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碳納米管，又名巴基管，于1991年由日本科學家發現，是一種徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級，管子兩端基本上都封口的一維量子材料。與其他納米材料相比，具有更為獨特的結構和奇異的性能，被稱為“納米材料之王”。 碳納米管是除石墨、金剛石、無定形碳和富勒烯之外元素碳的又一變體。在此，碳原子呈六角形排列。該結構相當于卷起的單原子或多原子石墨層，以至于形成具有通常幾納米的直徑和最多幾毫米長度的空心圓柱體。原則上區分為多壁碳納米管和單壁碳納米管，在文獻中通常也縮寫成MWNTs和SWNTs(源自英語：multiwallednanotubes和singlewallednanotubes)。由于范德華力，碳納米管顯示出強烈的聚集成束的傾向，所以在擠出過程中必需通過高剪切力來解開/分散，而不會使其嚴重縮短。 碳納米管具有獨特的的物理化學性能，使它有如下的作用： 1.導電 碳納米管具有一維中空管狀結構，管壁由單層或多層石墨烯片圍成，管徑為納米級，管長為微米級，長徑比巨大，其性質會因石墨烯片的卷曲方式不同而發生變化，體現金屬性或半導體性質。就導電性而言，碳納米管可以是金屬性的，也可以是半導體性的，甚至在同一根碳米管的不同部位，由于結構不同，也會表現出不同的導電性，而且碳納米管的導電性與其直徑和手性有密切關系，碳納米管被認為是--維量7-導體，有研究表明碳納米管的電流運載能力是銅導線的一千倍。 2.超強抗拉 碳納米管具有優越的機械性能：抗拉強度50-200GPa，相當于鋼的100倍，但比重只有鋼的1/6，因而被稱“超級纖維”;硬度與鉆石相當，但柔韌性更強，可拉伸，其最大拉伸率高于任何金屬;它還有很好的柔性、回彈性和抗畸變的能力。被人們認為是有最大強度重量比的纖維和強化相的終極形式 3.導熱 碳納米管具有良好的導熱性，軸向熱導率為2000-3000W/mK，約為銅的10倍，鉆石的3倍。 4.吸附 碳納米管具有超大的比表面積，吸附性能強; 同時具有良好的電磁波吸收等性能。 利用上述性質，碳納米管可廣泛用于用于鋰電池用導電漿料、太陽能電池涂層、高強度結構材料、導電涂料、催化劑載體、場發射材料、電磁屏蔽材料等領域。諾貝爾獎得主R.E.Smalley稱：“納米碳管將是價格便宜，環境友好并為人類創造奇跡的新材料。”。碳納米管主要有如下的應用領域： 一、電子領域應用 用碳納米管制成天線，就可以像接收無線電波的天線一樣接受光波。在接收無線電波的天線中，天線的尺寸相當于入射無線電波波長或其波長的一部分。無線電波可激勵電子成為電流。對無線電波的這種響應、放大和調制，是無線電廣播和電視廣播的基礎，使之可傳輸聲音和影像。對接收可見光納米天線的實際應用，專家認為，納米天線可制成光電視，即將電視信號加到在光纖上傳送的激光束，而在終端，由一系列納米管(每個功能類似于高速二極管)將信號解調，而大大提高電視信號的效率和圖像的品質。這種納米天線可成為高效太陽能轉化器。即入射光被轉化成電荷存儲在電容器中，從而可使太陽能轉化成電能的效率大大提高。 應用于納米電子器件。由于碳納米管壁能被某些化學反應所“溶解”，因此它們可以作為易于處理的模具。只要用金屬灌滿碳納米管，然后把碳層腐蝕掉，即可得到納米尺度的導線。碳納米管不僅可用于制造納米導線的模具，而且還能夠用來制造導線本身。利用碳納米管的電子特性，可用來制作晶體管開頭電路或微型傳感器元件。它還可以做為鋰離子電池的正極和負極，使電池壽命增長，充放電性能好。此外碳納米管被認為是制造新一代平面顯示屏極有希望的材料。 二、復合材料領域 納米管的強度比鋼高100倍，但重量只有鋼的六分之一。它們非常微小，5萬個并排起來才有人的一根頭發那么寬，可以作為高強度碳纖維材料。 另外，碳納米管應用于催化纖維和膜工業。畔梁及其研究組將硫酸工業和石油化工中應用的重要的催化劑氧化釩灌注進或涂覆在碳納米管上，氧化釩有時可以到達納米管管壁的石墨層的間隙中。用氧把碳管氧化掉，就只剩下全部由氧化釩組成的超小型纖維，形狀頗似納米管。這種被制成納米纖維的氧化釩，因其有極高的表面積，催化效果大大加強。除氧化釩外，碳納米管還可作為其他金屬和金屬氧化物催化劑的載體，最大限度地提高催化劑的效率。碳納米管“列陣”制成的取向膜，可被用作場發射器件，也可被制成濾膜，由于膜也為納米級，可對某些分子和病毒進行過濾，從而使超濾膜進入一個嶄新的天地。 三、能源方面 最有代表性的是儲氫材料和超級納米碳纖素電池。 儲氫材料是清華大學碳納米材料研究小組近日發現一種經處理后表現出顯著儲氫性能的碳納米管，它有望成為新的清潔能源--氫能電池的制造材料。該項技術可以應用在燃料電池的制造中，起到持續穩定的氫源的作用。燃料電池是一種不經過燃燒而以電學反應連續把燃料中的化學能直接轉換為電能的發電裝置。其中，質子交換膜燃料電池(PEMFC)以純氫為燃料，具有工作溫度低、輸出功率大、體積小、重量輕、“零排放”的優點，特別適合交通運輸工具使用。 超級納米碳素電池是超級納米碳纖素電池是中美科學家歷時十年時間，投入大量的人力、物力，最新工藝研制的新材料、新技術的最新綠色能源，重量輕，只有鉛酸電池的1/10重量，體積只有一般電池的1/16，能量可大的驚人，每克納米碳纖素電池的表面積比2000M克，每顆納米材料為10~30nm，長度150mm，光、聲、電都產生一般分子級材料難以產生的能量，導電阻接近0，這是一般任何傳統電池無法比擬的。該產品具有快速充電的特性，又有突發功率的特性，重量比能量可在170Wh/kg~230Wh/kg之間，而體積比能量可達500W~1000W/L之間，充放電可達1000次以上，壽命長達10年。而價格僅為鋰電池的一半。它廣泛應用于電動車、潛艇、電力機車等需儲能大、重量輕的電動力機械上。它的推出是超導及儲能科學的一場革命，為更高性能電化學超級電容器的研究開辟了新的途徑。 四、醫療領域及生物工程 在美國加利福尼亞大學萊斯利·威爾遜和齊魯斯·薩費尼亞博士領導下研制成的一種所謂“智能”生物納米管，將來能在人體內運送藥物。科學家認為，將來在生物“容器”內部可以放入藥物，并可以在任何所需地點釋放藥物。研究人員已經進行了一系列實驗，證明新方法可靠有效。不過，科學家目前尚未作出很快就能實際應用“智能”生物納米管的預測。 五、環境保護領域 利用納米級集塵灰微粒的特性，發展新的保濕材料，大幅提升土壤之保水能力，提高綠化成功率與速度，為本項目發展目標。希望借著此一新技術的開發與應用，可以有效解決沙漠化地帶土壤風化和水份流失，造成土壤逐步荒漠化之危機。 結束語： 碳納米管以其特殊的結構，獨特的的物理化學性能(導電，強抗拉，導熱和吸附)，極其廣泛的應用范圍和極具潛力的應用價值，吸引了全世界科學家的關注和研究，并且在這一領域己經取得了若干重要的進展。隨著“工業4.0”及“2025方案”的實施，碳納米管將會在越來越多的領域中產生重大而深刻的影響，并給人類帶來巨大的利益。 參考文獻： （1）韓蜂等，新型材料一碳納米管，江蘇化工，2001, Vol.29,No.4,35-37. （2）播套旭，擴敵火焰合成碳納米管研究，新型炭材料2001,Vol.16,No.3,24-27. （3）孫曉 剛娜，碳納米管的生產及應用，人工晶體學報，2001.V ol.30 ,No .4, 39 8-403 （4）張 文 毓 ，碳納米管及其應用，萬方數據庫。 （5）西北大學化學系化學班 李溟 2005110056。 |
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