碳纳米管的应用
摘 要： 简述了碳纳米管的基本性能和主要制备方法综述了碳纳米管应用研究的领域和进展展望了碳纳米管的应用前景。
关 键 词：碳纳米管，制备，应用
一、碳纳米管的基本性能
1991年日本NEC的饭岛在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子，这就是碳纳米（CarbonNanotube）
【1】，又名巴基管。碳纳米管是一种具有石墨结晶的管状纳米碳材料，分为单壁碳纳米管（SWCNT）和多壁碳纳米管（MWCNT）两种，直径在纳米量级，具有很高的长径比。单壁碳纳米管由单层石墨卷成柱状无缝管而形成，是结构完美的单分子材料。多壁碳纳米管可看作由多个不同直径的单壁碳纳米管同轴套构而成。单壁碳纳米管根据六边环螺旋方向螺旋角的不同，可以是金属型碳纳米管也可以是半导体型碳纳米管。
多壁碳纳米管的电性能和单壁碳纳米管相近。金属型单壁碳纳米管和金属型多壁碳纳米管碳纳米管均是弹道式导体【2】。大电流通过不产生热量每平方厘米最大电流密度可达10安培【3】。碳纳米管也是优良的热传导材料【4】。多壁碳纳米管的热传导系数超过3000W/m.K，高于天然金刚石和石墨原子基面的热传导系数2000 W/m.K。碳纳米管还是很好的超导材料【5】。单壁碳纳米管的超导温度和直径相关，直径越小超导温度越高。直径1.4nm时超导温度为0.55K，直径0.5nm时超导温度为 5K，直径0.4nm时超导温度为20K 。碳纳米管还有非常好的力学性能【6】。小直径的单壁碳纳米管不但坚硬而且强度很高，是目前发现的唯一同时具有极高的弹性模量和抗拉强度的材料。单壁碳纳米管的弹性模量和抗拉强度分别达到0.64TPa和 37Gpa。多壁碳纳米管的弹性模量和抗拉强度分别达到0.45TPa和
1.7Gpa。碳纳米管的抗拉强度可达钢的100倍同时密度只是钢的1/6。碳纳米管作为导电相和加强相，在复合材料领域有广阔的应用前景。
二、碳纳米管的制备方法
碳纳米管巨大的现实与潜在应用市场，引起了产业界对投资碳纳米管产品的高度热情与学术界对碳纳米管制备技术的不懈探索。目前常用的碳纳米管制备方法主要有：电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相淀积法（碳氢气体热解法），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【7~13】。电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法。使用这一方法制备碳纳米管技术上比较简单，但是生成的碳纳米管与C60等产物混杂在一起，很难得到纯度较高的碳纳米管，并且得到的往往都是多层碳纳米管，而实际研究中人们往往需要的是单层的碳纳米管。此外该方法反应消耗能量太大。近年来发展出了化学气相淀积法，或称为碳氢气体热解法，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。
三、碳纳米管的应用实例
1、碳纳米管可作为复合材料
由于碳纳米管具有优良的电学和力学性能，被认为是复合材料的理想添加相。碳纳米管作为加强相和导电相，在纳米复合材料领域有着巨大的应用潜力 。
碳纳米管聚合物复合材料是第一个已得到工业应用的碳纳米管复合材料。由于添加了电导性能优异的碳纳米管，使得绝缘的聚合物获得优良的导电性能。根据基体聚合物的不同，通常3%~5%加载量即可获得消除静点堆积的效果。实验表明，2%碳纳米管的添加量可达到添加15%碳粉及添加8%不锈钢丝的导电效果。由于低的加入量及纳米级的尺寸聚合物在取得良好的导电性能时，不会降低聚合物机械及的其它性能，并适合于薄壁塑料件的注塑成型。这种导电聚合物塑料已在汽车燃料输送系统、燃料过滤器、半导体芯片和计算机读写头等要求防静电器件的内包装、汽车导电塑料另部件的制造等领域。并已取得很好的效果，特别是在汽车导电塑料另部件的制造方面，比传统的制造工艺有明显的优势。在简化工艺流程、产品表面光洁度彩色油漆静电喷涂等方面都达到了理想的效果。是静电喷涂技术的发展方向。
为了充分利用碳纳米管高弹性模量和抗拉强度，这一优异的机械性能碳纳米管聚合物复合材料作为结构材料使用的研究正在世界范围内加紧进行。当前主要的挑战在于，将碳纳米管均匀地扩散到基体材料中，使得碳纳米管和基体材料充分粘合，达到有效的应力传递，
防止多壁碳纳米管层间滑移及单壁碳纳米管束中管间的相对位移。实验表明，在充分扩散的情况下，在环氧树脂中只要0.1-0.2%的单壁碳纳米管就能达到10倍于直径200nm气相法生长碳纤维加入量的效果。研究还发现，2%的单壁碳纳米管添加量，可导致聚合物韦氏硬度提高3.5倍。1%的单壁碳纳米管添加量，可导致热传导性增加一倍。1%的多壁碳纳米管添加量，使聚苯乙烯的弹性模量和断裂应力分别提高42%和25%。此外，碳纳米管聚合物复合材料用于电磁辐射屏蔽材料及微波吸收材料【37】的研究也取得重要进展，有望在人体电磁辐射防护，移动电话、计算机、微波炉等电子电器设备的电磁屏蔽方面广泛的应用潜力碳纳米管优异的微波吸收性能可用于隐身材料的制造，在飞机、导弹、火炮、坦克等军事装备隐形等军事领域里有巨大应用价值。军事大国正在加紧研究开发国外有公司宣布开发出碳纳米管聚合物复合微波吸收材料。
2、碳纳米管可作为电化学器件
碳纳米管具有非常高的表面积比，根据直径和分散程度不同，碳纳米管的比表面积在
2
250~3000m/g，加之优异的导电性能和良好的机械性能，碳纳米管是电化学领域所需的理想材料，是用做制造电化学双层电容器【43 44】超级电容器电极的理想材料。碳纳米管电容器电容量巨大，和普通介电电容器相比，电容器电容量从微法拉级上升到法拉级。碳纳米管电容量可到每克15~200法拉。目前数千法拉的电容器已被生产。单壁碳纳电容量比多壁碳纳米管单位电容量更高。单壁碳纳米管电容量一般为180法拉/克，多壁碳纳米管电容量一般为102法拉/克。单壁碳纳米管电容器功率密度可达20kW/kg ，能量密度可达7W•h/kg。碳纳米管电容器具有非常好的放电性能，能在几毫秒的时间内将所存储的能量全部放出。这一优越性能已在混合电力汽车中开始实验使用。由于可在迅间释放巨大电流，为汽车迅间加速提供能量，并在频繁启动情况下，消除大电流对蓄电池的冲击，提高蓄电池寿命。同时也可用于风力发电系统稳定电压。小型太阳能发电系统能量存储。
碳纳米管还可用于制造机电制动器【6】，机电制动器在机器人领域具有潜在的应用价值。碳纳米管机电制动器对比目前使用的压电制动器及电致伸缩制动器具有许多优点。碳纳米管机电制动器的工作电压只须几伏，而压电制动器和电致伸缩制动器的工作电压分别为100V和1000V以上。碳纳米管机电制动器的工作温度高达350度。如果对碳纳米管的热稳定性得到进一步改进工作温度可上生到1000 度。
碳纳米管机电制动器的应变可达1%。如果碳纳米管机电制动器的碳纳米管电极的机械性能进一步改进，达到碳纳米管本身固有的机械性能，碳纳米管机电制动器所产生的应变和应力将比现有制动器高出几个数量级。已观测到的碳纳米管机电制动器所产生的最大应力为26MPa这是肌肉所。
4 氢气存储【40 41】
氢能量蕴含值高，不污染环境，资源丰富，被认为是未来理想的能源，但由于氢气存储困难，其使用受到了很大限制。目前氢气存储方法主要有金属氢化物、液化、高压储氢及有机氢化物储氢等，它们各自虽有一定优势，但均存在一些弊端。如：金属氢化物不但昂贵而且很重；高压储氢安全性受到影响。碳纳米管储氢是具有很大发展潜力的应用领域之一。室温常压，下约三分之二的氢能从碳纳米管释放出来，而且可被反复使用。碳纳米管储氢材料在燃料电池系统中用于储氢气存储，对电动汽车的发展具有非常重要的意义。可取代现用高压氢气罐，提高电动汽车安全性。研究室碳纳米管储氢以取得许多研究成果。分别获得了单壁碳纳米管4.2 w/%，锂掺杂多壁碳纳米管20 w/ %，钾掺杂多壁碳纳米管14 w/ % 的储氢效果。美国能源部制定了一个商用标准为6.5w/%。即，储氢能力65kg/m3，可提供电动车行驶500公里所需的能源。燃料电池在移动电源（手机、电脑等）家庭电源、分散电站、水下机器人、航天器、空间站、潜艇（不依赖空气推进）等领域有广阔用途。
5 场发射装置【14】
学术和工业界对碳纳米管电子器件的研究主要集中在场发射管电子枪其主要可应用在场发射平板显示器FED荧光灯气体放电管X射线和微波发生器碳纳米管平板显示器是最有诱人应用潜力和商业价值的领域之一众多大公司正在加紧研究中目前已制造出最大尺寸为40英寸的样机其中5英寸彩色样机相素为24032032英寸彩色样机相素达到480720
碳纳米管荧光灯的结构类似场发射平板显示器但结构相对简单只须将碳纳米管涂敷在阴极极板的表面阳极极板涂有萤光粉当加上适当的电压阴极发射电子轰击阳极而发光高性能的样机已具备投入工业化生产的条件使用寿命超过8000h环境友好可替代水银荧光灯并可用于大型体育场的显示牌
气体放电管主要可用于电讯网络系统的保护防止过压可靠性提高4~20倍断电电压下降30%
如果将场发射平板显示器的阳极萤光屏用金属板取代同时提高加速电压阴极将发出
X射线利用这一功能可制造医用便携式X射线机
6 碳纳米管场效应晶体管【45 47】
以硅材料为基础的集成电路的加工水平以达到130nm同时有报道说90nm技术将开始使用由于纳米材料小于100nm出现小尺寸效应量子尺寸效应表面效应和宏观量子隧道效应
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电子电路进一步缩小将越来越困难金属型碳纳米管作为弹导式导体可通过10/cm的电流密度作为集成电路的导线有潜在应用价值由于单根半导体型碳纳米管制造的碳纳米管场效应晶体管有可能取代硅材料晶体管其研究得到极大重视碳纳米管分子晶体管原型机已研制成功新开发出的单层碳纳米管场效应晶体管采用的是与传统的金属氧化物半导体场效应晶体管”相似的结构用这种办法制造出的碳纳米晶体管与此前设计的碳纳米晶体管相比衡量晶体管电流载流量的跨导参数值创造了新的最高纪录 载流量与晶体管的速度存在着相关性跨导参数值越高意味着晶体管的运行速度越快制成的集成电路功能也更强研究人员新开发出的“单层碳纳米管场效应晶体管”其单位宽度的跨导参数值达到目前性能最好的金属氧化物半导体场效应晶体管的2倍以上
碳纳米管场效应晶体管的研制成功有力地证实了碳纳米管作为硅芯片继承者的可行性尤其是在目前科学家再也无法通过缩小硅芯片的尺寸来提高芯片速度的情况下纳米管的作用将更为突出但碳纳米管场效应晶体管实现商业化生产还有许多路要走
7 碳纳米管传感器和探头【48 49】
由于碳纳米管电子传输和结点处由温差导致的电位差对影响注入电子量的物质很敏感非金属型碳纳米管在化学传感器领域里的潜在应用价值也引起了人们的兴趣其主要优点是碳纳米管传感器尺寸非常小灵敏度极高目前需要解决的主要问题是如何区分混合物中的各种成分并做出迅速响应
碳纳米管探头可用于扫描电镜和原子力显微镜目前已有商业销售碳纳米管探头最大的优点是强度高韧性好使用寿命长由于弯曲应力小对试样损伤小对比常规探头碳纳米管探头电镜可获得更清晰的图像
8 催化剂载体【39】
碳纳米管由于尺寸小比表面积大表面的键态和颗粒内部不同表面原子配位不全等导
致表面的活性位置增加是理想的催化剂载体材料碳纳米管作为催化剂载体材料的研究主要集中在活性组分负载于碳纳米管的方法碳纳米管的电学性能对催化的影响碳纳米管独特的管腔结构对催化的影响碳纳米管的储氢性能对催化的影响等方面
三、结束语
由于碳纳米管具有独特的金属或半导体导电特性、非常好的力学性能、极高的机械强度、吸附能力、场致电子发射性能和宽带电磁波吸收特性等，碳纳米管被发现之后立即受到物理、化学和材料科学界以及高新技术产业部门的极大重视。碳纳米管被认为是一种性能优异的新型功能材料和结构材料，在信息技术、生命科学、环境科学、自动化技术、航空航天技术及能源技术等方面具有广阔的应用前景。可以预见，碳纳米管将在诸多领域形成新的产业，产生重大的经济效益和社会效益。
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