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“超级纤维” - 碳纳米管应用广
作者:霍燃辉
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纳米材料/工业陶瓷展厅
空心微珠, 金刚石微粉, 纳米金, 纳米铂金, 纳米铜, ...
超级纤维-碳纳米管问世

自1991年日本NEC公司的饭岛纯雄(Sumio Iijima)利用电子显微镜首次发现碳纳米管以来,碳纳米管凭借独特的电子结构及物理化学性能获得广泛关注,被认为是具有重要理论研究和应用价值的“明星”材料,被称为“超级纤维”。

碳纳米管是富勒碳(C60为代表)家族的一个重要成员,是晶形碳(石墨、金刚石)的一种同素异形体,具体结构为石墨烯片层卷成的无缝、中空管体,两端是富勒烯半球。按照石墨烯片的层数可分为单壁和多壁碳纳米管两种类型。

单壁碳纳米管(SWNT)由一层石墨烯片层组成,直径一般为1-6nm,最小可达到0.5nm,与富勒烯分子类似,而长度可达到几百纳米或几个微米,被称为巴基管或富勒管,是完美的一维纳米材料。

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单壁碳纳米管(SWNT)

多壁碳纳米管(MWNTs)由两层或两层以上的石墨烯片层组成的同心圆柱结构,可看作由多个不同直径的单壁碳纳米管同轴套构而成。多壁碳纳米管的直径在几纳米到几十纳米之间,长度一般在微米量级,最长可达数毫米,同单壁碳纳米管一样,也具有较大的长径比,长径比大于1000,可看作准一维纳米材料。

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多壁碳纳米管(MWNTs)

独特的优异性能

力学性能

碳纳米管具有极高的力学强度,弹性模量可达1TPa,与金刚石几乎相同,约为钢丝和蜘蛛丝的5倍。其理论抗拉强度为50-200GP,是钢的100倍,而密度仅为钢的1/6,优于其他任何纤维材料,是目前可制备的最高比强度材料。碳纳米管非常适合与其他工程材料混合制备高性能的复合材料,提高其强度、弹性和抗疲劳性。

导电导热性

碳纳米管的结构与石墨片层结构相同,具有各向异性的导电导热性。碳纳米管的导电导热性沿着长度方向非常好,导电率是铜的1万倍,但在径向的导电导热性较低。如果在复合材料中得到合适的排列取向,就可以得到各向异性的导电导热材料,这样为人们制备特殊要求导电导热产品提供极大的设计自由度。

吸附性

碳纳米管的中空结构,以及较石墨略大的层间距,使其具有极大的比表面积,并且结构上有大量微孔。这种结构非常适合作为储氢材料和催化剂载体。作为储氢材料,可获得较大的储氢量;作为催化剂的载体和反应介质,可望提高反应活性和选择性。

广阔的应用领域

碳纳米管由于具有优异的性能特点,使其在很多领域有着广阔的应用前景,如复合材料、能源、电子学、医学等领域、军事等,下面是目前研究较多的几个领域。

复合材料

碳纳米管由于具有优异的性能,如导电导热性、耐高温性、耐腐蚀性、柔软可编性和易加工性,可用于金属、陶瓷或高分子材料等基体的功能性或结构性填充材料。目前研究进展比较好的是碳纳米管/聚合物基复合材料。

碳纳米管与金属复合不理想

碳纳米管不仅具有跟金属相似的性质,而且轻质高强、耐高温氧化,不易与金属反应。人们开始考虑能否将碳纳米管均匀分散于金属中,制备高性能的金属基碳纳米管复合材料。

例如,在铜基中添加单壁碳纳米管,提高了耐磨性,但降低了力学强度。存在的主要问题是:碳纳米管尺寸较大,无法进入晶粒内部;碳纳米管与金属之间无法形成理想的结合界面;纳米尺寸的碳纳米管比表面积大,表面能高,易团聚,且密度远低于金属,易出现偏析,分散性不好。

为了解决这些问题,科学家试图用浓硝酸、浓硫酸、混合酸以及其他强氧化剂等氧化纯化碳纳米管,使其侧面和端面带上羟基和羧基等活性基团或者在碳纳米管表面镀Cu、Ni、Ag和Co等措施来改善碳纳米管的分散性及与金属基体的界面结合效果,但这些措施都没有达到预期的效果。

与聚合物复合较顺利 当前研发重点

碳纳米管增强聚合物基复合材料是目前研究进展比较顺利的,已成为碳纳米管复合材料研究领域的重点。

碳纳米管因为有与高分子材料(环氧树脂、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙炔、尼龙和聚氨酯等)相似的结构,混合时容易形成理想的界面结合力,得到性能提高的复合材料,表现出极好的强度、耐磨性、导电性、抗静电性等聚合物本身不具有的性能。例如:

‧孙艳妮等人将酸化处理后的碳纳米管与高密度聚乙烯(HDPE)复合,釆用机械共混法制备了定向碳纳米管/高密度聚乙烯复合材料,提高了复合材料的屈服强度和拉伸模量。

‧夏军宝等人制备的碳纳米管/聚四氟乙烯基复合材料,摩擦系数降低,耐磨性能提高。

‧拜耳材料科技公司用碳纳米管增强聚氨酯复合材料,强度/重量比超过50%,制造更大、更强、更轻风力发电机叶片,使风力发电机的发电量达到1.5MW以上。

‧Musa的聚(3-octylthiophene)/碳纳米管复合材料,电导率提高了5个数量级。

‧Harry在聚苯乙烯-异戊二烯中添加8.5wt%的单壁碳纳米管,电阻率下降了10个数量级。

值得一提的是,聚合物基碳纳米管复合材料制备的电子设备外壳具有一定的导电性,可消除外部静电对电子设备的干扰,如防静电薄膜包装材料、电子元件、计算机和移动电话防电磁干扰的屏蔽层等。

挪威Re-Turn AS研究公司汲取了已经商业化应用的船舶用碳纳米管增强涂料的成功经验,釆用一种经拜耳材料科技公司的碳纳米管产品Baytubes改性的环氧胶衣涂层制造皮划艇外壳。

碳纳米管不仅提高皮划艇外壳耐磨性,避免船体出现裂缝,帮助减少因经常碰撞岸边而造成的损坏、而且吸收紫外线辐射,减少因长期暴露外部环境带来的晒白和脆化等问题。碳纳米管还有助于保持船体的稳定性和坚固性,减少滑行阻力,便于划桨。这种胶衣使皮划艇更便于清洗,不论艇身高于或低于水位线,胶衣层都能起到很好的隔离作用。这款产品目前已经投入使用,获得很好的效果。

虽然碳纳米管能显著提高金属、陶瓷和高分子材料的某些方面的性能,显示出巨大的应用潜力,但都存在着分散性不好的难题,尤其是与金属和陶瓷高温混合制备过程中,极易发生结构蚀变而降低改性作用。

车载储氢材料

“如何更方便和安全的储存大量氢气”一直限制燃料电池汽车的发展。美国能源部针对车用储氢材料,认为只有达到以下指标才具有市场价值:质量储氢密度大于wt6.5%,体积储氢密度不小于62kgH2/m3。具有纳米级尺寸和中空结构的碳纳米管比表面积大,化学性质稳定,非常适合可逆储放氢气,是目前唯一有潜力达到这一指标的材料。

国内外对碳纳米管作为储氢材料进行了很多研究。美国国家可再生能源实验室Dillon等采用程序控温脱附仪在实验中推算出单壁碳纳米管在一定条件下,储氢的质量分数可达到5-10%。加州理工学院的Ye等将单壁碳纳米管纯化,在不同的条件下研究了单壁碳纳米管储氢量与表面积之间的联系,发现在80K、12MPa时,碳纳米管的储氢量质量分数达到了8%。郭连权等釆用电化学方法将碳纳米管储氢,放电平台的利用率高达97%。Hang等对不同尺寸的多壁碳纳米管进行电化学储氢研究,发现不同尺寸的多壁碳纳米管在电化学储氢方面有很大的差异,10-30 nm多壁碳纳米管的电化学储氢能力最强。

碳纳米管储氢的研究目前还停留在理论阶段,离实际应用还有一段距离。主要的研究方向是:确定碳纳米管的储氢机制,提高储氢量;碳纳米管的工业化制备、提纯和处理;碳纳米管吸放氢气的机理条件,能否实现常温常压下解析氢气及加快其储氢放氢速度;如何改性碳纳米管,提高碳纳米管吸附容量的稳定性和吸附压力的敏感性;设计合适的储放系统,向实用化发展等。

电子产业

计算机产业的发展趋势是微型化、高速化、低成本化。集成电路芯片上的晶体管作为计算机的基本组件,主要应用于信息收集和处理的各个方面。晶体管微型化是计算机硬件技术进步的重要手段,但由于平版印刷术、漏电流、电路连接需求和发热等问题的限制,传统的晶体管微型化将于2016年达到密度极限,要突破这一障碍,就需要寻找新的替代产品。科学家认为碳纳米管的独特结构和电学性能,使其有潜力解决这个问题。2001年美国国际商用机器公司(IBM)的研究人员利用和改进碳纳米电子管和分子层晶体管的力分离技术,制作出实际的晶体管和简单的逻辑电路,成功制造出世界上第一个碳纳米管晶体管阵列,所使用的碳纳米管比现在的硅晶体管要小500倍,而且无需对它们逐个进行处理。

人们根据磁学理论,认为带有铁磁纳米粒子的碳纳米管材料可以作为三维磁存储器件,具有实现大规模信息存储的可能性。英国的诺丁汉大学的研究人员发现了一种碳纳米管用于储存信息的新技术:将纳米管置于稍微大一点的纳米管之中,通入电流可以压缩内部纳米管在外部管中进出,从而使内部管与电极连接或断开,产生二进制编码保存信息所用的“1”或“0”状态。碳纳米管作为信息存储材料具有很多优势:信息存储密度高;信息存储速度快,可以达到2-5ns的数量级;原材料来源广泛,成本低廉,适合大规模生产。

展望

近年来,全球对碳纳米管材料的需求不断增大,尤其是汽车、电子、航空和运动产品等对碳纳米管需求的推动,预计到2020年将增长到100亿美元。作为世界对碳纳米管研究进展最好的地区,美国、西欧和东亚在未来几十年中将继续占有世界大部分的碳纳米管市场。

虽然碳纳米管的优异性能使其市场需求很大,但还存在一些技术性难题限制了碳纳米管的市场推广,例如怎样实现碳纳米管的规模化批量生产、降低生产成本;如何改善碳纳米管的应用状况,如分散性和高温缺陷等。这些问题都需要政府、企业和科技人员投入大量的资金和精力去研究,才能得到更大的发展。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (12/28/2012)
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