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碳纳米管的结构、性能及应用
来源: | 作者:三顺纳米 | 发布时间: 2018-05-29 | 558 次浏览 | 分享到:

重庆百变王牌奖金 www.acrw.net 1. 碳纳米管的结构 
        碳纳米管是一种由一层或者多层石墨层按照一定的螺旋角度卷曲而成的同轴的、直径为纳米量级的无缝管状碳材料。碳纳米管长度一般达到几百微米或者毫米量级,最长可达分米量级,长径比可达上千万,是新型的一维纳米材料。由单层石墨层卷曲而成的称之为单壁碳纳米管。由两层不同直径单壁碳纳米管按同一轴套装起来的称为双壁碳纳米管,由三层或三层以上不同直径的单壁碳纳米管按同一轴套装起来的称之为多壁碳纳米管,见图1和图2。


                      

图1:多壁碳纳米管SEM图                                                                                        图2:多壁碳纳米管TEM图


         单壁碳纳米管按照石墨层的不同卷曲方式可以形成三种结构:扶手椅形、“之”字形、一般手性。鉴于结构上的独特之处,所有的扶手椅型的碳管都是金属型的,其余的金属型和半导体型分别占1/3和2/3。通常单壁管直径在0.7-2nm(1nm=10-9m)之间,最小的单壁管直径约 0.4nm。  


        双壁碳纳米管具有独特的结构。两层石墨层间距并非固定的额0.34nm而是在0.33-0.42nm之间变化,这使得双壁碳纳米管具有一些独特的性能。  


        碳纳米管的独特一维管状结构决定了其具有其它材料无法比拟的性能。


2. 碳纳米管的性能
2.1 电学性能

        sp2 杂化的每一个碳原子都拥有一个未成对的电子垂直于片层的π轨道上,这赋予了碳纳米管优良的导电性能。碳纳米管最大承载电流密度能达到 109A?cm-2,是铜的导电性的 1000 倍??山溆米骷感〉牡枷?,典型的应用是目前在锂离子电池中作为导电剂使用。半导的碳纳米管在微电子设备领域有更广阔的应用。


2.2 力学性能

        sp2 杂化的 C – C  σ键是目前已知的最强的化学键之一,碳纳米管的屈服强度在几百 GPa 量级,杨氏模量在 TPa 量级,远高于碳纤维、防弹衣用纤维和钢材。有望替代碳纤维成为新型强度材料。


2.3 热学性能

        碳纳米管导热系统具有较大的平均声子自由程,轴向 热导率可以高达6600W/(m·K),是目前室温下导热性能最高的材料--金刚石的3倍以上,是自然界中已知材料中最高的,是电子设备中高效的散热材料。


 2.4 光学性能

        碳纳米管电子波矢在环向被量子化,存在着比较多的范霍夫奇点,因此光学吸收峰多且强烈;另一方面碳纳米管的波矢量在轴向上连续,电子和声子散射容易发生,这两种特性造成了碳纳米管的独特的光学性能。高能量的光子入射后转变成低能量的光子,使碳纳米管产生光致发光现象。同时碳纳米管具有电致发光现象,将碳纳米管制成功率为15W 的灯管时,光强达到10000cd/m2,寿命可达到10000h。


 3. 碳纳米管在锂离子电池中的应用

        由于碳纳米管具有 102~104的长径比、导电性能优异,目前主要用于锂离子电池正极导电材料。碳纳米管可以在活性物质之间形成优异的长程导电网络,提高电子输运效率,可以替代传统的炭黑导电剂,减少添加量,提高电池能量密度,改善电池的电化学性能。在锂离子电池的商业化应用方面,我们公司已成功进入三星SDI、比亚迪、国轩高科、比克、卓能、天劲等国内外锂离子电池生产企业的供应链系统,产品质量、性能得到客户认可。


        除此之外,碳纳米管优异的导电性还可以应用在抗静电涂料、导电高分子、橡胶、导电塑料母粒中,碳纳米管轴向的抗拉强度是钢铁的100倍,而重量只有钢的1/6,因此可以用在聚合物基体中形成增强复合材料等等。