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碳纳米管的物性与应用二
文件名称: 碳纳米管的物性与应用二
文件大小: 65K
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上传时间: 2013-01-29 22:58:07
更新时间: 2013-01-29 22:58:07
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文件简介
1991 年,碳晶体家族的又一新成员出现了,这就是碳纳米管。日本NEC 公司基础研究实验室的Iijima [ 2 ] 教授在给Nature 杂志的信中宣布合成了一种新的碳结构。
详细介绍

3. 碳纳米管的物理性质

1) 力学性质

碳纳米管的抗拉强度达到50200GPa,是钢的100,密度却只有钢的1/6,至少比常规石墨纤维高一个数量级。它是最强的纤维,在强度与重量之比方面,这种纤维是最理想的。如果用碳纳米管做成绳索,是迄今唯一可从月球挂到地球表面而不会被自身重量拉折的绳索,如果用它做成地球——月球载人电梯,人们来往月球和地球献方便了。用这种轻而柔软、结实的材料做防弹背心那就更加理想了。

除此以外,它的高弹性和弯曲刚性估计可以由超过兆兆帕的杨氏模量的热振幅测量证实。对于具有理想结构的单层壁的碳纳米管,其抗拉强度约800GPa [ 6 ,7 ,8 ] ;对于多层壁,理论计算太复杂,难于给出一确定的值。碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似,但其结构却比高分子材料稳定得多。在大气氧化条件下,碳纳米管在973K的温度下失重很少,结构基本没有发生变化。碳纳米管在酸、碱的长时间浸泡下,结构基本不发生破坏。

人们还预言,碳纳米管只会在非常高的应变(15%—20%)状况才会破坏。在动力学模拟中,它们的行为象“超级细绳”。纳米管能抗扭转力引起的畸变,在许多情况下,纳米管可以在卸载时恢复原来的截面,不象石墨纤维,压缩时易破坏。压缩的纳米管形成波峰状的纽结,卸载后,能弹性地松弛。纳米管的这种特性使其在诸如高强度复合材科的制造中和纺织原料的纺织中具有极大的吸引力。碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。若将碳纳米管与其他工程材料制成复合材料,可对基体起到强化作用。

2) 热学性质

一维管具有非常大的长径比,因而大量热是沿着长度方向传递的,通过合适的取向,这种管子可以合成高各向异性材料。虽然在管轴平行方向的热交换性能很高,但在其垂直方向的热交换性能较低。纳米管的横向尺寸比多数在室温至150oC电介质的品格振动波长大一个量级,这使得弥散的纳米管在散布声子界面的形成中是有效的,同时降低了导热性能。适当排列碳纳米管可得到非常高的各向异性热传导材料。

3) 光学性质

碳纳米管喇曼散射谱的结果表明:主要由(9 ,9) (10 ,10) 单壁碳纳米管构成的束具有许多喇曼活性模,其中频率在1580cm- 1附近的大量振动模与碳纳米管的直径无关,而频率在168cm- 1左右的强振动模与直径密切相关 [ 9 ] 。在喇曼散射光谱中,对于径向呼吸振动峰,峰位与单壁碳纳米管半径的关系为[ 10 ]

ω = A / r 2

式中,ω为径向呼吸振动峰的峰位(cm- 1) , r 为单壁碳纳米管的半径(nm) ,A 为比例参数(cm- 1·nm) 。对于Armchair 型单壁碳纳米管A = 118 ,对于Zigzag 型单壁碳纳米管A = 116。上式表明,径向呼吸振动峰的频率反比于单壁碳纳米管的半径。类似的数学关系式也有报道[ 11 ]

4) 电学性质

碳纳米管的性质与其结构密切相关。由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同,所以具有很好的电学性能。理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。当CNTS的管径大于6mm时,导电性能就下降;当管径小于6mm时,CNTS可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。

碳纳米管具有独特的电学性质,这是由于电子的量子限域所致,电子有效的运动只能在单层石墨片中沿碳纳米管的轴向方向,径向运动受到限制,因此它们的波矢是沿轴向的。计算表明:单壁碳纳米管的电学性质与其手性矢量 有关,当式(1) 中的m n 满足

| m - n | = 3 k   ( k = 0 ,1 ,2 · · ·) 3

,碳纳米管是金属性的,其它类型的单壁碳纳米管是半导体性的 [ 12 ,13 ] 。由于碳纳米管的尖端具有纳米尺度的曲率,是极佳的发射电极。碳纳米管在代替钼针作发射电极时,只有较低的发射电压和较高的发射电流密度。因为碳纳米管在物理性质上具有明显的量子特点,故可能成为下一代微电子和光电子器件的基本单元。

由公式3就其导电性而言,碳纳米管可以是金属性的,也可以是半导体性的,甚至在同一根碳纳米管上的不同部位,由于结构的变化,也可以呈现出不同的导电性。此外,电子在碳纳米管的径向运动受到限制,表现出典型的量子限域效应;而电子在轴向的运动不受任何限制。因此,可以认为碳纳米管是一维量子导线。
  作为典型的一维量子输运材料,金属性的碳纳米管在低温下表现出典型的库仑阻塞效应。当外电子注入碳纳米管这一微小的电容器(其电压变化为ΔV=Q/C,其中Q为注入的电量,C为碳纳米管的电容)时,如果电容足够小,只要注入1个电子就会产生足够高的反向电压使电路阻断。当被注入的电子穿过碳纳米管后,反向阻断电压随之消失,又可以继续注入电子了。

4. 碳纳米管的应用

经过各国科学家十几年的研究,对碳纳米管的物理、化学、导电性能、热学性能、电子学等方面有了较深刻的了解。在基础研究和应用领域都取得了重要进展。碳纳米管应用领域十分广泛,具有巨大的商业价值。其高强度的特性使它可作为超细高强度纤维,也可作为其它纤维、金属、陶瓷等的增强材料。碳纳米管被认为是复合材料强化项的终极形式,在复合材料的制造领域中有十分广阔的应用前景。其独特的导电性(1/ 3 数量的单层碳纳米管可看成这种一维金属;另一类为半导体2/ 3 数量的碳管则可看成一维半导体) 使碳纳米管可用于大规模集成电路,超导线材。也可用于电池电极和半导体器件。此外,碳纳米管是很好的储氢材料,可用作氢燃料汽车的燃料“储存箱”。

1) 碳纳米管复合材料 [ 14 ,15 ]

1) 导电塑料(聚脂) 。将碳纳米管均匀地扩散到塑料中,可获得强度更高并具有导电性能的塑料。可用于静电喷涂和静电消除材料,目前高档汽车的塑料零件由于采用了这种材料,可用普通塑料取代原用的工程塑料,简化制造工艺,降低了成本,并获得形状更复杂、强度更高、表面更美观的塑料零部件。是静电喷涂塑料(聚脂) 的发展方向。同时由于碳纳米管复合材料具有良好的导电性能,不会象绝缘塑料产生静电堆积,因此是用于静电消除、晶片加工、磁盘制造及洁净空间等领域的理想材料。碳纳米管还有静电屏蔽功能,由于电子设备外壳可消除外部静电对设备的干扰,保证电子设备正常工作。

2 电磁干扰屏蔽材料及隐形材料。由于特殊的结构和介电性质,碳纳米管表现出较强的宽带微波吸收性能,它同时还具有重量轻、导电性可调变、高温抗氧化性能强和稳定性好等特点,是一种有前途的理想的微波吸收剂,可用于隐形材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料。碳纳米管将用于制造具有电磁干扰屏蔽功能及吸收电磁波功能的隐形材料。碳纳米管对红外和电磁波有隐身作用的主要原因有两点:一方面纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长,因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多,这就大大减少波的反射率,使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱,从而达到隐身的作用;另一方面,纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大34 个数量级,对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多,这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低,因此很难发现被探测目标,起到了隐身作用。由于发射到该材料表面的电磁波被吸收,不产生反射,因此而达到隐形效果。

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