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碳纳米管的独特工能及应用
1985年,Kroto和Smalley[1],被称为C60,亦称富勒烯(fullerene)。这是继石墨和金刚石之后,碳的另一种同素异形体。随后,[2]在合成C60中,Ts(Carbon nanotubes),又称巴基管(Bucktube)。CNTs是一种类似石墨结构的六边形网格卷绕而成的、两端为半球形端帽、具有典型层状中空结构的材料。Ts可分为多壁碳纳米管(MWNTs)和单壁碳纳米(SWNTs)。Ts的密度只有钢的1/6,强度却是钢的100倍, Ts是典型的一维纳米结构,其超强的力学性能、超大的长径比(一般大于1000)、极好的化学和热稳定性、良好的光电性能,使其具有广泛应用于生物传感器、储氢容器、超容量电容器、机电激励器、结构增强材料等方面的应用前景[3-4]。CNTs长径比高、比表面大、比强度高、电导率高、界面效应强,因而具有优异的力学、电学、热学、。,并在场发射、分子电子器件、复合材料、储氢、吸附、催化诸多领域已经展现出其广阔的应用前景。
碳纳米管的结构
CNTs是一种主要由碳六边形(弯曲处为碳五边形或碳七边形)组成的单层或多层石墨片卷曲而成的无缝纳米管状壳层结构,相邻层间距与石墨的层间距相当,。碳纳米管的直径为零点几纳米至几十纳米,长度一般为几十纳米至微米级,Ts,长度达2mm。
按照石墨烯片的层数,Ts。
(1)Ts(Single-walled nanotubes,SWNTs):由一层石墨烯片组成。~3nm和1~50μm,又称富勒管(Fullerenes tubes)。
(2)Ts(Multi-walled nanotubes,MWNTs):含有多层石墨烯片。其层数从2~50不等,,典型直径和长度分别为2~~50μm。
按其螺旋角,可分为螺旋和非螺旋两种;根据定向性,可分为定向和非定向两类。Ts截面的边缘形状,Ts、R,如图l所示。Ts的形成取决于由六边形碳环构成的石墨片是如何卷起形成圆筒。Ts[5]。
二、碳纳米管的性能
1、力学性能
CNTs由SP2杂化形成的C=C共价键组成,Ts的抗拉强度达到50~200GPa,是钢的100倍,密度却只有钢的1/6。Ts,其抗拉强度约800GPa,轴向弹性模量目前从理论估计和试验测定均接近甚至超过石墨烯片,在1~,为已知的最高材料模量,约为钢的5倍[6]。Ts是中空的笼状物并具有封闭的拓扑构型,能通过体积变化来呈现其弹性,故能承受大于40%的张力应变,而不会呈现脆性行为、塑性变形或键断裂,且CNTs的破坏通过其中空部分的塌陷来完成,从而在应用中能极大地吸收能量,增加韧性[7]。
2、电磁性能
CNTs具有螺旋、管状结构,预示其具有不同寻常的电磁性能[8]。Ts的导电性能的理论计算和试验结果表明,Ts可能是导体,也可能是半导体。Saito等经过理论分析,Ts的直径和螺旋角度,大约有1/3是金属导电性的,而有2/3是半导体性的。Dai等进一步指出,Ts的电阻小1个