质的影响规律也值得引起关注，这也将有助于进一步认识碳纳米管及其复合材料。由于碳纳米管制造工艺的限制，碳纳米管中含有大量的各种缺陷，如原子空位缺陷(单原子或多原子空位)和Stone-Thrower-Wales (STW)型缺陷等。见下图：

当然我们不能说碳纳米管就是那么尽善尽美，毫无缺点，碳纳米管由于其巨大的表面积和表面疏水性, 对共存污染物尤其是有机污染物具有很强的吸附能力.。碳纳米管对污染物的吸附不仅会改变污染物的环境行为, 也会影响自身的环境行为。因此，由于工程上的大量应用而导致广泛存在于环境中的碳纳米管的环境风险应当被关注。

结语：碳纳米管具有那么多的好的特性，超导，导热，相当好的力学性质等，都值得我们去探索，去细细研究，或与在不就得将来很有可能碳纳米管就可能替代硅芯片，碳晶体管的前景是很光明的，克服碳纳米管的缺陷和污染，使其尽善尽美。

参考文献

1.Garcia-Vidal FJ,Pitarke JM,et.Effective medium theory of the optical properties of aligned carbon nanotubes[J].Phys Rev Lett,1997,78(22):4289

2.Yang ZP,Ci L,Bur JA,et al.Experimental observation of an extremely dark material made by a low-density nanotube array [J].Nano lett,2008,8(2):446