碳納米管的作用和用途非常豐富，充分利用了碳納米管的長寬比、機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。我們?yōu)槟砹艘韵聝?nèi)容。
碳納米管的類型
碳納米管的類型多樣，通常有單壁碳納米管、多壁碳納米管、雙壁碳納米管、寡壁碳納米管等。如果您想購買碳納米管，請詳細(xì)咨詢我們。這幾種類型都有很多變體，其純度、長度和功能各不相同。
碳納米管的性質(zhì)
電導(dǎo)率、強(qiáng)度和彈性、熱導(dǎo)率和膨脹率、電子發(fā)射、長寬比、電導(dǎo)率。
碳納米管（CNT）的導(dǎo)電性已引起廣泛的實際關(guān)注。具有特定N和M （指示納米管扭曲程度的結(jié)構(gòu)參數(shù)）組合的CNT可具有高導(dǎo)電性，因此可以說是金屬性的。它們的導(dǎo)電性已被證明與其手性（扭曲程度）以及直徑有關(guān)。CNT的電學(xué)行為既可以是金屬性的，也可以是半導(dǎo)體性的。
1、碳納米管電子學(xué)
多壁碳納米管 (MWNT) 的導(dǎo)電性相當(dāng)復(fù)雜。某些類型的“扶手椅”結(jié)構(gòu)碳納米管似乎比其他金屬碳納米管的導(dǎo)電性更好。此外，已發(fā)現(xiàn)多壁碳納米管內(nèi)部的壁間反應(yīng)會導(dǎo)致電流在各個管內(nèi)不均勻地重新分布。然而，金屬性單壁碳納米管不同位置的電流沒有變化。然而，半導(dǎo)體單壁碳納米管 (SWNT) 繩狀結(jié)構(gòu)的行為有所不同，因為傳輸電流在碳納米管的不同位置會發(fā)生突變。
通過在碳納米管 (CNT) 的不同位置放置電極，測量了 SWNT 繩的電導(dǎo)率和電阻率。27°C 時，SWNT 繩的電阻率約為 10-4歐姆-厘米。這意味著 SWNT 繩是已知導(dǎo)電性最強(qiáng)的碳纖維。實際可達(dá)到的電流密度為 107 A /cm2 ，但理論上 SWNT 繩應(yīng)該能夠承受更高的穩(wěn)定電流密度，高達(dá) 1013 A / cm2。
據(jù)報道，單個單壁碳納米管 (SWNT) 含有缺陷。巧合的是，這些缺陷使 SWNT 可以充當(dāng)晶體管。同樣，將碳納米管連接在一起可以形成類似晶體管的器件。具有自然連接（其中直的金屬部分與手性半導(dǎo)體部分連接）的納米管可充當(dāng)整流二極管，即單個分子中的半晶體管。最近還有報道稱，SWNT 在用作半導(dǎo)體器件的互連線時，可以高速（高達(dá) 10 GHz）傳輸電信號。
2、強(qiáng)度和彈性
單片石墨（石墨烯）的碳原子構(gòu)成平面蜂窩狀晶格，其中每個原子通過強(qiáng)化學(xué)鍵與三個相鄰原子連接。由于這些強(qiáng)化學(xué)鍵的存在，石墨的基面彈性模量是已知材料中最大的之一。
因此，碳納米管 (CNT) 有望成為終極高強(qiáng)度纖維。單壁碳納米管 (SWNT) 比鋼更硬，并且非常耐物理力損傷。按壓納米管尖端會導(dǎo)致其彎曲，但不會損壞尖端。當(dāng)力消除后，尖端會恢復(fù)到原始狀態(tài)。這一特性使碳納米管非常適合用作超高分辨率掃描探針顯微鏡的探針尖端。
量化這些效應(yīng)相當(dāng)困難，目前尚無統(tǒng)一的精確數(shù)值。使用原子力顯微鏡 (AFM)，可以將獨立納米管未錨定的末端推離其平衡位置，并測量推動納米管所需的力。目前單壁碳納米管 (SWNT) 的楊氏模量約為 1 太帕斯卡，但該值存在爭議，據(jù)報道其值高達(dá) 1.8 太帕斯卡。此外，也曾報道過其他明顯高于該值的數(shù)值。
這些差異可能源于不同的實驗測量技術(shù)。其他學(xué)者從理論上證明，楊氏模量取決于單壁碳納米管（SWNT）的尺寸和手性，范圍從1.22 Tpa到1.26 Tpa。他們計算出普通納米管的楊氏模量值為1.09 Tpa。然而，在研究不同的多壁碳納米管（MWNT）時，其他人注意到，使用原子力顯微鏡（AFM）技術(shù)測量的MWNT模量與直徑的關(guān)系并不大。相反，他們認(rèn)為MWNT的模量與納米管壁的無序程度相關(guān)。毫不奇怪，當(dāng)MWNT斷裂時，最外層會首先斷裂。
3、熱導(dǎo)率和膨脹
賓夕法尼亞大學(xué)的一項新研究表明，碳納米管（CNT）可能是人類迄今為止已知的最佳導(dǎo)熱材料。超小型單壁碳納米管（SWNT）甚至已被證實在20 o K以下表現(xiàn)出超導(dǎo)性。研究表明，這些奇特的碳納米管因其無與倫比的強(qiáng)度和獨特的吸收半導(dǎo)體或理想金屬電特性的能力而備受贊譽(yù)，未來或許也能在眾多設(shè)備和材料中用作微型導(dǎo)熱體。
強(qiáng)大的平面石墨CC鍵使其在軸向應(yīng)變下具有極高的強(qiáng)度和剛性。SWNT的平面熱膨脹幾乎為零，但平面間膨脹較大，這意味著其具有很強(qiáng)的平面耦合性和對非軸向應(yīng)變的高柔韌性。碳納米管已被提出多種應(yīng)用，例如在納米級分子電子學(xué)、傳感和驅(qū)動裝置中，或在功能復(fù)合材料中用作增強(qiáng)添加劑纖維。
最近，一些關(guān)于碳納米管-聚合物復(fù)合材料制備和機(jī)械性能的實驗報告也已發(fā)表。這些測量結(jié)果表明，與裸露的聚合物基質(zhì)相比，嵌入碳納米管的基質(zhì)的強(qiáng)度特性略有增強(qiáng)。對碳納米管熱性能的初步實驗和模擬研究表明，其導(dǎo)熱性非常高。因此，預(yù)計聚合物材料中的納米管增強(qiáng)材料也可能顯著改善復(fù)合材料的熱性能和熱機(jī)械性能。
4、電子發(fā)射
場發(fā)射是由電子在強(qiáng)電場作用下從金屬尖端隧穿到真空中產(chǎn)生的。碳納米管（CNT）的小直徑和高的長寬比非常有利于場發(fā)射。即使在中等電壓下，由于碳納米管的尖銳性，其自由端也能形成強(qiáng)電場。
1995年，德希爾和同事在洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）發(fā)現(xiàn)了這一點。他立即意識到，這些場致發(fā)射體必定優(yōu)于傳統(tǒng)電子源，并有望應(yīng)用于各種領(lǐng)域，尤其是平板顯示器。令人矚目的是，僅僅五年后，三星就成功實現(xiàn)了一款非常明亮的彩色顯示器，并將很快利用這項技術(shù)實現(xiàn)商業(yè)化。
在研究多壁碳納米管（MWNT）的場發(fā)射特性時，Bonard 及其在洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的同事發(fā)現(xiàn)，除了電子之外，光也會發(fā)射。這種發(fā)光是由電子場發(fā)射引起的，因為在沒有施加電勢的情況下無法檢測到。這種光發(fā)射發(fā)生在光譜的可見部分，有時可以用肉眼看到。
5、高縱橫比
碳納米管 (CNT) 是一種適用于各類塑料的細(xì)小、高長寬比導(dǎo)電添加劑。其高長寬比意味著，與其他導(dǎo)電添加劑相比，只需較低的 CNT 添加量（濃度）即可達(dá)到相同的導(dǎo)電性。低添加量可以更好地保留聚合物樹脂的韌性，尤其是在低溫下，同時還能保持基體樹脂的其他關(guān)鍵性能。事實證明，CNT 是一種賦予塑料導(dǎo)電性的卓越添加劑。與炭黑、短切碳纖維或不銹鋼纖維等傳統(tǒng)添加劑材料相比，CNT 的高長寬比（約 1000:1）使其能夠在較低添加量下實現(xiàn)導(dǎo)電性。
碳納米管的應(yīng)用
碳納米管獨特的成分、幾何形狀和特性使其擁有眾多潛在的應(yīng)用前景。將成本降至商業(yè)化可行水平已證明頗具挑戰(zhàn)性，但其規(guī)模化生產(chǎn)正在不斷推進(jìn)。
儲能、分子電子、熱材料、結(jié)構(gòu)材料、電導(dǎo)率、織物和纖維、催化劑載體、生物醫(yī)學(xué)、空氣和水過濾、導(dǎo)電塑料、導(dǎo)電粘合劑、陶瓷。
碳的特殊性質(zhì)與單壁碳納米管的分子完美性相結(jié)合，賦予其卓越的材料特性，例如非常高的電導(dǎo)性和熱導(dǎo)性、強(qiáng)度、剛度和韌性。
元素周期表中，沒有任何其他元素能像碳-碳鍵那樣，以如此強(qiáng)的強(qiáng)度在擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)中相互結(jié)合。每個原子捐獻(xiàn)出的離域π電子可以在整個結(jié)構(gòu)中自由移動，而不是停留在其供體原子上，從而產(chǎn)生了第一個已知具有金屬型導(dǎo)電性的分子。此外，高頻碳-碳鍵振動使其固有導(dǎo)熱性甚至高于金剛石。
然而，在大多數(shù)材料中，實際觀察到的材料特性——強(qiáng)度、電導(dǎo)率等——會因其結(jié)構(gòu)缺陷而顯著降低。例如，高強(qiáng)度鋼通常僅在其理論斷裂強(qiáng)度的1%左右就會失效。然而，由于碳納米管（CNT）分子結(jié)構(gòu)的完美性，其斷裂強(qiáng)度非常接近其理論極限。
這正是碳納米管 (CNT) 獨特之處的一部分。碳納米管是真正的納米技術(shù)：它們的直徑只有約一納米，但卻是能夠以極其實用的方式進(jìn)行化學(xué)和物理操控的分子。它們在材料科學(xué)、電子學(xué)、化學(xué)加工、能源管理以及許多其他領(lǐng)域開辟了極其廣泛的應(yīng)用范圍。
1、儲能
碳納米管 (CNT) 具備電池和電容器電極材料所需的固有特性，而電池和電容器是兩種日益重要的技術(shù)。CNT 具有極高的表面積（約 1000 平方米/克）和良好的導(dǎo)電性，而且非常重要的是，其線性幾何形狀使其表面極易與電解質(zhì)接觸。
研究表明，碳納米管 (CNT) 在所有用于鋰離子電池的碳材料中具有最高的可逆容量 [B. Gao, Chem. Phys. Lett. 327 , 69 (2000)]。此外，CNT 還是制作超級電容器電極的優(yōu)秀材料 [RZ Ma等,中國科學(xué)E輯：技術(shù)科學(xué) 43, 178 (2000)]，目前已將其推向市場。
碳納米管 (CNT) 也可用于各種燃料電池組件。它們具有多種特性，包括高表面積和導(dǎo)熱性，使其可用作質(zhì)子交換膜 (PEM) 燃料電池的電極催化劑載體。由于其高電導(dǎo)率，它們還可以用于氣體擴(kuò)散層以及集電器。
碳納米管的高強(qiáng)度和高韌性重量比特性也可能證明其作為燃料電池復(fù)合部件的價值，而燃料電池在運(yùn)輸應(yīng)用中的耐用性是極其重要的。
2、分子電子學(xué)
過去五年來，利用材料的基本組成部分——分子——構(gòu)建電子電路的理念再度興起，并成為納米技術(shù)的關(guān)鍵組成部分。在任何電子電路中，尤其是在尺寸縮小到納米級的情況下，開關(guān)與其他有源器件之間的互連變得越來越重要。
碳納米管 (CNT) 的幾何形狀、導(dǎo)電性以及可精確導(dǎo)出的特性，使其成為分子電子學(xué)中連接的理想材料。此外，它們本身已被證實可作為開關(guān)。
3、熱材料
碳納米管 (CNT) 具有卓越的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和機(jī)械性能。它們可能是目前最好的電子場發(fā)射體。它們是純碳的聚合物，可以利用眾所周知且極其豐富的碳化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)和操控。
這為修改其結(jié)構(gòu)、優(yōu)化其溶解度和分散性提供了機(jī)會。值得注意的是，碳納米管（CNT）的分子結(jié)構(gòu)是完美的，這意味著它們通常不存在納米管結(jié)構(gòu)中導(dǎo)致性能下降的缺陷。
因此，它們的材料性能可以非常接近其固有的極高水平。這些非凡的特性賦予了碳納米管在眾多應(yīng)用領(lǐng)域的潛力。
碳納米管創(chuàng)紀(jì)錄的各向異性熱導(dǎo)率使得許多需要熱量從一個地方轉(zhuǎn)移到另一個地方的應(yīng)用成為可能。這類應(yīng)用在電子產(chǎn)品中很常見，尤其是在先進(jìn)的計算領(lǐng)域，目前未經(jīng)冷卻的芯片溫度通常會超過 100攝氏度。
制造碳納米管（CNT）定向結(jié)構(gòu)和碳納米管帶的技術(shù)[D.Walters 等人，《化學(xué)與物理快報》 第 338 卷，第 14 期 (2001)]，是實現(xiàn)高效熱導(dǎo)管的一步。此外，研究表明，即使在非常小的負(fù)載下，含有碳納米管的復(fù)合材料也能顯著提高其體積熱導(dǎo)率。
4、結(jié)構(gòu)材料
碳納米管 (CNT) 的優(yōu)異性能不僅體現(xiàn)在導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性上，還包括機(jī)械性能，例如剛度、韌性和強(qiáng)度。這些特性使其擁有豐富的應(yīng)用前景，包括需要高值一種或多種性能的先進(jìn)復(fù)合材料。
5、電發(fā)射器
碳納米管（CNT）是所有材料中最為知名的場發(fā)射體?？紤]到它們高導(dǎo)電性以及其尖端令人難以置信的鋒利程度，這一點不難理解（因為尖端的曲率半徑越小，電場越集中，從而導(dǎo)致場發(fā)射增強(qiáng)；這與避雷針鋒利的原因相同）。
尖端的鋒利也意味著它們能夠在極低的電壓下發(fā)射，這對于利用這一特性構(gòu)建低功耗電子設(shè)備至關(guān)重要。碳納米管可以承載驚人的高電流密度，可能高達(dá)10 13 A/cm 2。此外，電流極其穩(wěn)定。
這種特性的一個直接應(yīng)用是場發(fā)射平板顯示器，并引起了人們的極大興趣。與傳統(tǒng)陰極射線管顯示器中單個電子槍不同，基于碳納米管的顯示器中，每個像素都有一個獨立的電子槍（甚至多個）。
碳納米管 (CNT) 具有高電流密度、低開啟和工作電壓以及穩(wěn)定、長壽命的特性，使其成為此類應(yīng)用中極具吸引力的場發(fā)射體。其他利用碳納米管場發(fā)射特性的應(yīng)用包括通用低壓冷陰極照明光源、避雷器和電子顯微鏡光源。[BQ Wei等人，《應(yīng)用物理快報》 79 卷1172 號 (2001)]。
6、織物和纖維
純碳納米管紡成的纖維最近已得到驗證[RH Baughman，Science 290 , 1310 (2000)]，并且與碳納米管復(fù)合纖維一起正在快速發(fā)展。這種超強(qiáng)纖維將有廣泛的應(yīng)用，包括車身和車輛裝甲、輸電電纜、機(jī)織織物和紡織品。碳納米管還被用于增強(qiáng)紡織品的防污性能。
7、催化劑載體
碳納米管 (CNT) 本身就具有極高的表面積；事實上，對于單壁碳納米管 (SWNT) 來說，每個原子并非只存在于一個表面上——每個原子都存在于兩個表面上，即納米管的內(nèi)部和外部！碳納米管能夠?qū)缀跛谢瘜W(xué)物質(zhì)附著在其側(cè)壁上（功能化），這為開發(fā)獨特的催化劑載體提供了機(jī)會。碳納米管的導(dǎo)電性也可用于探索新的催化劑和催化行為。
8、生物醫(yī)學(xué)
碳納米管在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用探索才剛剛開始，但潛力巨大。由于人體很大一部分由碳組成，碳通常被認(rèn)為是一種生物相容性極佳的材料。
研究表明，細(xì)胞可以在碳納米管上生長，因此似乎沒有毒性。細(xì)胞也不會粘附在碳納米管上，這有望應(yīng)用于假肢涂層以及船舶防污涂層等。
對碳納米管 (CNT) 側(cè)壁進(jìn)行功能化（化學(xué)改性）的能力也帶來了生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，例如血管支架、神經(jīng)元生長和再生。此外，已有研究表明，單鏈 DNA 可以與納米管結(jié)合，然后成功插入細(xì)胞。
9、CNT空氣和水過濾
許多研究人員和企業(yè)已經(jīng)開發(fā)出基于碳納米管的空氣和水過濾裝置。據(jù)報道，這些過濾器不僅可以阻擋最小的顆粒，還能殺死大多數(shù)細(xì)菌。這是碳納米管已實現(xiàn)商業(yè)化并已上市的另一個領(lǐng)域。
10、導(dǎo)電塑料
在過去的半個世紀(jì)里，塑料的發(fā)展歷程很大程度上體現(xiàn)在作為金屬的替代品。在結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面，塑料取得了巨大的進(jìn)步，但在需要導(dǎo)電性的領(lǐng)域卻并非如此，因為塑料是極好的電絕緣體。
通過在塑料中添加導(dǎo)電填料（例如炭黑和較大的石墨纖維（用于制造高爾夫球桿和網(wǎng)球拍））可以克服這一缺陷。然而，使用傳統(tǒng)填料來提供必要的導(dǎo)電性所需的填充量通常較高，這會導(dǎo)致部件較重，更重要的是，塑料部件的結(jié)構(gòu)性能會嚴(yán)重下降。
眾所周知，填料顆粒的長寬比越高，達(dá)到給定導(dǎo)電性所需的填充量就越低。從這個意義上講，碳納米管 (CNT) 是理想的選擇，因為它們擁有所有碳纖維中最高的長寬比。此外，它們天生易于形成繩狀結(jié)構(gòu)，即使在極低填充量下也能提供非常長的導(dǎo)電路徑。
利用 CNT 這種特性的應(yīng)用包括 EMI/RFI 屏蔽復(fù)合材料；外殼、墊圈和其他用途的涂層；靜電耗散 (ESD)；防靜電材料和（甚至透明的?。?dǎo)電涂層；以及用于低可觀測（“隱形”）應(yīng)用的雷達(dá)吸收材料。
11、導(dǎo)電膠
這些特性使得 CNT 成為電磁屏蔽、ESD 材料等領(lǐng)域中應(yīng)用的導(dǎo)電填料，也使其在電子封裝和互連應(yīng)用（如粘合劑、灌封化合物、同軸電纜和其他類型的連接器）中具有吸引力。
12、CNT陶瓷材料
加州大學(xué)戴維斯分校的材料科學(xué)家研制出了一種碳納米管增強(qiáng)陶瓷材料。這種新材料比傳統(tǒng)陶瓷堅韌得多，導(dǎo)電性好，既能導(dǎo)熱，又能充當(dāng)熱障，具體效果取決于納米管的方向。
陶瓷材料非常堅硬，耐熱耐化學(xué)腐蝕，因此非常適合用于渦輪葉片涂層等應(yīng)用，但它們也非常脆。研究人員將氧化鋁粉末與5%至10%的碳納米管以及另外5%的精細(xì)研磨鈮混合。研究人員用電脈沖對混合物進(jìn)行處理，這一過程被稱為放電等離子燒結(jié)。與傳統(tǒng)工藝相比，該工藝能夠更快地在較低溫度下固化陶瓷粉末。
這種新材料的斷裂韌性（即在應(yīng)力作用下抗開裂的能力）比傳統(tǒng)氧化鋁高出五倍。其電導(dǎo)率是之前用納米管制成的陶瓷的七倍。它還具有獨特的熱性能，能夠沿著納米管的排列方向傳導(dǎo)熱量，同時以與納米管垂直的方向反射熱量，使其成為一種極具吸引力的熱障涂層材料。
其他碳納米管應(yīng)用
碳納米管 (CNT) 還有許多其他潛在應(yīng)用，例如太陽能收集、納米多孔過濾器、催化劑載體以及各種涂層。這種非凡材料幾乎肯定會在未來幾年內(nèi)展現(xiàn)出許多意想不到的應(yīng)用，這些應(yīng)用可能被證明是所有應(yīng)用中最重要、最有價值的。許多研究人員正在研究用碳納米管 (CNT) 制成的導(dǎo)電紙或防水紙。碳納米管還被證明能夠吸收紅外光，并可能在紅外光學(xué)行業(yè)中得到應(yīng)用。
