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碳纳米管复合材料的研究应用现状与展望 第3O卷第1期 2006年1月 燕th大学 JournalofYanshanUniversity VO1.3ONo.1 Jan.2O06 文章编号:1007-791X(2006)01-0030-04 碳纳米管复合材料的研究应用现状与展望 郭铁波,杨庆祥 (1.江阴长发耐指纹钢板有限公司,江苏江阴214443;2.燕山大学材料科学与工程学院,河北秦皇岛066004) 摘要:综述了碳纳米管复合材料的制备基础及制备方法,碳纳米管复合材料物理,力学性能及其应用,并对 碳纳米管复合材料未来的进行了展望. 关键词:碳纳米管;复合材料:物理性能;力学性能 中图分类号:TB383文献标识码:A 0引言 碳纳米管(CarbonNanotubes,CNTs:)…是 一 种非常奇特的新型一维纳米材料,它是由石墨中 的碳原子在1200℃以上的高温下,从其微观结构 的六边形网格层面的边界开始卷曲,直到两个边界 完美地结合在一起而形成的一个笼状纤维.碳 纳米管呈空心管状结构,其长度为微米级,直径为 纳米级.根据管壁的碳原子层数,可分为单壁碳纳 米管(SingleWallCarbonNanotubes,SWCNTs) 和多壁碳纳米管(Multiwal1Carb0nNanotubes, MWCNTs). 碳纳米管独特的结构,致使其具有非常独特的 性能.碳纳米管的电子结构与其构型直接相关,不 同的构型,可以表现出金属性或半导体性,使之成 为制造电子器材的极佳材料.由碳纳米管电子器材 进一步构成碳纳米管集成电路,必然将电子学从微 电子时代带入纳电子时代;碳纳米管依靠超声 波传递热能,速度可达每秒l万米,是目前世界上 最好的导热材料,有可能成为今后计算机芯片的 导热板;碳纳米管细尖极易发射电子,是制造场发 射的极好材料】;碳纳米管大的比表面积,内部大 的管道空腔结构及多壁碳管之间的层隙使其具有 惊人的储氢能力[6-7]而高储氢量和化学稳定性使 其有望成为氢燃料电池和电动汽车中有效的储氢 材料.碳纳米管的特殊性能在电子,化工等领域中 得到了应用,同时在复合材料领域中的研究应用也 得到了发展. 1制备碳纳米管复合材料的理论基础 开口的碳纳米管的管状中空结构及多壁碳管 之间的层隙使其具有很强的毛细性能,利用该性 能可将金属或氧化物填充到开口的碳纳米管中.碳 纳米管可以作为反应媒质,通过与氧化物或氧化物 的混合物反应,一方面消耗自身提供反应所需的碳 源,另…方面提供了形核的场所,同时又限制了生 成物的生长方向,使其在碳纳米管空问内完成反 应,制成实心的纳米棒】. 碳纳米管具有大的比表面积,可以在其表面进 行包覆.用不同的物质对碳纳米管进行包覆,不仅 可以得到具有特殊性质的一维材料,同时也是改善 碳纳米管与金属基相容性的有效途径. 单壁碳纳米管中每个碳原子与周围3个碳原 子通过SP杂化形成短(约0.14nm)而强的C.C 键,阻碍了不纯物及缺陷的介入,加之碳纳米 管的闭合结构,使其具有极高的轴向强度和弹性模 量,比钢的强度高l00多倍,理论杨氏模量可高达 1.8×l0Pa,而比重却只是钢的1/6-1/7[ml2].用紧 束缚动力学及分子动力学研究单壁碳纳米管的力 学行为,结果表明,碳纳米管对应着拉伸与压缩的 最硬取向,可以承受很大的拉伸应变, 收稿日期:2005—02-23 作者简介:郭铁波(1962一).男.黑化江哈尔滨人.硕上,副教授.主要研究方向为纳米表面工程. 第1期郭铁波等碳纳米管复合材料的研究应用现状与展望31 是目前具有最高比强度的材料.另外,碳纳米管耐 酸,耐碱,耐高温,具有高的化学和热稳定性, 在973K以下温度的空气中基本不发生变化U617], 可用于制备复合材料,被认为是一种理想的先进复 合材料的增强体.同时,有人证明碳纳米管具 有极高的柔韧性及优异的弹性,在承受了16%应变 的情况下,不会发生断裂[19]o受到外力被弯曲,扭 转时,不会发生断裂,只在弯曲部位变得扁平…. 碳纳米管具有极高的长径比,长径比在100~1000 之间,在管径方向具有极高的韧性,优于当今的任 何纤维材料,可以作为增强纤维的首选,被认为是 未来的超级纤维. 碳纳米管的这些性能均表明其是制各复合材 料的理想形式,因此,碳纳米管与其它材料组成高 性能复合材料,是碳纳米管得以广泛应用的重要方 向和可能实现手段之一. 2碳纳米管复合材料的制备,性能及应用 碳纳米管用在复合材料中主要集中在以下两 个方面:1)利用碳纳米管的中空结构,比表面积 大,导电等性能将其作为载体改善材料的物理性能 (如磁性,导电性和光电子性能等),可以制成新型 的结构独特的一维纳米复合材料,如纳米量子线, 纳米电子器件,感应器件,隧道二极管,新型催化 剂和电极材料等;2)利用碳