碳納米管及其應用前景

1、5.2 倍受關注的納米材料倍受關注的納米材料 碳納米管碳納米管及其應用前景及其應用前景太空電梯納米造太空電梯納米造 納米分子齒輪納米分子齒輪碳納米管的發(fā)現碳納米管的發(fā)現碳納米管于碳納米管于 1991年由年由 NEC（日本電（日本電氣）筑波研究所的飯島澄男首次發(fā)現。氣）筑波研究所的飯島澄男首次發(fā)現。碳納米管，又稱巴基管碳納米管，又稱巴基管。碳納米管是一種納米尺度的，具有完整碳納米管是一種納米尺度的，具有完整分子結構的新型碳材料。分子結構的新型碳材料。它是由碳原子形成的石墨片卷曲而成的它是由碳原子形成的石墨片卷曲而成的無縫，中空的管體。無縫，中空的管體。碳納米管的顯微形貌碳納米管的顯微形貌單壁納米

2、碳管高分辨單壁納米碳管高分辨掃描電鏡照片掃描電鏡照片 單壁納米碳管的透射電鏡照片，圖中比例尺單壁納米碳管的透射電鏡照片，圖中比例尺長度為長度為30nm。 電子顯微鏡下的納米碳管電子顯微鏡下的納米碳管( (左左) )與納米碳管墻與納米碳管墻 世界研究熱潮美國美國IBM公司科學家宣布，他們用納米碳管制公司科學家宣布，他們用納米碳管制造出了第一批晶體管。這一晶體管領域的技術造出了第一批晶體管。這一晶體管領域的技術突破有可能導致更小更快的芯片出現，并可能突破有可能導致更小更快的芯片出現，并可能使現有的硅芯片技術逐漸被淘汰。使現有的硅芯片技術逐漸被淘汰。日本九州大學通過試驗成功地把碳納米管制作日本九州大

3、學通過試驗成功地把碳納米管制作成環(huán)狀。據認為，這種環(huán)狀碳納米管有新的物成環(huán)狀。據認為，這種環(huán)狀碳納米管有新的物性，值得進一步研究。性，值得進一步研究。中國科學院物理研究所首次制備出世界上最細中國科學院物理研究所首次制備出世界上最細的碳納米管，其內徑僅為的碳納米管，其內徑僅為0.5nm0.5nm，這一結果已，這一結果已十分接近碳納米管的理論極限十分接近碳納米管的理論極限0.4nm0.4nm。 納米尺度“超級纖維”的性能 高硬度，質輕。高硬度，質輕。 單壁碳納米管的楊氏模量和剪切模量都與單壁碳納米管的楊氏模量和剪切模量都與金剛石相當，其強度是鋼的金剛石相當，其強度是鋼的100倍，而密度卻倍，而密度

4、卻只有鋼的六分之一，是一種新型的只有鋼的六分之一，是一種新型的“超級纖維超級纖維”材料。如果人類將來真的有一天能夠制造出太材料。如果人類將來真的有一天能夠制造出太空升降機用作從地球到外層空間站的通道的話，空升降機用作從地球到外層空間站的通道的話，碳納米管纜繩將是唯一不會因為自重而折斷的碳納米管纜繩將是唯一不會因為自重而折斷的材料。材料。 高柔性，高彈性。高柔性，高彈性。 碳納米管同時還具有較好的柔性和良好的碳納米管同時還具有較好的柔性和良好的可彎曲性，它不但可以被彎曲成很小的角度也可彎曲性，它不但可以被彎曲成很小的角度也可以被彎曲成極其微小的環(huán)狀結構，當彎曲應可以被彎曲成極其微小的環(huán)狀結構，當

5、彎曲應力去除后，碳納米管可以從很大的彎曲變形中力去除后，碳納米管可以從很大的彎曲變形中完全恢復到原來的狀態(tài)。完全恢復到原來的狀態(tài)。 除此之外，即使受到了很大的外加應力，除此之外，即使受到了很大的外加應力，碳納米管也不會發(fā)生脆性斷裂。碳納米管也不會發(fā)生脆性斷裂。 場電子發(fā)射性質場電子發(fā)射性質 。 碳納米管的端口極為細小而且非常穩(wěn)定，碳納米管的端口極為細小而且非常穩(wěn)定，十分有利于電子的發(fā)射。它具有的極佳場發(fā)射十分有利于電子的發(fā)射。它具有的極佳場發(fā)射性能將使其有望取代目前使用的其他電子發(fā)射性能將使其有望取代目前使用的其他電子發(fā)射材料，成為下一代平板顯示器的場發(fā)射陰極材材料，成為下一代平板顯示器的場發(fā)

6、射陰極材料。料。 儲氫功能。儲氫功能。 1999年，美國國家再生能源實驗室（年，美國國家再生能源實驗室（National Renewable Energy Laboratory）和）和IBM公司公司首次測試了碳納米管吸附氫氣的能力（貯存氫氣首次測試了碳納米管吸附氫氣的能力（貯存氫氣的能力）、并發(fā)現，碳納米管吸附氫氣的能力隨的能力）、并發(fā)現，碳納米管吸附氫氣的能力隨著管徑的增大而提高。在一個大氣壓和室溫下，著管徑的增大而提高。在一個大氣壓和室溫下，碳納米管的吸氫能力可達到碳納米管的吸氫能力可達到20wt，遠遠超過，遠遠超過了了6.5wt的貯氫技術指標。的貯氫技術指標。 這些研究結果證明，這些研究

7、結果證明，用單壁碳納米管不需高用單壁碳納米管不需高壓就可貯存高密度的氫氣，并由此可望解決氫燃壓就可貯存高密度的氫氣，并由此可望解決氫燃料汽車所要求的能夠工作在室溫下的低氣壓，高料汽車所要求的能夠工作在室溫下的低氣壓，高容量貯氫技術難題。容量貯氫技術難題。 儲氫材料研究背景氫燃料作為汽車燃料節(jié)能環(huán)保。氫氣成本低且效率高，氫燃料作為汽車燃料節(jié)能環(huán)保。氫氣成本低且效率高，在能源日益顯現不足和燃油汽車造成人類生存環(huán)境極大在能源日益顯現不足和燃油汽車造成人類生存環(huán)境極大污染的今天，以氫燃料作為汽車燃料的呼聲不斷出現，污染的今天，以氫燃料作為汽車燃料的呼聲不斷出現，日益高漲。日益高漲。關鍵技術環(huán)節(jié)：一是貯

8、氫技術，二是燃料電池技術。關鍵技術環(huán)節(jié)：一是貯氫技術，二是燃料電池技術。傳統(tǒng)的貯氫方法。傳統(tǒng)的貯氫方法。 一種是采用一種是采用壓縮貯氫壓縮貯氫的方式，用高壓鋼瓶（氫氣瓶）的方式，用高壓鋼瓶（氫氣瓶）來貯存氫氣；鋼瓶貯存氫氣的來貯存氫氣；鋼瓶貯存氫氣的容積很小容積很小，即使加壓到，即使加壓到l50個大氣壓，瓶里所裝氫氣的質量還不到氫氣瓶質量的個大氣壓，瓶里所裝氫氣的質量還不到氫氣瓶質量的1%，而且，而且還有爆炸的危險還有爆炸的危險。 另一種是采用另一種是采用液態(tài)貯氫液態(tài)貯氫的方式，將氣態(tài)氫降溫到的方式，將氣態(tài)氫降溫到-253變?yōu)橐后w進行貯存；氫氣液化的變?yōu)橐后w進行貯存；氫氣液化的費用非常昂貴費用非常昂貴，它幾乎相當于三分之一液氫的成本；而且，液氫的它