多壁碳纳米管
【概述】
碳纳米管（multi-walled carbon nano-tubes）是由一层碳原子组成的石墨片层以一定的角度卷成无缝、中空的管体。碳纳米管是继 C60之后发现的碳的又一同素异形体，其径向尺寸较小，管的外径一般在几纳米到几十纳米，管的内径更小，有的只有 1nm 左右；而其长度一般在微米级，长度和直径比非常大，可达 103～106。因此，碳纳米管被认为是一种典型的一维纳米材料。碳纳米管自从被人类发现以来，就一直被誉为未来的材料，是近年来国际科学的前沿领域之一。碳纳米管具有十分独特的结构和优异的物理化学性能，在纳米电子器件、复合材料、传感器等诸多领域有着巨大的应用前景。目前，工业化的碳纳米管以CVD方法生长为主，由于其生长温度低，石墨化程度低，导致结构缺陷多，严重制约了它们优异性能的发挥。其他的碳管合成方法或生产成本高，或比较耗时，且产量较低，不能够满足实际应用。因此，探索高质量、低缺陷的碳纳米管的低成本、批量化制备具有非常重要的现实意义[1]。
图1 多壁碳纳米管模拟图
【性质】
碳纳米管的独特结构决定了它具有许多特殊的物理和化学性质。组成碳纳米管的 C=C 共价键是自然界最稳定的化学键，所以使得碳纳米管具有非常优异的力学性能。理论计算表明，碳纳米管具有极高的强度和极大的韧性。其理论值估计杨氏模量可达 5TPa，强度约为钢的 100 倍，而重量密度却只有钢的 1/6。Treacy 等首次利用了 TEM 测量了温度从室温到 800 度变化范围内多壁碳纳米管的均方振幅，从而推导出多壁碳纳米管的平均杨氏模量约为 1.8Tpa。而 Salvetat 等测量了小直径的单壁碳纳米管的杨氏模量，并导出其剪切模量为 1Tpa。Wong 等用原子力显微镜测量多壁碳纳米管的弯曲强度平均值为 14.2±10.8GPa，而碳纤维的弯曲强度却仅有 1GPa。碳纳米管无论是强度还是韧性，都远远优于任何纤维，被认为是未来的“超级纤维”[2]。
图2 单壁（左）/多壁（右）碳纳米管
【应用】
人们预言碳纳米管可能成为一种新型的高强度碳纤维材料，既具有碳素材料的固有本性，又具有金属材料的导电和导热性，陶瓷材料的耐热和耐腐蚀性，纺织纤维的可编织性，以及高分子材料的轻质、易加工性。将碳纳米管作为复合材料增强体，预计可表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性，可以预期碳纳米管增强复合材料可能带来复合材料性能的一次飞跃。用纳米管制作复合材料的研究首先是在金属基上进行的，如：Fe/碳纳米管、Al/碳纳米管、Ni/碳纳米管、Cu/碳纳米管等。近年来，碳纳米管复合材料的研究重心已转到高分子/碳纳米管复合材料方面，如在轻质高强度的材料中，使用碳纤维作为增强材料，碳纳米管的机械性能及其小的直径和大的长径比将会带来更好的增强效果[3]。
【参考文献】
[1] 鞠莉,朱丽瑾,杨军. 多壁碳纳米管致癌性的研究进展[J]. 癌变.畸变.突变, 2014, 卷缺失(3): 239-241.
[2]多壁碳纳米管.中国知网.[引用日期2017.07.20]
[3]多壁碳纳米管.百链数据库词条.[引用日期2017.07.20].