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纳米材料/工业陶瓷 |
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神奇的纳米碳管 |
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作者：爱尔兰bernd lahr和德国jan sandler |
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中国在世界各国对纳米材料的研究中一直居于前沿，划时代和革命性的纳米技术对于中国来说是新的挑战与机遇。
在20世纪的最后十年，一门崭新的学科—纳米科学技术以其新颖性、独特的思路和首批研究成果的问世，在科学技术界引起巨大的反响，受到了广泛关注。美国IBM公司首席科学家Amotrong说：“正如70年代微电子技术引发了信息革命一样，纳米科学技术将成为下一世纪信息时代的核心。”
纳米材料是具有纳米尺度的粉末、纤维、膜或块体。纳米技术之所以重要，是因为科学实验证实，当金属或非金属等常态物质被加工到极其微细的纳米尺度时，其物理性能和化学性能会发生出乎意料的变化，主要表现在强度、韧性、比热、导电率、扩散率、磁化率，以及对电磁吸收性等发生令人不可思议的变化。因此，利用纳米技术选定原子构成分子，制造出各种具有特异功能的新材料，将这些功能特异的材料添加到产品中，从而使产品表现出意想不到的新功能。现在，纳米材料已经在电子，化工，通信，环保等领域得到广泛应用。
纳米碳管是碳原子组成的圆柱体，其直径从1毫微米到300毫微米不等，是所知道的材料中硬度和强度最大的。此外根据它们的结构和环境，这些材料可作为导体或者半导体。纳米管的一些物理性能是其他宏观材料所不具有的，纳米管比其它普遍应用的碳纤维和玻璃纤维具有更优异的特性。科学家们认为它在高技术领域有着广泛的用途。
结构
纳米碳管为一个立体分子，很象一个原子球。当这种分子在中间被切断，用六角形碳填满，就可能得到最简单的纳米管。
一般地，可以将纳米管分成单壁和多壁类型。尽管一眼看上去它们非常相像，但就制造和特性而言，区别是很大的。
单壁纳米管（SWNT）由一个石墨卷层组成，内含六角形碳；而多壁纳米管（MWNT）由若干同心圆筒组成。SWNT的半径通常在1-3nm之间。它们的长度不能精确确定，因为它们以长度不到30μm的束状出现，而不可能分清某一特定纳米管的起点和终点。MWNT的半径通常在2-50nm之间，其长度一般在0.2-2μm之间。
各种SWNT的不同在于螺旋特性。纳米管的结构决定着它们是具金属性还是半导体性；约三分之二的SWNT是半导体性，三分之一是金属性的。就MWNT而言，因为外形各异，性能重合，不可能做出这种区分；但是，大多数是具有金属性的。
制造工艺
纳米管的三种最常见生产工艺是电弧合成、碳原子的高温分解和石墨的激光蒸发。电弧合成法是利用一个特制发生器，通过改变试验参数就可用来生产纳米管。在惰性气体条件中，将直流电施加在两个石墨电极之间，从而在电极之间产生一个电弧。在这个电弧的作用下，碳原子形成了MWNT，可在阴极沉积物中发现它们。将催化剂（镍、钇）与石墨粉末混合填入阳极钻孔内，就能制得SWNT。
强度性能
MWNT的平均模量为1.8TPa，理论计算已经表明纳米管的弹性模量确实能够超过石墨层的轴向硬度。
与弹性模量相比，纳米管强度的确定要困难得多。实验值在30-50GPa之间，在须状石墨上测得的最高强度约为20GPa，从而确定这些实验值是正确的。除了特别高的张力强度以外，纳米管也没有碳纤维那么脆。当横向轴相对于纵向轴大约只有1％变形时，碳纤维就会断裂，而纳米管直到18％左右的变形时才会断裂。
分散特性与电气特性
因为纳米碳管的机械和物理性能优异，纳米碳管在作为聚合物填充物的用途上开辟了焕然一新的前景。
MWNT的平均长宽比约为1000。当将纳米管渗入聚合物基材中，并保持长宽比不变，纳米管不会折断，这要归功于他们良好的弯曲性。英国剑桥大学材料科学系曾进行研究，催化而成的纳米碳管被分散在环氧树脂中。这证明极底的填充含量下，而不会负面影响断裂韧性。
类似的研究已揭示出，塑料中如含有2-3％的MWNT，它将以1014的数量级来提高导电性，即从10-12增加到102S/m。10-6S/m的导电率满足了抗静电用途要求。
今后的应用领域
象其它所有新型材料一样，纳米碳管的成败有赖于他们在市场中的应用。科学家现在的主要任务是探索这种新材料的实用性。但是由于这种产品很难大量生产，所以使人对它的前途感到难以确定。目前的纳米碳管主要是作为研究性材料，而且象其它研究性材料一样，是以低产量、高成本的方式生产。
尽管纳米管的高成本经常被认为是其应用商业化的绊脚石，其实这只是转移人们注意力的托辞而已。纳米管的成本更象是有限的生产量、未确定的工艺和技术性障碍的结果，在几乎所有的新材料中都有这样的问题。只要纳米管的产量增加，成本降低就会随即而来。
研究性材料的市场相对于商业化应用的市场总是微小的。纳米管可能的商业化应用范围很广，包括复合物、电子、激发器、显示器、显微镜探头、电池、电容器和燃料电池。其中一些用途是相当前卫的，需要很多年后才会结出成果，而其它的用途在未来的五年中就可以实现商业化。
纳米碳管已成功应用在显示器上
美国亚利桑那大学和通用电气公司（GE）已经指出，将纳米碳管混合入纤维复合材料的汽车车身零件中，会增强它们的导电性。
将SWNT混入用于LED（发光二极管）中的有机聚合物中，会改变LED的发光效应和使用寿命。纳米管还成功应用在所谓的场致发射显示器中，去年三星（Samsung）公司向公众展示出了一个模型。纳米管也应用在晶体管上：在这里获得极高的转化率和小得多的尺寸是指日可待的。
纳米碳管复合材料适宜应用在航天技术上
长期应用的纳米管的市值能轻易地超过几十亿美元，但这些应用付诸实际的确切时间却是极有争议的。虽然纳米管已被吹捧为集成线路所用硅的替代品，但在未来五年内它不在可能应用在这种场合。如果纳米管在这种用途中成为硅的替代品，那么很明显它们的价值将一定会极其巨大的。与纳米管的这些长期性应用相比，有些应用已经取得了一些有限的商业性成功，如原子动力显微镜用的探头。纳米管在不到五年的时间内将应用在军事、消费品和工业产品上，在2004年之前市值超过4亿美元,真可谓“点石成金”。
这些是在假设的条件下估计的，即没有纳米管生产技术的突破。如果出现突破，五年内纳米管的应用能超过十亿美元市值。纳米管的长期性应用将达到几十亿美元市值，但是其中有许多要求低成本的纳米管。(end)
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(11/8/2004) |
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