碳納米管
發(fā)布時(shí)間: 2020-09-03 16:02
詳情:
碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有許多異常的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能，碳納米管，又名巴基管，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)（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。
碳納米管主要由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管。層與層之間保持固定的距離，約0.34nm，直徑一般為2~20 nm。并且根據(jù)碳六邊形沿軸向的不同取向可以將其分成鋸齒形、扶手椅型和螺旋型三種。其中螺旋型的碳納米管具有手性，而鋸齒形和扶手椅型碳納米管沒有手性。
碳納米管具有良好的力學(xué)性能，CNTs抗拉強(qiáng)度達(dá)到50～200GPa,是鋼的100倍,密度卻只有鋼的1/6，至少比常規(guī)石墨纖維高一個(gè)數(shù)量級，它的彈性模量可達(dá)1TPa，與金剛石的彈性模量相當(dāng)，約為鋼的5倍。
對于具有理想結(jié)構(gòu)的單層壁的碳納米管，其抗拉強(qiáng)度約800GPa。碳納米管的結(jié)構(gòu)雖然與高分子材料的結(jié)構(gòu)相似，但其結(jié)構(gòu)卻比高分子材料穩(wěn)定得多，碳納米管是目前可制備出的具有最高比強(qiáng)度的材料，若將以其他工程材料為基體與碳納米管制成復(fù)合材料, 可使復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度、彈性、抗疲勞性及各向同性，給復(fù)合材料的性能帶來極大的改善，碳納米管的硬度與金剛石相當(dāng)，卻擁有良好的柔韌性，可以拉伸。
在工業(yè)上常用的增強(qiáng)型纖維中，決定強(qiáng)度的一個(gè)關(guān)鍵因素是長徑比，而碳納米管的長徑比一般在1000:1以上，是理想的高強(qiáng)度纖維材料，碳納米管的強(qiáng)度比同體積鋼的強(qiáng)度高100倍，重量卻只有后者的1/6到1/7。碳納米管因而被稱“超級纖維”，莫斯科大學(xué)的研究人員曾將碳納米管置于1011 MPa的水壓下（相當(dāng)于水下10000米深的壓強(qiáng)），由于巨大的壓力，碳納米管被壓扁。撤去壓力后，碳納米管像彈簧一樣立即恢復(fù)了形狀，表現(xiàn)出良好的韌性，此外，碳納米管的熔點(diǎn)是已知材料中最高的。
碳納米管的應(yīng)用領(lǐng)域：
（1）超級電容器：碳納米管用作電雙層電容器電極材料。電雙層電容器既可用作電容器也可以作為一種能量存儲裝置。超級電容器可大電流充放電，幾乎沒有充放電過電壓，循環(huán)壽命可達(dá)上萬次，工作溫度范圍很寬。電雙層電容器在聲頻、視頻設(shè)備、調(diào)諧器、電話機(jī)和傳真機(jī)等通訊設(shè)備及各種家用電器中均可得到廣泛的應(yīng)用。作為電雙層電容器的電極材料，要求該材料結(jié)晶度高、導(dǎo)電性好、比表面積大，微孔大小集中在一定的范圍內(nèi)。而目前一般用多孔炭作電極材料，不但微孔分布寬(對存儲能量有貢獻(xiàn)的孔不到30%)，而且結(jié)晶度低、導(dǎo)電性差，導(dǎo)致容量小。沒有合適的電極材料是限制電雙層電容器在更廣闊范圍內(nèi)使用的一個(gè)重要原因。碳納米管比表面積大、結(jié)晶度高、導(dǎo)電性好，微孔大小可通過合成工藝加以控制，因而是一種理想的電雙層電容器電極材料。由于碳納米管具有開放的多孔結(jié)構(gòu)，并能在與電解質(zhì)的交界面形成雙電層，從而聚集大量電荷，功率密度可達(dá)8000W/kg。其在不同頻率下測得的電容容量分別為102F/g(1Hz) 和49F/g(100Hz)。
（2）催化劑載體：碳納米管材料比表面積大，表面原子比率大(約占總原子數(shù)的50%) ，使體系的電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)明顯改變，表現(xiàn)出特殊的電子效應(yīng)和表面效應(yīng)，如氣體通過碳納米管的擴(kuò)散速度為通過常規(guī)催化劑顆粒的上千倍，負(fù)載催化劑后可極大提高催化劑的活性和選擇性。
（3）儲氫材料：吸附是氣體吸附質(zhì)在固體吸附劑表面發(fā)生的行為其發(fā)生的過程與吸附劑固體表面特征密切相關(guān)。對于納米粒子的吸附機(jī)理，目前普遍認(rèn)為：納米碳管的吸附作用主要是由于納米粒子碳管的表面羥基作用。納米碳管表面存在的羥基能夠和某些陽離子鍵合，從而達(dá)到表觀上對金屬離子或有機(jī)物產(chǎn)生吸附作用。另外，納米碳管粒子具有大的比表面積，也是納米碳管吸附作用的重要原因。
（4）質(zhì)子交換膜(PEM) 燃料電池：碳納米管燃料電池是最具發(fā)展?jié)摿Φ男滦推噭恿υ矗@種燃料電池通過消耗氫產(chǎn)生電力，排出的廢氣為水蒸氣，因此沒有污染。它與鋰離子電池及鎳氫動力電池相比有巨大的優(yōu)越性?？梢杂锰技{米管儲氫材料儲氫后供應(yīng)氫，也可通過分解氣油和其他碳?xì)浠衔锘蛑苯訌目諝庵蝎@取氫給燃料電池提供氫源。
（5）碳納米管在復(fù)合材料中的應(yīng)用：碳納米管除具有一般納米粒子的尺寸效應(yīng)外，還具有力學(xué)強(qiáng)度大、柔韌性好、電導(dǎo)率高等獨(dú)特的性質(zhì)，成為聚合物復(fù)合材料理想的增強(qiáng)體，在化工、機(jī)械、電子、航空、航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。
碳納米管作為一維納米材料，重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有許多異常的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能，碳納米管，又名巴基管，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)（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。
碳納米管主要由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管。層與層之間保持固定的距離，約0.34nm，直徑一般為2~20 nm。并且根據(jù)碳六邊形沿軸向的不同取向可以將其分成鋸齒形、扶手椅型和螺旋型三種。其中螺旋型的碳納米管具有手性，而鋸齒形和扶手椅型碳納米管沒有手性。
碳納米管具有良好的力學(xué)性能，CNTs抗拉強(qiáng)度達(dá)到50～200GPa,是鋼的100倍,密度卻只有鋼的1/6，至少比常規(guī)石墨纖維高一個(gè)數(shù)量級，它的彈性模量可達(dá)1TPa，與金剛石的彈性模量相當(dāng)，約為鋼的5倍。
對于具有理想結(jié)構(gòu)的單層壁的碳納米管，其抗拉強(qiáng)度約800GPa。碳納米管的結(jié)構(gòu)雖然與高分子材料的結(jié)構(gòu)相似，但其結(jié)構(gòu)卻比高分子材料穩(wěn)定得多，碳納米管是目前可制備出的具有最高比強(qiáng)度的材料，若將以其他工程材料為基體與碳納米管制成復(fù)合材料, 可使復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度、彈性、抗疲勞性及各向同性，給復(fù)合材料的性能帶來極大的改善，碳納米管的硬度與金剛石相當(dāng)，卻擁有良好的柔韌性，可以拉伸。
在工業(yè)上常用的增強(qiáng)型纖維中，決定強(qiáng)度的一個(gè)關(guān)鍵因素是長徑比，而碳納米管的長徑比一般在1000:1以上，是理想的高強(qiáng)度纖維材料，碳納米管的強(qiáng)度比同體積鋼的強(qiáng)度高100倍，重量卻只有后者的1/6到1/7。碳納米管因而被稱“超級纖維”，莫斯科大學(xué)的研究人員曾將碳納米管置于1011 MPa的水壓下（相當(dāng)于水下10000米深的壓強(qiáng)），由于巨大的壓力，碳納米管被壓扁。撤去壓力后，碳納米管像彈簧一樣立即恢復(fù)了形狀，表現(xiàn)出良好的韌性，此外，碳納米管的熔點(diǎn)是已知材料中最高的。
碳納米管的應(yīng)用領(lǐng)域：
（1）超級電容器：碳納米管用作電雙層電容器電極材料。電雙層電容器既可用作電容器也可以作為一種能量存儲裝置。超級電容器可大電流充放電，幾乎沒有充放電過電壓，循環(huán)壽命可達(dá)上萬次，工作溫度范圍很寬。電雙層電容器在聲頻、視頻設(shè)備、調(diào)諧器、電話機(jī)和傳真機(jī)等通訊設(shè)備及各種家用電器中均可得到廣泛的應(yīng)用。作為電雙層電容器的電極材料，要求該材料結(jié)晶度高、導(dǎo)電性好、比表面積大，微孔大小集中在一定的范圍內(nèi)。而目前一般用多孔炭作電極材料，不但微孔分布寬(對存儲能量有貢獻(xiàn)的孔不到30%)，而且結(jié)晶度低、導(dǎo)電性差，導(dǎo)致容量小。沒有合適的電極材料是限制電雙層電容器在更廣闊范圍內(nèi)使用的一個(gè)重要原因。碳納米管比表面積大、結(jié)晶度高、導(dǎo)電性好，微孔大小可通過合成工藝加以控制，因而是一種理想的電雙層電容器電極材料。由于碳納米管具有開放的多孔結(jié)構(gòu)，并能在與電解質(zhì)的交界面形成雙電層，從而聚集大量電荷，功率密度可達(dá)8000W/kg。其在不同頻率下測得的電容容量分別為102F/g(1Hz) 和49F/g(100Hz)。
（2）催化劑載體：碳納米管材料比表面積大，表面原子比率大(約占總原子數(shù)的50%) ，使體系的電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)明顯改變，表現(xiàn)出特殊的電子效應(yīng)和表面效應(yīng)，如氣體通過碳納米管的擴(kuò)散速度為通過常規(guī)催化劑顆粒的上千倍，負(fù)載催化劑后可極大提高催化劑的活性和選擇性。
（3）儲氫材料：吸附是氣體吸附質(zhì)在固體吸附劑表面發(fā)生的行為其發(fā)生的過程與吸附劑固體表面特征密切相關(guān)。對于納米粒子的吸附機(jī)理，目前普遍認(rèn)為：納米碳管的吸附作用主要是由于納米粒子碳管的表面羥基作用。納米碳管表面存在的羥基能夠和某些陽離子鍵合，從而達(dá)到表觀上對金屬離子或有機(jī)物產(chǎn)生吸附作用。另外，納米碳管粒子具有大的比表面積，也是納米碳管吸附作用的重要原因。
（4）質(zhì)子交換膜(PEM) 燃料電池：碳納米管燃料電池是最具發(fā)展?jié)摿Φ男滦推噭恿υ矗@種燃料電池通過消耗氫產(chǎn)生電力，排出的廢氣為水蒸氣，因此沒有污染。它與鋰離子電池及鎳氫動力電池相比有巨大的優(yōu)越性?？梢杂锰技{米管儲氫材料儲氫后供應(yīng)氫，也可通過分解氣油和其他碳?xì)浠衔锘蛑苯訌目諝庵蝎@取氫給燃料電池提供氫源。
（5）碳納米管在復(fù)合材料中的應(yīng)用：碳納米管除具有一般納米粒子的尺寸效應(yīng)外，還具有力學(xué)強(qiáng)度大、柔韌性好、電導(dǎo)率高等獨(dú)特的性質(zhì)，成為聚合物復(fù)合材料理想的增強(qiáng)體，在化工、機(jī)械、電子、航空、航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。
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