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纳米碳管研究进展及其应用
摘要：纳米碳管的发现是碳团簇领域的又一重大科研成果，本文探讨了碳纳米管的结构、特性、制备、应用、进展研究、前景等。 关键词：新型碳材料，纳米碳管，性质，应用 1．纳米碳管发展背景
碳元素广泛存在于茫茫苍穹的宇宙间和浩瀚无垠的地球上,碳是地球上构成化合物种类最多的元素之一，是一切生物有机体的骨架元素，也可以说没有碳元素就没有生命。碳材料具有比重小、耐热、耐腐蚀、耐热冲击、导电、传热性好、高温强度、自润滑性、生体相容性等一系列其它材料所没有的综合特性,被认为是面向21世纪的极有发展前途的新材料。特别是随着新型碳材料的不断开发和发现，使碳材料研究在全球材料科学界、物理界和化学界受到了广泛关注。碳材料由于其结构的多样性，导致其性能的多样化，在环保，能源，制造业，国防等领域得到了广泛的应用。
纳米碳管（如图一）就是其中一种新型碳材料，也是纳米材料，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料。
图一：纳米碳管示意图
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2．纳米碳管的分类
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-walled nanotubes, SWNTs）和多壁碳纳米管（Multi-walled nanotubes, 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。 3．纳米碳管的结构
图二
纳米碳管中的碳原子以sp2杂化，但是由于存在一定曲率所以其中也有一小部分碳属sp3杂化，（如图二）。在不考虑手性的情况下， 单壁纳米碳管可以由两个参量完全确定（直径和螺旋角或两个表示石墨烯的指数（n,m）或者螺旋向量Cn和垂直向量T〕。
图三
理想纳米碳管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体。石墨烯的片层一般可以从一层到上百层，含有一层石墨烯片层的称为单壁纳米碳管，多于一层的则称为多壁纳米碳管（如图三）。单壁纳米碳管的直径一般为1－6nm，
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最小直径大约为0.5nm，与C36分子的直径相当, 但单壁纳米碳管的直径大于6nm以后特别不稳定，会发生单壁纳米碳管管的塌陷，长度则可达几百纳米到几个微米。因为单壁纳米碳管的最小直径与富勒烯分子类似，故也有人称其为巴基管或富勒管。 多壁纳米碳管的层间距约为0.34纳米，直径在几个纳米到几十纳米，长度一般在微米量级，最长者可达数毫米。由于纳米碳管具有较大的长径比，所以可以把其看成为准一维纳米材料。 4. 纳米碳管的性质 4．1.电学性质
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。 4．2．力学性能
墨烯平面中碳碳键是自然界中已知的最强的化学键之一，石墨中C11的弹性常数达1060GPa。纳米碳管的结构是比较完整的石墨烯网格，而且由于缺陷很少， 单壁纳米碳管的强度应该接近于碳碳键强度。理论计算表明单壁纳米碳管的杨氏模量与其直径以及螺旋角无关，杨氏模量和剪切模量与金刚石相当，强度可以达到1.0TPa以上。其强度大约为钢的100倍，而密度却只有钢的1/6。所以纳米碳管具有优异的力学性能。 4．3．热学性能
一维管具有非常大的长径比，因而大量热是沿着长度方向传递的，通过合适的取向，这种管子可以合成高各向异性材料。虽然在管轴平行方向的热交换性能很高，但在其垂直方向的热交换性能较低。纳米管的横向尺寸比多数在室温至150℃电介质的品格振动波长大一个量级，这使得弥散的纳米管在散布声子界面
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的形成中是有效的，同时降低了导热性能。适当排列碳纳米管可得到非常高的各向异性热传导材料。 5．纳米碳管的制备
纳米碳管主要制备法方法有电弧法，激光蒸发法，化学气相淀积法，固相热解法、辉光放电法和气体燃烧法等以及聚合反应合成法。电弧放电法（如图四）是生产碳纳米管的主要方法。电弧法与Wolfgang-Kratschmer法制备富勒烯类似，在惰性气体气氛中，两根石墨电极直流放电，阴极上产生纳米碳管。使用这一方法制备碳纳米管技术上比较简单，但是生成的碳纳米管与C60等产物混杂在一起，很难得到纯度较高的碳纳米管，并且得到的往往都是多层碳纳米管，而实际研究中人们往往需要的是单层的碳纳米管。此外该方法反应消耗能量太大。激光刻蚀法采用激光刻蚀高温炉中的石墨靶子，纳米碳管就存在于惰性气体夹带的石墨蒸发产物中。近年来发展出了化学气相淀积法，或称为碳氢气体热解法，在一定程度上克服了电弧放电法的缺陷。这种方法是让气态烃通过附着有催化剂微粒的模板，在800~1200度的条件下气态烃可以分解生成碳纳米管。这种方法突出的优点是残余反应物为气体，可以离开反应体系，得到纯度比较高的碳纳米管，同时温度亦不需要很高，相对而言节省了能量。但是制得的碳纳米管管径不整齐，形状不规则，并且在制备过程中必须要用到催化剂。
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