碳纳米管是一种奇异分子,它是使用一种特殊的化学气相方法,使碳原子形成长链来生长出的超细管子,细到5万根并排起来才有一根头发丝宽.这种又长又细的分子,人们给它取个计量单位“纳米”（百万分之一毫米）的名字,叫“纳米管”.尽管碳纳米管的理论上可长到几公里而不断,但人们已用多种方法制备的碳纳米管,最长也只有一二百微米.我国科学家另辟蹊径,创造性的制出了3毫米长的碳纳米管,把长度增加了上万倍.
碳纳米管有着不可思议的强度与韧性,重量却极轻,导电性极强,兼有金属和半导体的性能；把纳米管组合起来,比同体积的钢强度高100倍 ,重量却只有1/6.
一次,莫斯科大学的研究人员为了弄清纳米管的受压强度,将少量纳米管置于29Kpa的水压下（相当于水下18000千米深的压力）做实验.不料,未加到预定压力的1/3,纳米管就被压扁了.他们马上卸去压力,它却像弹簧一样立即恢复了原来形状.于是,科学家得到启发,发明了用碳纳米管制成像纸一样薄的弹簧,用作汽车或火车的减震装置,可大大减轻车辆的重量.
碳纳米管
在1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家Iijima在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时,意外发现[3]了由管状的同轴纳米管组成的碳分子,这就是现在被称作的“Carbon nanotube”,即碳纳米管.碳纳米管具有典型的层状中空结构特征,构成碳纳米管的层片之间存在一定的夹角碳纳米管的管身是准圆管结构,并且大多数由五边形截面所组成.管身由六边形碳环微结构单元组成,端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构,或者称为多边锥形多壁结构.
碳纳米管按照石墨烯片的层数分类可分为：单壁碳纳米管（Single-walled nanotubes,SWNTs）和多壁碳纳米管（Multi-walled nanotubes,MWNTs）,多壁管在开始形成的时候,层与层之间很容易成为陷阱中心而捕获各种缺陷,因而多壁管的管壁上通常布满小洞样的缺陷.与多壁管相比,单壁管是由单层圆柱型石墨层构成,其直径大小的分布范围小,缺陷少,具有更高的均匀一致性.
碳纳米管的制备方法主要有电弧法、激光蒸发法、化学气相沉积法等几种.
碳纳米管的特性
碳纳米管作为一维纳米材料,重量轻,六边形结构连接完美,具有许多异常的力学、电学和化学性能.近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来.
碳纳米管具有良好的力学性能
CNTs抗拉强度达到50～200GPa,是钢的100倍,密度却只有钢的1/6,至少比常规石墨纤维高一个数量级；它的弹性模量可达1TPa,与金刚石的弹性模量相当,约为钢的5倍.对于具有理想结构的单层壁的碳纳米管,其抗拉强度约800GPa.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.碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料.若将以其他工程材料为基体与碳纳米管制成复合材料,可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性,给复合材料的性能带来极大的改善.
碳纳米管具有良好的导电性能
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6nm时,导电性能下降；当管径小于6nm时,CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线.有报道说Huang通过计算认为直径为0.7nm的碳纳米管具有超导性,尽管其超导转变温度只有1.5×10-4K,但是预示着碳纳米管在超导领域的应用前景.
碳纳米管具有良好的传热性能
CNTs具有非常大的长径比,因而其沿着长度方向的热交换性能很高,相对的其垂直方向的热交换性能较低,通过合适的取向,碳纳米管可以合成高各向异性的热传导材料.另外,碳纳米管有着较高的热导率,只要在复合材料中掺杂微量的碳纳米管 ,该复合材料的热导率将会可能得到很大的改善.
碳纳米管还具有光学和储氢等其他良好的性能,正是这些优良的性质使得碳纳米管被认为是理想的聚合物复合材料的增强材料.
制备碳纳米管的方法
制备碳纳米管的方法,是指含有至少一种的VIII族金属与至少一种的Sn、V、Pb 金属的复合金属催化剂粒子与含碳的气体在足以催化生长碳纳米管的温度下接触.其中VIII 金属为Co、Fe、Ni、Ru、Rh、Pd、Ir、Pt.金属催化剂粒子可以担载在载体上.
