（中國(guó)粉體技術(shù)網(wǎng)/遠(yuǎn)志）碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有許多異常的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能。近些年隨著碳納米管及納米材料研究的深入其廣闊的應(yīng)用前景也不斷地展現(xiàn)出來(lái)。
一、 碳納米管的性能
1.1力學(xué)性能
不同類型的碳納米管
碳納米管具有良好的力學(xué)性能，碳納米管的硬度與金剛石相當(dāng)，卻擁有良好的柔韌性，可以拉伸。碳納米管的結(jié)構(gòu)雖然與高分子材料的結(jié)構(gòu)相似，但其結(jié)構(gòu)卻比高分子材料穩(wěn)定得多。碳納米管是目前可制備出的具有最高比強(qiáng)度的材料。若將以其他工程材料為基體與碳納米管制成復(fù)合材料，可使復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度、彈性、抗疲勞性及各向同性，給復(fù)合材料的性能帶來(lái)極大的改善。
1.2導(dǎo)電性能
碳納米管制成的透明導(dǎo)電薄膜 碳納米管上碳原子的P電子形成大范圍的離域π鍵，由于共軛效應(yīng)顯著，碳納米管具有一些特殊的電學(xué)性質(zhì)。
碳納米管具有良好的導(dǎo)電性能，由于碳納米管的結(jié)構(gòu)與石墨的片層結(jié)構(gòu)相同，所以具有很好的電學(xué)性能。對(duì)于一個(gè)給定的納米管，在某個(gè)方向上表現(xiàn)出金屬性，是良好的導(dǎo)體，否則表現(xiàn)為半導(dǎo)體。對(duì)于這個(gè)的方向，碳納米管表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性，電導(dǎo)率通?？蛇_(dá)銅的1萬(wàn)倍。
1.3傳熱性能
采用了碳納米管涂層的熱水器內(nèi)膽 碳納米管具有良好的傳熱性能，碳納米管具有非常大的長(zhǎng)徑比，因而其沿著長(zhǎng)度方向的熱交換性能很高，相對(duì)的其垂直方向的熱交換性能較低，通過(guò)合適的取向，碳納米管可以合成高各向異性的熱傳導(dǎo)材料。另外，碳納米管有著較高的熱導(dǎo)率，只要在復(fù)合材料中摻雜微量的碳納米管 ，該復(fù)合材料的熱導(dǎo)率將會(huì)可能得到很大的改善。
二、碳納米管的應(yīng)用
2.1 電子領(lǐng)域
碳納米電子管(CNTS)是一種具有顯著電子、機(jī)械和化學(xué)特性的獨(dú)特材料。其導(dǎo)電能力不同于普通的導(dǎo)體。性能方面的區(qū)別取決于應(yīng)用，也許是優(yōu)點(diǎn)，也許是缺點(diǎn)，也許是機(jī)會(huì)。在一理想納米碳管內(nèi)，電傳導(dǎo)以低溫漂軌道傳播的，如果電子管能無(wú)縫交接，低溫漂是計(jì)算機(jī)芯片的優(yōu)點(diǎn)。諸如電連接等的混亂極大地修改了這—行為。對(duì)十較慢的模擬信號(hào)的處理速度，四周環(huán)繞著平向球分子的碳納米管充當(dāng)傳播者已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。
碳納米管光纖導(dǎo)電性能是銅電纜的4倍
在碳納米管的內(nèi)部可以填充金屬、氧化物等物質(zhì)，這樣碳納米管可以作為模具，首先用金屬等物質(zhì)灌滿碳納米管，再把碳層腐蝕掉，就可以制備出最細(xì)的納米尺度的導(dǎo)線，或者全新的一維材料，在未來(lái)的分子電子學(xué)器件或納米電子學(xué)器件中得到應(yīng)用。有些碳納米管本身還可以作為納米尺度的導(dǎo)線。這樣利用碳納米管或者相關(guān)技術(shù)制備的微型導(dǎo)線可以置于硅芯片上，用來(lái)生產(chǎn)更加復(fù)雜的電路。
2.2信息存儲(chǔ)領(lǐng)域
 信息技術(shù)的進(jìn)步是晶體管不斷縮小的結(jié)果，晶體管主要應(yīng)用于信息收集與處理的各個(gè)方面。信息技術(shù)能力的不斷發(fā)展取決于更加強(qiáng)大的計(jì)算硬件制造業(yè)的不斷進(jìn)步。摩爾定律(集成電路的功能按指數(shù)增長(zhǎng)的規(guī)律) 一直延續(xù)到今天。盡管在這一范圍內(nèi)有潛在的局限性，半導(dǎo)體工業(yè)路標(biāo)ITRs根據(jù)應(yīng)用良好達(dá)40年的大型設(shè)備縮放比例預(yù)見了當(dāng)前摩爾定律可持續(xù)成為2016年的路標(biāo)，那時(shí)器件密度也相應(yīng)地增長(zhǎng)了32倍。達(dá)到和超越這一密度的障礙如下：平版印刷術(shù)、漏電流、電路連接需求和熱問(wèn)題。這些挑戰(zhàn)己激發(fā)了無(wú)數(shù)的科學(xué)研究，這些科學(xué)研究既致力十傳統(tǒng)的有硅系統(tǒng)的問(wèn)題，也想找到突破這些屏障的替代產(chǎn)品。納米技術(shù)引起了人們極大的興趣，多種材料以納米級(jí)的精度應(yīng)用于這一領(lǐng)域。
用分子制作邏輯電路的熱情正空前高漲，碳納米電子管和分子層晶體管的力分離技術(shù)己成功應(yīng)用十實(shí)際制作晶體管甚至簡(jiǎn)單的邏輯電路。在2001年所取得的進(jìn)步被科學(xué)雜志認(rèn)為是達(dá)—年的技術(shù)突破。
碳納米管在制備過(guò)程中大多數(shù)都使用了過(guò)渡金屬粒子作為催化劑，在生長(zhǎng)的過(guò)程中，許多碳納米管的頂部和底部都封有直徑為幾個(gè)納米到幾十個(gè)納米數(shù)量級(jí)的催化劑顆粒。根據(jù)磁學(xué)理論可以知道，這些粒子是單磁疇粒子，可以穩(wěn)定地記錄信息。單根碳納米管在垂直方向上可以存在多個(gè)鐵磁粒子。因此碳納米管將具有實(shí)現(xiàn)新型的大規(guī)模信息存儲(chǔ)的可能性。
2.3儲(chǔ)氫材料領(lǐng)域
氫氣在未來(lái)的能源方面將扮演一個(gè)很重要的角色，它在釋放能量的過(guò)程中不會(huì)引起空氣的污染和導(dǎo)致溫室效應(yīng)，但目前仍然沒有一個(gè)實(shí)用的辦法存儲(chǔ)和運(yùn)輸氫氣，而這對(duì)氫氣能源的實(shí)用化是十分重要的。最近的研究表明，碳納米管非常適合于作為儲(chǔ)氫材料。由于碳納米管具有獨(dú)特的納米級(jí)尺寸和中空結(jié)構(gòu)，具有更大的表面積，相對(duì)于常用的吸附劑活性炭而言，具有更大的氫氣吸附能力。
目前，碳納米管在儲(chǔ)氫方面具有更加明顯的優(yōu)勢(shì)，再加之碳材料的價(jià)格低廉，化學(xué)性能穩(wěn)定，密度比較小，碳納米管儲(chǔ)氫的應(yīng)用前景十分樂觀。目前，碳納米管儲(chǔ)氫應(yīng)用的主要問(wèn)題是進(jìn)一步提高儲(chǔ)氫率，探索碳納米管吸放氫氣條件，研究碳納米管材料的儲(chǔ)氫機(jī)理以及如何在工業(yè)上大量制備碳納米管。通過(guò)制備工藝的改進(jìn)、碳納米管的提純等方式，使得碳納米管的儲(chǔ)氫率進(jìn)一步提高。研究碳納米管吸放氫氣的物理過(guò)程，確定其吸放氫氣的物理?xiàng)l件，才能設(shè)計(jì)出相應(yīng)的儲(chǔ)氣、釋放系統(tǒng)，使得碳納米管在儲(chǔ)藏氫氣方面走向?qū)嵱没?。碳納米管作為一種新型的納米材料，對(duì)原有的氣體吸附理論也提出了新的挑戰(zhàn)，需要使用新的理論來(lái)描述碳納米管儲(chǔ)氫過(guò)程，這些問(wèn)題的解決，都需要進(jìn)一步開展碳納米管儲(chǔ)氫方面的理論研究和實(shí)驗(yàn)研究。
2.4復(fù)合材料領(lǐng)域
由于碳納米管的納米級(jí)尺寸，中空管狀和極高的楊氏模量，它被認(rèn)為是晶須類強(qiáng)化相的終極形式。利用碳納米管的性質(zhì)可以制作出很多性能優(yōu)異的復(fù)合材料。例如，碳納米管材料增強(qiáng)的塑料力學(xué)性能優(yōu)良、導(dǎo)電性好、耐腐蝕、屏蔽無(wú)線電波。使用水泥做基體的碳納米管復(fù)合材料耐沖擊性好、防靜電、耐磨損、穩(wěn)定性高，不易對(duì)環(huán)境造成影響。碳納米管增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料強(qiáng)度高，抗沖擊性能好。碳納米管上由于存在五元環(huán)的缺陷，增強(qiáng)了反應(yīng)活性，在高溫和其他物質(zhì)存在的條件下，碳納米管容易在端面處打開，形成一個(gè)管子，極易被金屬浸潤(rùn)、和金屬形成金屬基復(fù)合材料。這樣的材料強(qiáng)度高、模量高、耐高溫、熱膨脹系數(shù)小、抵抗熱變性能強(qiáng)。
2.5其他領(lǐng)域
碳納米管還給物理學(xué)家提供了研究毛細(xì)現(xiàn)象機(jī)理最細(xì)的毛細(xì)管，給化學(xué)家提供了進(jìn)行納米化學(xué)反應(yīng)最細(xì)的試管。碳納米管上極小的微?？梢砸鹛技{米管在電流中的擺動(dòng)頻率發(fā)生變化，利用這一點(diǎn)，1999年，巴西和美國(guó)科學(xué)家發(fā)明了精度在10-17kg精度的“納米秤”，能夠稱量單個(gè)病毒的質(zhì)量。隨后德國(guó)科學(xué)家研制出能稱量單個(gè)原子的“納米秤”。
碳納米管具有優(yōu)良的場(chǎng)致發(fā)射特性，可以用于制作新型平板顯示器的場(chǎng)發(fā)射極。使用定向排列的碳納米管薄膜作為陰極的場(chǎng)致發(fā)射顯示器具有成本低、工藝簡(jiǎn)單、可靠性高的特點(diǎn)，可以用來(lái)制作點(diǎn)陣式顯示器、數(shù)碼管等各種顯示裝置。
雖然碳納米管的技術(shù)性能非常好，但因成本和其他因素其大規(guī)模推廣仍將會(huì)是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。我國(guó)對(duì)此項(xiàng)研究雖然起步較晚，但發(fā)展很快。目前碳納米化學(xué)方興未艾，內(nèi)容豐富，前景誘人。通過(guò)對(duì)碳納米管的研究，必然帶動(dòng)相應(yīng)學(xué)科的發(fā)展。
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