碳纳米管及其应用新领域

碳纳米管及其应用新领域 摘要：综述了碳纳米管材料独特性能及其应用潜力，详细说明了碳纳米管材料在各种应用领域中的巨大应用前景，包括高强度复合材料、微机械、信息存储、纳米电子器件等。 关键词：碳纳米管的性能，碳纳米管的应用新领域，储氮材料，复合材料，信息存储，碳纳米电子学 前言：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。由于其独特的结构，碳纳米管的研究具有重大的理论意义和潜在的应用价值。 一、碳纳米管的性能 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。 力学性能 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，碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，可以拉伸。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。 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。对于一个给定的纳米管，在某个方向上表现出金属性，是良好的导体，否则表现为半导体。对于这个的方向，碳纳米管表现出良好的导电性，电导率通常可达铜的1万倍。 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。 二、碳纳米管电子学的应用 碳纳米电子管(cNTs)是一种具有显著电子、机械和化学特性的独特材料。其导电能力不同于普通的导体。性能方面的区别取决于应用，也许是优点，也许是缺点，也许是机会。在一理想纳米碳管内，电传导以低温漂轨道传播的，如果电子管能无缝交接，低温漂是计算机芯片的优点。诸如电连接等的混乱极大地修改了这—行为。对十较慢的模拟信号的处理速度，四周环绕着平向球分子的碳纳米管充当传播者已被实验让实。 在后门将有碳的纳米管穿过两根金导线证明了场效应分子晶体管，近来证实逻辑电路的难题遇到了静电掺杂碳纳米管。碳纳米管的掺杂质可使用化学方法来完成。CMOS类型变极器有n型和p型掺杂两种。这项工作用达到10^5的开关比率且具有高增益的晶体管电阻逻辑以实验证明了变极器和或非电路的性能。显然，通过适当地排列碳纳米管晶体管顺序可实现与、或、与非和异或功能。尽管这些成果代表巨大成就，许多问题仍然存在。 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。 三、碳纳米管在信息存储领域的应用 信息技术的进步是晶体管不断缩小的结果，晶体管主要应用于信息收集与处理的各个方面。信息技术能力的不断发展取决于更加强大的计算硬件制造业的不断进步。摩尔定律(集成电路的功能按指数增长的规律) 一直延续到今天。尽管在这一范围内有潜在的局限性，半导体工业路标ITRs根据应用良好达40年的大型设备缩放比例预见了当前摩尔定律可持续成为2016年的路标，那时器件密度也相应地增长了32倍。达到和超越这一密度的障碍如下：平版印刷术、漏电流、电路连接需求和热问题。这些挑战己激发了无数的科学研究，这些科学研究既致力十传统的有硅系统的问题，也想找到突破这些屏障的替代产品。纳米技术引起了人们极大的兴趣，多种材料以纳米级的精度应用于这一领域。 用分子制作逻辑电路的热情正空前高涨，碳纳米电子管和分子层晶体管的力分离技术己成功应用十实际制作晶体管甚至简单的逻辑电路。在2001年所取得的进步被科学杂志认为是达—年的技术突破。 碳纳米管在制备过程中大多数都使用了过渡金属粒子作为催化剂，在生长的过程中，许多碳纳米管的顶部和底部都封有直径为几个纳米到几十个纳米数量级的催化剂颗粒。根据磁学理论可以知道，这些粒子是单磁畴粒子，可以稳定地记录信息。单根碳纳米管在垂直方向上可以存在多个铁磁粒子。因此碳纳米管将具有实现新型的大规模信息存储的可能性。 使用含有铁磁纳米粒子的碳纳米管材料作为三维磁存储器件具有如下的优势：信息存储密度高：相对于传统的磁介质存储和光盘存储装置来说，利用碳纳米管材料的三维磁存储密度更高。纳铁磁粒子的信息存储点径可望达到5~50nm；信息存取速度快：信息存取时间可望达到2~5ns的数量级， 相当于现有计算机上的静态存储器（SRAM）的水平，比任何现有的非易失性存储器都快得多；材料来源广泛：制备碳纳米管所需要的原材料来源相当广泛，制备工艺相对比较简单，流程比较少，成本低廉，非常适合于大规模工业生产。 四、碳纳米管在储氢材料领域的应用 氢气在未来的能源方面将扮演一个很重要的角色，它在释放能量的过程中不会引起空气的污染和导致温室效应，但目前仍然没有一个实用的办法存储和运输氢气，而这对氢气能源的实用化是十分重要的。最近的研究表明，碳纳米管非常适合于作为储氢材料。由于碳纳米管具有独特的纳米级尺寸和中空结构，具有更大的表面积，相对于常用的吸附剂活性炭而言，具有更大的氢气吸附能力。 目前，碳纳米管在储氢方面具有更加明显的优势，再加之碳材料的价格低廉，化学性能稳定，密度比较小，碳纳米管储氢的应用前景十分乐观。目前，碳纳米管储氢应用的主要问题是进一步提高储氢率，探索碳纳米管吸放氢气条件，研究碳纳米管材料的储氢机理以及如何在工业上大量制备碳纳米管。通过制备工艺的改进、碳纳米管的提纯等方式，使得碳纳米管的储氢率进一步提高。研究碳纳米管吸放氢气的物理过程，确定其吸放氢气的物理条件，才能设计出相应的储气、释放系统，使得碳纳米管在储藏氢气方面走向实用化。碳纳米管作为一种新型的纳米材料，对原有的气体吸附理论也提出了新的挑战，需要使用新的理论来描述碳纳米管储氢过程，这些问题的解决，都需要进一步开展碳纳米管储氢方面的理论研究和实验研究。 五、碳纳米管在复合材料领域的应用 由于碳纳米管的纳米级尺寸，中空管状和极高的杨氏模量，它被认为是晶须类强化相的终极形式。 Wagner等人研究了高聚物基体中加入的碳纳米管在拉应力条件下产生裂纹的情况，并与普通碳纤维进行了对比研究，结果证明碳纳米管和基体间应力传递效果至少比普通碳纤维高一个数量级，说明碳纳米管和基体间有着良好的界面。Kuzumaki等人将碳纳米管与C60的复合材料封装于银套中，在室温下进行拔长加工后，对其进行了结构检测和拉伸实验，结果碳纳米管沿着复合棒的长度方向平行分布，测得的应力－应变曲线表明其断裂应力比纯C60样提高了20多倍。将碳纳米管加入功能材料中，有可能改善材料的性能指标。Ebbesen等将碳纳米管加入高温超导材料Bi2212中制成复合材料，发现比未加碳纳米管的基体材料具有更好的超导性能。 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，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。 六、碳纳米管的其他应用 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”。 碳纳米管具有优良的场致发射特性，可以用于制作新型平板显示器的场发射极。使用定向排列的碳纳米管薄膜作为阴极的场致发射显示器具有成本低、工艺简单、可靠性高的特点，可以用来制作点阵式显示器、数码管等各种显示装置。 随着纳米科学和纳米技术的发展，大大的提高对来自生物化学战争和人类疾病的探测和反应。运用纳米器件可以改善卫生保健和提高人类的能力。纳米装置能从人体结构本身的分户组成的运动功能个获得能量，旧且也能够探测出疾病和生物、化学的威胁。这些纳米装置也将能够阻止来自牛物恐怖主义战争和化学战争的威胁。进行涉及纳米装置的材料和话组织之间相客性的问题的重要研究。微流控技术和传感器错误动作也将是重要的研究领域。 七、结语 虽然碳纳米管的技术性能非常好，但因成本和其他因素其大规模推广仍将会是一个长期的过程。目前，在各大学的物理系和像IBM那样的公司都在制造碳纳米管。我国对此项研究虽然起步较晚，但发展很快。目前碳纳米化学方兴未艾，内容丰富，前景诱人。通过对碳纳米管的研究，必然带动相应学科的发展。 参考资料： 《纳米材料和器件》 朱静等编著 清华大学出版社 《微纳米技术的潜在应用前景》 （美）国家科学院科学研究委员会著 机械工业出版社