碳族元素-碳纖維和碳納米

碳族元素——神奇的碳納米管—化二張鵬碳納米管什么是碳納米管？碳納米管，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的一維量子材料。碳納米管主要由呈六邊形排列的碳原子組成的數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管構(gòu)成。層與層之間保持固定的距離，約0.34nm，直徑一般為2～20nm。碳納米管具有許多特殊力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能。在輔助科學(xué)實驗、制造復(fù)合材料等方面應(yīng)用廣泛。碳納米管的分類按石墨烯片的層數(shù)分類單壁碳納米管（Single-wallednanotubes,SWNTs）：單壁管是由單層圓柱型石墨層構(gòu)成，其直徑大小的分布范圍小，缺陷少，具有更高的均勻一致性。多壁碳納米管（Multi-wallednanotubes,MWNTs）：多壁管在開始形成的時候，層與層之間很容易成為陷阱中心而捕獲各種缺陷，因而多壁管的管壁上通常布滿小洞樣的缺陷。碳納米管的分類按結(jié)構(gòu)特征分類扶手椅式納米管，鋸齒形納米管和手型納米管。碳納米管的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)碳納米管的性質(zhì)力學(xué)性質(zhì)電學(xué)性質(zhì)傳熱性質(zhì)抗輻射性質(zhì)碳納米管的性質(zhì)碳納米管的性質(zhì)——力學(xué)性質(zhì)力學(xué)性質(zhì)碳納米管上原子排列的方向常用矢量(n,m)表示由于碳納米管中碳原子采取sp2雜化，相比sp3雜化，sp2雜化中S軌道成分比較大，使碳納米管具有高模量、高強度。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。碳納米管的強度比同體積鋼的強度高100倍，重量卻只有后者的1/6到1/7。碳納米管因而被稱“超級纖維”。莫斯科大學(xué)的研究人員曾將碳納米管置于1011Pa的水壓下，由于巨大的壓力，碳納米管被壓扁。撤去壓力后，碳納米管像彈簧一樣立即恢復(fù)了形狀，表現(xiàn)出良好的韌性。此外，碳納米管的熔點是已知材料中最高的。碳納米管的性質(zhì)——電學(xué)性質(zhì)電學(xué)性質(zhì)碳納米管上原子排列的方向常用矢量(n,m)表示。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)。常用矢量Ch表示碳納米管上原子排列的方向，其中，記為(n,m)。a1和a2分別表示兩個基矢。(n,m)與碳納米管的導(dǎo)電性能密切相關(guān)。對于一個給定(n,m)的納米管，如果有2n+m=3q（q為整數(shù)），則這個方向上表現(xiàn)出金屬性，是良好的導(dǎo)體，否則表現(xiàn)為半導(dǎo)體。對于n=m的方向，碳納米管表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性，電導(dǎo)率通?？蛇_銅的1萬倍。碳納米管的性質(zhì)——傳熱性質(zhì)傳熱性質(zhì)碳納米管具有良好的傳熱性能，CNTs具有非常大的長徑比，因而其沿著長度方向的熱交換性能很高，相對的其垂直方向的熱交換性能較低，通過合適的取向，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)率將會可能得到很大的改善。碳納米管的性質(zhì)——抗輻射性抗輻射性質(zhì)2012年9月美國海軍研究實驗室發(fā)現(xiàn)由單壁碳納米管制作的晶體管（SWCNT）具有在苛刻太空環(huán)境中生存的能力。新的研究顯示由碳納米管制作的晶體管具有極強的抗電離輻射能力，在有電離輻射的情況下其工作性能幾乎不變。以SWCNT為基礎(chǔ)的晶體管所具有的抗暫態(tài)效應(yīng)和累積效應(yīng)能力讓其有潛力在未來幫助太空電子設(shè)備減少冗余和差錯糾正電路，同時保持電子設(shè)備的高保真質(zhì)量。碳納米管的制備常用的碳納米管制備方法主要有：電弧放電法、激光燒蝕法、化學(xué)氣相沉積法（碳氫氣體熱解法），固相熱解法、輝光放電法和氣體燃燒法等。碳納米管的制備——電弧放電法電弧放電法是生產(chǎn)碳納米管的主要方法。

電弧放電法的具體過程是：將石墨電極置于充滿氦氣或氬氣的反應(yīng)容器中，在兩極之間激發(fā)出電弧，此時溫度可以達到4000度左右。在這種條件下，石墨會蒸發(fā)，生成的產(chǎn)物有富勒烯（C60）、無定型碳和單壁或多壁的碳納米管使用這一方法制備碳納米管技術(shù)上比較簡單，但是生成的碳納米管與C60等產(chǎn)物混雜在一起，很難得到純度較高的碳納米管，并且得到的往往都是多層碳納米管，而實際研究中人們往往需要的是單層的碳納米管。此外該方法反應(yīng)消耗能量太大。碳納米管的制備——化學(xué)氣相沉淀法這種方法是讓氣態(tài)烴通過附著有催化劑微粒的模板，在800~1200度的條件下，氣態(tài)烴可以分解生成碳納米管。這種方法突出的優(yōu)點是殘余反應(yīng)物為氣體，可以離開反應(yīng)體系，得到純度比較高的碳納米管，同時溫度亦不需要很高，相對而言節(jié)省了能量。但是制得的碳納米管管徑不整齊，形狀不規(guī)則，并且在制備過程中必須要用到催化劑。碳納米管的應(yīng)用碳納米管主要應(yīng)用于儲存氫氣、制作模具、制造復(fù)合材料、輔助科學(xué)實驗、交通減震、制作電子芯片等作用碳納米管的應(yīng)用——儲存氫氣氫氣被很多人視為未來的清潔能源。但是氫氣本身密度低，壓縮成液體儲存又十分不方便。碳納米管自身重量輕，具有中空的結(jié)構(gòu)，可以作為儲存氫氣的優(yōu)良容器，儲存的氫氣密度甚至比液態(tài)或固態(tài)氫氣的密度還高。適當(dāng)加熱，氫氣就可以慢慢釋放出來。氫（紅色）被吸附在碳納米管（藍色）中利用水作為閥門實現(xiàn)氫在納米管中的有效儲存碳納米管的應(yīng)用——輔助科學(xué)實驗輔助科學(xué)實驗——碳納米管還給物理學(xué)家提供了研究毛細現(xiàn)象機理最細的毛細管，給化學(xué)家提供了進行納米化學(xué)反應(yīng)最細的試管。碳納米管上極小的微?？梢砸鹛技{米管在電流中的擺動頻率發(fā)生變化，利用這一點，1999年，巴西和美國科學(xué)家發(fā)明了精度在10