多壁碳纳米管

碳的同素异形体

碳纳米管是继 C60之后发现的碳的又一同素异形体，其径向尺寸较小，管的外径一般在几纳米到几十纳米，管的内径更小，有的只有 1nm 左右；而其长度一般在微米级，长度和直径比非常大，可达 103～106。因此，碳纳米管被认为是一种典型的一维纳米材料。碳纳米管自从被人类发现以来，就一直被誉为未来的材料，是近年来国际科学的前沿领域之一。美国加州 Berkeley 大学 Alex Zettl 教授认为，就应用前景对 C60和碳纳米管进行全面的比较，C60可以用一页纸概括，而碳纳米管需要一本书来完成。

简介

1985 年英国萨塞克斯大学的波谱学家 Kroto 教授与美国莱斯大学的 Smalley和 Curl 两教授在合作研究中，发现碳元素可以形成由 60 个或 70 个碳原子构成的高度对称性笼状结构的 C60和 C70分子，被称为巴基球（Buckyballs）。1991 年，日本 NEC 科学家 Iijima 在制取 C60的阴极结疤中首次采用高分辨隧道电子显微镜发现一种外径为 515nm、内径为 213nm，仅由两层同轴类石墨圆柱面叠而成的碳纳米管。随后在 1993 年，Iijima和 Bethune研究小组同时报道合成了结构十分简单的单壁碳纳米管，这为理论预测碳纳米管的性能提供了实验上的可能性，进一步拓宽了碳簇材料的范围，也极大地促进了对碳纳米管的理论和实验研究，使得该领域成为如今全球研究的一个热点。

特性

碳纳米管的独特结构决定了它具有许多特殊的物理和化学性质。组成碳纳米管的 C=C 共价键是自然界最稳定的化学键，所以使得碳纳米管具有非常优异的力学性能。理论计算表明，碳纳米管具有极高的强度和极大的韧性。其理论值估计杨氏模量可达 5TPa，强度约为钢的 100 倍，而重量密度却只有钢的 1/6。Treacy 等首次利用了 TEM 测量了温度从室温到 800 度变化范围内多壁碳纳米管的均方振幅，从而推导出多壁碳纳米管的平均杨氏模量约为 1.8Tpa。而 Salvetat 等测量了小直径的单壁碳纳米管的杨氏模量，并导出其剪切模量为 1Tpa。Wong 等用原子力显微镜测量多壁碳纳米管的弯曲强度平均值为 14.2±10.8GPa，而碳纤维的弯曲强度却仅有 1GPa。碳纳米管无论是强度还是韧性，都远远优于任何纤维，被认为是未来的“超级纤维”。

发展前景

人们预言碳纳米管可能成为一种新型的高强度碳纤维材料，既具有碳素材料的固有本性，又具有金属材料的导电和导热性，陶瓷材料的耐热和耐腐蚀性，纺织纤维的可编织性，以及高分子材料的轻质、易加工性。将碳纳米管作为复合材料增强体，预计可表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性，可以预期碳纳米管增强复合材料可能带来复合材料性能的一次飞跃。用纳米管制作复合材料的研究首先是在金属基上进行的，如：Fe/碳纳米管、Al/碳纳米管、Ni/碳纳米管、Cu/碳纳米管等。碳纳米管复合材料的研究重心已转到高分子/碳纳米管复合材料方面，如在轻质高强度的材料中，使用碳纤维作为增强材料，碳纳米管的机械性能及其小的直径和大的长径比将会带来更好的增强效果。

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