碳纳米管的应用

碳纳米管的应用

[摘要]碳纳米管具有独特的结构，优异的性能，和广泛的应用前景。本文分别从碳纳米管的力学性能、电磁性能、场致发射性能、电化学性能等方面阐述了其在相关方面的应用。

[关键词]碳纳米管性能应用

中图分类号：tb44.1 文献标识码：a 文章编号：1009-914x（2013）17-487-01

0引言

自从1991年日本电镜学家lijima发现碳纳米管以来，由于其独特结构和优良的力学、电学、化学等方面性能，受到了众多领域科学家的广泛关注。碳纳米管呈现出了广泛的应用前景，目前对于碳纳米管对应用领域的研究已经取得了一系列的进展。

1碳纳米管力学性能的应用

1.1扫描探针显微镜的探针

碳纳米管具有较高的长径比、纳米尺度的尖端和良好力学性能使其可以作为扫描探针显微镜的探针。碳纳米管作为探针型电子显微镜的探针是其最接近商业化的应用之一。碳纳米管的杨氏模量可达到1tpa，使其不易发生热振动，这对提高原子力显微镜等电子显微镜的分辨率极其有力。并且当碳纳米管在承受较大压力时，不易发生脆性断裂，而是发生弹性形变。因此，当其作为探针时，即使与被测物体的表面发生接触时，也不易被折断。此外，碳纳米管还具有笼状碳网结构，特别是单壁碳纳米管是单层排列的分子结构，可

以进入观察物体不光滑表面的凹坑处，能更好显现被观察物体表面的形貌和状态，有很好的重见性[4]。

因此，对比与传统的si或者si3n4探针，碳纳米管作为探针不仅能避免损坏样品和探针本身，使探针具有更长的寿命，而且可以极大的提高显微镜的分辨率，特别是扩展了原子力显微镜等探针型显微镜在蛋白质，生物大分子结构的观察和表征中的应用。

1.2碳纳米管复合材料

碳纳米管的拉伸强度接近200gpa，弹性模量也高达1tpa，断裂延伸率高达20% ～30%[5]，由于其良好的力学性能，可将其用做复合材料的增强体。

碳纳米管作为金属的增强材料时，可以用来提高金属的强度、硬度、耐摩擦、磨损性能以及热稳定性。张继红等[用淬火工艺处理的制成碳纳米管/球墨铸铁熔覆层的表面硬度比石墨/球墨铸铁高2～3个洛氏硬度，且其硬度随淬火温度的升高而增大。王淼等把碳纳米管作为金属表面复合镀层，获得超强的耐磨性和自润滑性，其耐磨性要比轴承钢高100倍，同时磨蹭系数仅为0.06～0.1，而且该复合镀层还具有高热稳定性和耐腐蚀性等。

碳纳米管作为陶瓷基的增强材料时，在基体增强的同时还起早到了增韧的作用。r.z.ma等采用热压法制备了碳纳米管/纳米碳化硅陶瓷基复合材料的抗弯强度和断裂韧性比同样条件下制备的纳米碳化硅陶瓷提高了10%。

碳纳米管除了具有很好的力学性能外，还具有很好的导电特性以

及电致发光性能，因此可制备多功能性碳纳米管/聚合物复合材料。碳纳米管复合材料充分利用了碳纳米管较好的电导性以及与聚合

物较好的结合，极大地提高了复合材料的电导率和强度。

2碳纳米管电磁性能的应用

2.1纳米电子器件

以硅为基础的微电子器件，在提高集成度和微型化的时候逐步逼近物理极限。为了进一步缩小微电子线路，需要发展分子电子器件。由于碳纳米管特殊的电学性质以及其微小的尺寸，可作为量子导线和构成晶体管。最早y.k.kwon等开始设计碳纳米管为基础的电子器件，接着h.w.postma等成功构建了温室单电子晶体管，

p..g.collins等讨论了碳纳米管及碳纳米管集成电路的工程化问题，使碳纳米管在纳米电子器件应用方面又前进了一步。

2.2微型传感器

碳纳米管具有一定的吸附特性，由于吸附的气体分子与碳纳米管发生相互作用、改变其费米能级而引起其宏观电阻可发生较大的改变，通过检测其电阻变化可检测气体成分，因此单壁纳米管可作为气体分子传感器。j.kong等发现在室温条件下，将半导体单壁纳米管暴露在no2、nh3等气体中时，其电阻在几秒内可以改变三个数量级，通过这种效应可以探测这些气体在某些环境中的含量。这种传感器的灵敏度要远远高于现有室温下的探测器，并且通过加温或者在大气中存放一定时间可使传感器作用恢复。与其他传感器相比，碳纳米管化学传感器具有尺寸小、反应快、高灵敏度和恢复性

强等特点，可在环境监控、化学反应控制、农业、医药等领域广泛应用。

3碳纳米管场致发射性能的应用

3.1场致发射平板显示器

碳纳米管的尖端具有纳米尺度的曲率半径，在相对较低的电压下就能够发射大量的电子，而且还具有极好的化学稳定性和机械强度，是一种优良的场致发射材料[3]。利用碳纳米管作为发射材料的场致发射平板显示器具有分辨率高，工作电压低，功耗小，响应时间短，易于集成化和小型化等优势。2000年韩国三星公司宣布碳纳米管场致发射平板显示器时曾乐观的表示，该公司拥有的这种器件亮度与阴极射线管相同，但能耗只有阴极射线管的1/10。

3.2冷发射阴极射线管

场致发射平板显示器可认为是由许多个微型阴极射线管组成的。如果将这些微型场致发射阴极射线管放大，就可得到冷发射阴极射线管。碳纳米管制作的这种冷发射阴极射线管可用于像素管、光源管等多种真空电子元件。

3.3场发射电子枪

碳纳米管可制作成具有极高亮度而且电子能量分布集中的电子源，heer等用碳纳米管制成的电子枪与传统的相比，不但具有在空气中稳定，易制作的特点，而且具有较低的工作电压和大的发射电流。碳纳米管制作的场发射电子枪在场发射扫描电子显微镜、扫描透射电子显微镜等设备中的应用已进入市场阶段。

4碳纳米管电化学性能的应用

4.1电化学储氢

碳纳米管具有独特的纳米级尺寸、中空结构和更大的比表面积等特点，使其成为最有潜力的储氢材料。成会明等提出一种氢等离子电弧方法，制备出大量高纯度的单壁碳纳米管，可在常温下储存氢气。研究表明这种碳纳米管储氢材料的储氢能力达到4%以上，至少是稀土的2倍，并且在常温下78.3%的储存氢可释放出来，剩余的氢加热后也可释放出来，这种单壁碳纳米管还可以被重复利用[3]。这一研究成果为储氢材料的研究开辟了广阔前景。碳纳米管作为一种极具发展前途的储氢材料，有望推动和促进氢能利用，特别是氢能燃料电池汽车的实现。

4.2超级电容器

超级电容器是一种新型电容器，既具有极大的比电容，又具有高的比功率和长的循环使用寿命。在超级电容器中，电极材料是关键，它决定着电容器的主要性能指标，因此要求电极材料的洁净度高、导电性号、比表面积大，微孔大小集中在一定范围。目前一般用多孔碳材料，金属氧化物和导电聚合物作为电极材料，不但微孔分布宽（对储存能量有贡献的孔不到30%），而且结晶度低，导电性差，导致电容量小[17]。碳纳米管由于其独特的中空结构，良好的导电性，大的比表面积，适合电解质离子迁移的空隙（孔径一般>2nm），以及交互缠绕可形成纳米尺度的网络结构[18]，因而被认为是超级电容器尤其是高功率的超级电容器理想的电极材料。