材料工程学论文：碳纳米管的结构

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1.1 引言

碳是自然界最普遍的元素之一，它以多种形式广泛存在于大气和地壳之中，它的一系列有机物更是生命的根本。碳的单质也很早就被人所认识和应用，在较早的时期，人们一直都认为碳在自然界中只以金刚石、石墨以及无定形碳三种同素异构体形式存在。直至上世纪80年代，富勒烯的发现才颠覆了这种观念，其中最具代表性的就是C60[1]，C60具有金属光泽，有许多优异性能，如超导、强磁性、耐高压、抗化学腐蚀、在光、电、磁等领域有潜在的应用前景。这个发现，再次在科学界掀起了一股对碳单体研究的热潮。

随后，1991年，日本学者Ijiima[2]在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子，这就是碳纳米管，又名巴基管。“纳米”作为长度的度量单位，其大小为1nm=10-9m，即一纳米是十亿分之一米，相当于45个原子排列起来的长度。正是这种接近于原子的长度，使得普通材料达到纳米尺寸时产生奇妙的物理化学特性，这就是我们所说的“纳米尺度效应”。碳纳米管的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10倍。之后，碳纳米管因为其独特的结构、优异的力学和电学性能，以及良好的热稳定性很快受到了人们的普遍关注，并迅速成为物理、化学和材料科学界的研究热点，在全世界掀起了碳纳米管的研究热潮，受到了众多专家的追捧，在复合材料、生物医药与纳米器件等领域[3]具有极其广泛的发展前景。

1.2 碳纳米管的结构及分类

碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝、中空的纳米级管[4]，它具有典型的层状中空结构，碳纳米管中每个碳原子和相邻的三个碳原子相连，形成六元环网状结构，以sp2杂化为主，其两端通常为半球形的大富勒烯分子。

根据管状物所形成的石墨片层数可以将其分为单壁碳纳米管(Single-walled carbon nanotubes (SWNTs))与多壁碳纳米管(Multi-walled carbon nanotubes (MWNTs))。单壁碳纳米管由一层石墨烯构成，直径分布范围小，一般为1-3nm，缺陷少，具有更高的均匀一致性，长度一般为几百纳米至几微米;而多壁碳纳米管直径为几纳米至几十纳米，长度一般在微米量级，最长者可达数毫米，包含两层或两层以上石墨烯片层，片层间距离为0.34-0.40nm[5-6]。无论是单壁还是多壁的碳纳米管，都具有极高的长径比，一般为100-1000，所以碳纳米管完全可以被看作是一维纳米材料。

1.3 碳纳米管的性质

1.3.1 力学性质

由于碳纳米管表面的石墨片层结构主要是以sp2杂化为主，所形成的C=C双键具有很强的键能，因此这赋予了碳纳米管高强度、高模量等力学特性。碳纳米管的抗张强度可以达到50-200GPa，比碳纤维高出一个数量级，约为钢的100倍，杨氏模量可达1TPa，与金刚石相当，约是钢的5倍，而密度却只有钢的1/6，是比强度最高的材料之一。与此同时，碳纳米管的韧性以及可弯曲性也十分出色，弹性应变可以达到15-20%。当碳纳米管受力扭曲时，中间部分先变平，然后扭曲成环，表面的石墨片层结构在sp2与sp3杂化之间转换，从而达到卸载外力的作用。正是由于碳纳米管这种独特的性质，它被看作是复合材料的理想增强项，将它与其他工程材料制成复合材料，可以强化材料基体的性能。

1.3.2 电学性能

由于碳纳米管的表层结构与石墨大致相同，因此也具有良好的导电性能。碳纳米管在具有金属导电性的同时，也具有半导体的导电特性，这主要和它的直径和螺旋结构有关[7-8]，当碳纳米管的管径小于6nm时，可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线;而当管径大于6nm时，碳纳米管的导电性能会降低。另外，如果对碳纳米管的表面进行一些化学处理，也会使它的导电特性发生变化[9]。但是与金属的导电机理不同的是，电子只能沿着碳纳米管表面的石墨片层结构做轴向运动。 由于以上这些独特的电学特性，碳纳米管在导电复合材料、电磁屏蔽材料、场发射电子源、纳米导线、纳米电子元件等领域都具有极大的潜在应用价值，也成为了目前研究的热点之一。

1.3.3 热学性能

碳纳米管与石墨一样，具有良好的传热性能。碳纳米管的导热性质与导电性质类似，由于具有非常大的长径比，因而其沿着长度方向的热交换性能很高，相对的其垂直方向的热交换性能较低，因此碳纳米管的热传导性能受取向的影响非常大。它的热传导率非常高，一般要大于2800W/m·K[10]。因此只要在复合材料中添加少量的碳纳米管，并保证一定的取向，材料的热传导性能就可以得到极大的改善，这点在前人的研究成果中已经得到了证实。