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碳納米管自日本電鏡專家飯島澄男意外發(fā)現(xiàn)后便引起了人們極大的興趣。碳納米管是一種新型的碳結(jié)構(gòu)一維納米材料，可以形象地認為是由一層或多層石墨片按一定的螺旋度卷曲而成的無縫納米級圓筒，兩端的“碳帽”由五元環(huán)和六元環(huán)封閉。根據(jù)石墨層數(shù)的不同，碳納米管可以大致分為單壁碳納米管和多壁碳納米管。碳納米管具有獨特的管狀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學、電學、光學、熱學等性能，在航空、航天、電子、通信、化工、生物、醫(yī)藥等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而，由于碳納米管極易團聚，幾乎不溶于任何有機溶劑，與其他物質(zhì)的浸潤性差，因而在溶液或復(fù)合材料中無法均勻分散，這嚴重限制了其在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用。因此，需要對碳納米管進行功能化修飾，以拓展其在復(fù)合材料中的應(yīng)用。
碳納米管可看成由石墨片層繞著中心軸按照一定的螺旋度卷曲而成的管狀物，管壁由六邊形排列的碳原子組成，每個碳與周圍的三個碳原子相鄰，C—C間通過sp2和sp3雜化鍵結(jié)合。按其石墨的層數(shù)碳納米管可以分為單壁碳納米管和多壁碳納米管，單壁碳納米管可看成是由石墨平面卷曲而成，并在其兩端罩上碳原子的封閉曲面。不同的卷曲方式，得到的單壁碳納米管的結(jié)構(gòu)也會不同。多壁碳納米管則是由若干個單層管同心套疊成，它的層片間距約為0.34nm，比石墨的層片間距（0.335nm）稍大。
碳納米管作為一維納米材料，質(zhì)量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有許多獨特的力學、熱學、光學和電學性能。
由sp2雜化形成的C=C共價鍵是自然界最強的化學鍵之一。全部由C=C共價鍵構(gòu)成的碳納米管具有極高的軸向強度、韌性和彈性模量。實驗測量結(jié)果表明，碳納米管的彈性模量可達1TPa以上，與金剛石的彈性模量接近相同，約為鋼的5倍。碳納米管的彈性應(yīng)變最高可達12％，約為鋼的60倍，而其密度僅為鋼的1／6。碳納米管無論是強度還是韌性，都遠遠優(yōu)于任何纖維材料。由于碳納米管具有較大的長徑比、較低的密度、較高的軸向強度和剛度，被看作是理想的復(fù)合材料增強相，可使復(fù)合材料的強度、彈性、抗疲勞性及各向同性得到顯著提高。
碳納米管良好的熱學性能主要表現(xiàn)在其比熱容和熱導率。碳納米管的比熱容與高度取向石墨相似，通過實驗發(fā)現(xiàn)從10～300K，碳納米管的比熱容與溫度呈直線關(guān)系，這種線性關(guān)系與100K時計算得的高度取向石墨一致，但比200～300K時計算值要低。碳納米管還具有優(yōu)良的熱傳導率，通過平衡分子動力學模擬發(fā)現(xiàn)其熱導率在室溫可以達到6600W·m-1·K-1，單壁碳納米管在室溫時的熱導率為2980W·m-1·K-1，研究發(fā)現(xiàn)碳納米管的熱傳導率隨著其在增強材料中含量的增加以及溫度的升高而不斷增強。由于優(yōu)異的熱傳導率，碳納米管同時又是一種優(yōu)異的熱傳導增強復(fù)合材料。填充含量為1.0％（質(zhì)量分數(shù)，下同）時，碳納米管和炭纖維對環(huán)氧基復(fù)合材料進行熱導率增強，熱導率分別提高了125％和45％。碳納米管能形成高的熱傳導通路，傳導通路越長，對熱導率的增強也就越大，高的長徑比可以提高其熱傳導通路，進而具有更大的熱傳導率。
從分子特性來看，電磁波矢量在碳納米管的環(huán)向被量子化，存在較多的范霍夫奇點，因此光學吸收峰多且強烈；固態(tài)碳納米管的波矢量在其軸向連續(xù)，容易發(fā)生電子和聲子散射，因此從理論角度來推測，碳納米管的這兩種特性必然造成其具有獨特的光學性能。碳納米管在激光輻照下會產(chǎn)生發(fā)光效應(yīng)，具有光致發(fā)光效應(yīng)；在吸收一定電能后可以發(fā)出可見光，具有電致發(fā)光特性。不同結(jié)構(gòu)和表面狀態(tài)的碳納米管可以表現(xiàn)出不同的光學性能，并且在與稀土元素或有機物復(fù)合后，發(fā)光性能明顯增強。碳納米管電燈泡概念，他們發(fā)現(xiàn)，碳納米管具有比黑體輻射更高的發(fā)光效率，碳納米管電燈泡的發(fā)光可能具有冷光行為。同時，碳納米管燈泡還表現(xiàn)出發(fā)光閾值電壓低，在相同電壓下具有更高的照度，特別是電阻隨溫度變化不明顯等特點。
碳納米管的碳原子之間是sp2雜化，每個碳原子有一個未成對電子位于垂直于層片的π軌道上，因此碳納米管與石墨一樣具有優(yōu)良的導電性能。實測結(jié)果表明，由于結(jié)構(gòu)不同，碳納米管可能是導體，也可能是半導體。碳納米管的導電性能取決于石墨層片卷曲形成管狀的直徑和螺旋角，導電性介于導體和半導體之間。當碳納米管的結(jié)構(gòu)指數(shù)（n，m）滿足m-n＝3（q為整數(shù)）時，碳納米管呈金屬性，不滿足此條件的碳納米管則呈半導體性。碳納米管的徑向電阻大于軸向電阻，并且這種電阻的各向異性隨著溫度的降低而增大。通過計算認為直徑0.7nm的碳納米管具有超導性，在低溫時，碳納米管超導的性質(zhì)已經(jīng)被觀察到，1.4nm的單壁碳納米管的超導臨界溫度約為0.55K，而在分子篩中生長的0.5nm的單壁碳納米管，其超導臨界溫度為5K。采用高能球磨法制備了碳納米管-硅復(fù)合材料，球磨后硅被碳納米管擠壓在一起，同時界面處生成的SiC使得硅顆粒和碳納米管具有更好的緊密接觸。與Li組裝后的Li／（SWCNT／Si）電池充放電效率和蓄電能力有很大提高。這主要是由于碳納米管提供了柔韌的導電基體，在電池充放電過程中避免了電池材料的松散，同時球磨過程可以減小硅和碳納米管的尺寸，進一步提高兩者之間的電接觸。
碳納米管具有獨特的拓撲結(jié)構(gòu)，長徑比大，比強度高，軸向膨脹系數(shù)低，既導電導熱又耐熱耐蝕，還有良好的化學穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性及吸附特性，且柔軟可編易加工，是復(fù)合材料領(lǐng)域理想的增強相。
有機聚合物具有密度低、柔韌性好、易加工的優(yōu)點，通過機械粘結(jié)、潤濕吸附、化學鍵合作用與碳納米管復(fù)合后實現(xiàn)優(yōu)勢互補，得到綜合性能優(yōu)異且具有某種特殊性能的聚合物基納米復(fù)合材料，因而碳納米管／聚合物復(fù)合材料成為近年來的研究重點。將烷基胺通過共價鍵接合于碳納米管表面后與環(huán)氧樹脂進行復(fù)合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)加入1％（質(zhì)量分數(shù)）功能化的納米碳管，可使環(huán)氧樹脂的斷裂韌性提高35％。研究發(fā)現(xiàn)與添加純CNTS相比，加入功能化修飾CNTS的碳纖維／樹脂復(fù)合材料在低溫條件下表現(xiàn)出更好的層間斷裂韌性和橫截面抗裂性。用未處理CNTS、酸化CNTS和硅烷化CNTS（質(zhì)量分數(shù)均為1％）來制備碳纖維／CNTS／環(huán)氧樹脂三相復(fù)合材料，對比測試了復(fù)合材料的物理性能，結(jié)果顯示第三者的彈性模量比前兩者分別高出13％、18％，抗拉強度分別高出8.4％、15.8％，同時復(fù)合材料的熱性能和電學性能也有所提高，這表明硅烷化促進了CNTS在樹脂中的分散，增強了CNTS與樹脂在碳纖維／環(huán)氧樹脂中的界面相互作用，進而改善了復(fù)合材料的整體性能。利用超聲波處理和機械攪拌使碳納米管分散在苯并環(huán)丁烯（BCB）中，隨著碳納米管含量的不同，BCB的導熱率會得到10％～80％不同程度的提高；剪切應(yīng)力試驗結(jié)果顯示，碳納米管的加入對BCB-CNT復(fù)合材料的粘結(jié)強度具有積極作用，當碳納米管的濃度為0.75％時，粘結(jié)強度達到最大，比不含碳納米管的純BCB材料的粘結(jié)強度高出58％。
碳納米管可以有效地增強金屬基復(fù)合材料的力學性能和熱性能，同時金屬離子也可反作用于碳納米管，二者相輔相成，通過化學結(jié)合、物理結(jié)合、擴散結(jié)合等方式賦予復(fù)合材料更優(yōu)異的性能。對碳納米管增強鎂合金粉末復(fù)合材料的顯微結(jié)構(gòu)和力學性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)與不含碳納米管的鎂合金相比，添加1％（質(zhì)量分數(shù)）碳納米管的鎂合金的拉伸屈服應(yīng)力可提高25％～40％，他們認為是碳納米管與鎂合金的界面產(chǎn)生的氧化層的作用，但復(fù)合材料的延展性較差，伸長率還不到5％。利用電沉積法分別用未處理和酸化功能化的碳納米管制備Ni-CNTS復(fù)合材料涂層。磨損測試結(jié)果顯示，碳納米管的體積分數(shù)相同時，后者具有更好的均勻度和更高的硬度，實質(zhì)上，碳納米管的加入顯著提高了電鍍鎳涂層的耐磨性，使磨損率降低為純電鍍鎳基體的1／3，延長了涂層的使用壽命；通過SＥM觀察，還發(fā)現(xiàn)Ni-CNTS涂層中存在一層氧化膜，覆蓋住了大部分磨痕，而純鎳涂層的磨痕表面主要是裸露的金屬，這是由于碳納米管在金屬層和傳遞層之間充當橋接層，粘結(jié)住了落到底層基體的散纖維，從而阻止磨痕處破損材料的轉(zhuǎn)移。這些松散的氧化材料借助碳納米管形成一個保護層，減輕了基體的進一步磨損。
有研究表明碳納米管主要通過斷裂橋聯(lián)和拔出作用對陶瓷基體進行增韌。其中碳納米管在陶瓷材料基體上的均勻分散、碳納米管在組織中的存活、碳納米管與陶瓷基體的界面結(jié)合狀態(tài)，是影響碳納米管增強陶瓷基復(fù)合材料性能提高的關(guān)鍵。測試碳納米管增強氧化鋁（AL2O3）納米復(fù)合材料的力學性能，結(jié)果表明，與純AL2O3基體相比，碳納米管體積含量為4％的復(fù)合材料的斷裂韌性、硬度和撓曲強度分別提高了94％、13％和6.4％。這得益于碳納米管在基體中的均勻分散、嚴格的密封條件以及良好的碳納米管／基體界面粘結(jié)。利用功能化多壁碳納米管通過放電等離子體燒結(jié)法制備了斷裂韌性強的ZrO2（氧化鋯）／CNTS納米復(fù)合材料。他們發(fā)現(xiàn)在添加碳納米管之后，基體的斷裂韌性明顯改善，含4％（質(zhì)量分數(shù)）碳納米管的樣品在燒結(jié)溫度為1300℃時表現(xiàn)出最好的壓痕韌性，達到6.24MPA·m1／2，比相同溫度下純ZrO2基體高出31％。
[1] 碳納米管在熱管理材料中的應(yīng)用
[2] 碳納米管吸波材料研究進展
[3] 碳納米管的功能化及其在復(fù)合材料中的應(yīng)用