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新材料系列之碳纳米管:助跑人类新技术探索

2019-08-13

20世纪是硅的世纪,21世纪将是碳的世纪。迄今为止,在发现的新型碳材料中,碳纳米管收获了非常高的关注度与研究成果,成为新一代应用材料。
 
  碳纳米管又叫巴基管,是一种具有特殊结构的一维量子材料,在构建未来超强结构和碳基半导体器件理想核心基础材料方面有着巨大潜力。碳纳米管可以看做是由石墨烯片卷曲而成,虽然二者都是碳的同素异形体,但是不同的空间结构决定了各自的特性。按照石墨烯片的层数可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管,按照结构特征划分,可以分为扶手椅形纳米管和锯齿形纳米管等。 


 
  碳纳米管制备
 
  制备碳纳米管通常使用激光蒸发法、电弧放电法、固热相解法、气体燃烧法、电解碱金属卤化物法、聚合反应法、化学气相沉积法等。在传统制备方法中,制备原料多来源于不可再生的化学燃料,可持续发展受限。但近年来,以生物质材料(如秸秆。稻壳、发酵废渣等)制备碳纳米管的研究兴起,并取得了良好成绩,这使得碳纳米管拥有了更长远的发展空间。
 
  碳纳米管应用
 
  碳纳米管自面世后,在力学、光学、导电、传热、抗辐射以及过滤净化等领域崭露头角,涉及增强材料、电子器件、复合材料、纳米材料、医疗、反应催化剂等多方面。
 
  增强材料:据悉,碳纳米管是目前为止人类发现的力学性能最好的材料之一,其单位质量上的拉伸强度可以达到钢铁的276倍。尤其是单壁碳纳米管的结构决定了其具有很强的力学性能和极大的纵横比,也因此成为制备复合材料的优良选择。目前,高强度的微米级碳纤维复合材料已经得到广泛应用,突破强度限制、进一步提升材料的性能成为未来碳纳米管科研方向之一。
 
  超强纤维:碳纳米管具有弹性高、强度高、疏水性强、绝热性好、密度低等特点,此外,碳纳米管对红外线和电磁波有隐身作用,在军用装备领域有非常好的应用前景,与普通纤维混纺制成的装备具有防弹、保暖、隐身等多重优点。
 
  电子器件:碳纳米管芯片的横空出世,使硅芯片面临新的挑战,碳纳米管芯片运行时将产生更少的热量,运行速度也更快,云计算、大数据的应用以及进入5G时代,碳纳米管芯片将有望超越硅芯片,成为未来通信和电子器件的重要核心。另外,关于高性能碳纳米管透明薄膜的相关探索正在不断发力,在纳米传感器、电子探针以及场致发射材料方面的发展也吸引了科学家的目光。
 
  储能材料:目前,锂离子电池领域是碳纳米管最具潜力的应用方向之一,由于碳纳米管自身导电性能优异且易于构筑完善的电子传导网络,因而可将其作为导电结构与锂离子电池电极材料结合,以获得具有良好电化学性能的复合电极材料;碳纳米管薄膜具有高导电性和多孔结构,可以作为超级电容器的电极材料,碳纳米管的快速充放电特性也极大地演唱了蓄电池的使用寿命,在移动通讯、航空航天、电动汽车等领域大有可为。
 
  催化净化:碳纳米管在600℃的温度下其催化活性优于贵金属铑,稳定性好并且具有更低成本,为石化产业带来革新;氮硫双掺杂的多壁碳纳米管(N,S-CNT),可用作双功能的电解水析氢析氧催化剂,进一步表明了碳材料作为催化剂在高效电解水应用上具有潜在的价值。碳纳米管的微小孔径可以用于海水脱盐,对污染物的强吸附力使增强型单壁碳纳米管用于处理污水有很好的效果,但是目前因大量应用而留存在环境中的碳纳米管问题也值得注意。
 
  医疗:据悉,科学家已经可以使用碳纳米管来控制神经元生长并修复神经细胞之间的电子链接,并且已经能够证明其安全性;碳纳米管造影剂相较于传统化学造影剂对人体损伤较小,且造影成像效果也更好;生物传感器、纳米机器人等体内监测和注射的应用也大大提高了医疗效率和治疗效果;使用碳纳米管在“电子皮肤”方面的研究与探索为未来可穿戴人机通信接口、人体生理信号检测、仿生机器人部件、便携式运动检测器以及人体假肢应用提供了新思路。
 
  碳纳米管前景
 
  碳材料的研发应用为人类带来了更多的高性能材料,碳纳米管作为性能优秀、应用领域广泛的新型碳材料,目前最有望率先得到广泛应用。
 
  碳纳米管的较短发展时间相应的也昭示着其仍存有更多的未竟难题,如提升产量的同时对成本和质量进行把控、提高其在不同环境下的稳定性、通过优化碳纳米管导体材料的结构来提升性能等。
 

来源: 中国塑料机械网

Tag: 塑料

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