碳纳米管应用前景

碳纳米管的应用前景工程技术中心江平2012-2-28目录

碳纳米管简介一碳纳米管性能二碳纳米管的应用前景三碳纳米管在家电行业的应用前景三碳纳米管简介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。是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口）的一维量子材料。它主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，约为0.34nm，直径一般为2～20nm。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-wallednanotubes,SWNTs）和多壁碳纳米管（Multi-wallednanotubes,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。碳纳米管依其结构特征可以分为三种类型：扶手椅式纳米管，锯齿形纳米管和手型纳米管。力学性能

碳纳米管性能由于碳纳米管中碳原子采取SP2杂化，相比SP3杂化，SP2杂化中S轨道成分比较大，使碳纳米管具有高模量、高强度。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。导电性能碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域π键，由于共轭效应显著，碳纳米管具有一些特殊的电学性质。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。传热性能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。其他性能碳纳米管还具有光学和储氢等其他良好的性能。碳纳米管的应用前景1.储能氢气被很多人视为未来的清洁能源。但是氢气本身密度低，压缩成液体储存又十分不方便。碳纳米管自身重量轻，具有中空的结构，可以作为储存氢气的优良容器，储存的氢气密度甚至比液态或固态氢气的密度还高。适当加热，氢气就可以慢慢释放出来。研究人员正在试图用碳纳米管制作轻便的可携带式的储氢容器。2.导线在碳纳米管的内部可以填充金属、氧化物等物质，这样碳纳米管可以作为模具，首先用金属等物质灌满碳纳米管，再把碳层腐蚀掉，就可以制备出最细的纳米尺度的导线，或者全新的一维材料，在未来的分子电子学器件或纳米电子学器件中得到应用。有些碳纳米管本身还可以作为纳米尺度的导线。这样利用碳纳米管或者相关技术制备的微型导线可以置于硅芯片上，用来生产更加复杂的电路。3.复合材料：利用碳纳米管的性质可以制作出很多性能优异的复合材料。例如用碳纳米管材料增强的塑料力学性能优良、导电性好、耐腐蚀、屏蔽无线电波。使用水泥做基体的碳纳米管复合材料耐冲击性好、防静电、耐磨损、稳定性高，不易对环境造成影响。碳纳米管增强陶瓷复合材料强度高，抗冲击性能好。碳纳米管上由于存在五元环的缺陷，增强了反应活性，在高温和其他物质存在的条件下，碳纳米管容易在端面处打开，形成一个管子，极易被金属浸润、和金属形成金属基复合材料。这样的材料强度高、模量高、耐高温、热膨胀系数小、抵抗热变性能强。4.纳米器件碳纳米管还给物理学家提供了研究毛细现象机理最细的毛细管，给化学家提供了进行纳米化学反应最细的试管。碳纳米管上极小的微粒可以引起碳纳米管在电流中的摆动频率发生变化，利用这一点，1999年，巴西和美国科学家发明了精度在10-17kg精度的“纳米秤”，能够称量单个病毒的质量。随后德国科学家研制出能称量单个原子的“纳米秤”。碳纳米管在家电行业的应用前景柱状结构阵列碳纳米管膜是在仿生（仿荷叶）紧密排列碳纳米管膜的基础上制备的新一代超疏水材料。水在紧密排列碳纳米管膜（A）及柱状阵列碳纳米管膜(B)的静态接触角及滚动角这两种表面上的静态接触角值都很大，表现为超疏水的性质；而柱状结构的阵列碳纳米管膜的滚动角小于3°，水滴在膜上很容易滚动。碳纳米管膜的形貌及结构用扫描电子显微镜和透射电子显微镜表征。用X射线光电子能谱研究碳纳米管膜的化学成分。用光学接触角测量仪在室温下测量膜的接触角及滚动角，测量滚动角时，水滴的直径约为1.7mm。

扫描电子显微镜观察到柱状阵列碳纳米管的表面形貌。大面积柱状阵列碳纳米管膜的碳纳米管呈束状堆积，每束碳管的直径为3～6μm，碳纳米管束间的距离为2～35μm。由柱状阵列碳纳米管膜的侧面图可见，碳纳米管垂直于底面，碳纳米管束的高度为16μm。单个碳纳米管束的侧面放大图显示，碳纳米管紧密排列形成束状，底部疏松，稍宽大，顶部紧密。用透射电子显微镜观察碳纳米管的微观结构发现，碳纳米管为空心多壁管状结构，碳管的直径为30～55nm。XPS（X射线光电子能谱）分析证明，阵列碳纳米管主要由碳元素组成，碳纳米管膜的C1s峰的结合能约284.6eV。1.纳米超疏水材料在空调上的应用

我们都知道，空调在夏天制冷时，室内机换热器上会有大量的冷凝水，需要专门的排水管排出室外，这样会消耗一定能量，还容易出现管路漏水现象，造成一定不便。同样，冬天空调制热时，室外温度过低，容易导致换热器结霜，空调不得不经常停止工作来除霜。这样不仅浪费电能，还容易出现各种故障。但如果将换热器的表面用超疏水材料处理过以后，就不会出现这种现象了。

空调的换热器表面经过超疏水材料处理以后，在纳米超疏水材料的作用下，冷凝水只能以微小的水滴（100μm左右）形式凝聚在换热器上面，经过空调室内（室外）风机的送风，水滴将以水雾的形式被吹散到大气中。

由此使用这种换热器的空调没有冷凝水的产生，也不会结霜。可以有效的保持空调的高效运行，同时不会将室内的水分排到室外，可以保持室内的湿度，提高舒适感，更有利于人体的健康。2.纳米超疏水材料在冰箱（冷柜）上的应用

冰箱也是必备的家用电器，冰箱（冷柜）内胆表面凝聚冷凝水、结霜、结冰现象一直是困扰我们的问题；内胆上如果结冰、结霜会降低冰箱导热率，耗费电能，也不利于冰箱的制冷，影响食物的保存。为此我们要通过定时关机开门以除冰除霜。但如果采用超疏水内胆，或者在内胆上采用特殊工艺附上一层纳米超疏水材料，小水滴就会滑落下来，不会在内胆上沉积，也不会出现冰层。3.纳米超疏水材料在卫星天线等户外设备上的应用

在我国冬天，尤其是寒冷的北方地区经常下雪，有