碳纳米管纳米复合材料现状与发展

摘 要：碳纳米管从物理和化学方面都具有独特性，它的应用范围广泛，从汽车防护零件到修饰电机，从氢气的储存到微波吸收等等，都得到了广泛的应用。所以碳纳米管的发现是材料学，工程制备的一个优秀成果。本文从碳纳米管的发现，到对它的简介，特性的应用以及目前存在的一些亟需解决的问题进行了阐述。并提出了对它未来发展的建议和展望。

关键词：碳纳米管；制备应用；特性；微波吸收

中图分类号：TB393 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 10-0031-01

一、发现与初步特性研究

碳纳米管是在1991年由日本科学家发现并做出了报道。是在实验中用高倍的隧道显微镜意外观察到的，由于全部由碳原子形成，而且是石墨按一定形式叠合组成，所以称它为碳纳米管。经过进一步的细致研究，发现碳纳米管表面扩张的强度好，可耐2000多度以上的高温，并且导热性能快，导热率高，电负载能力远远超过铁铜等普通金属。所有这些特性，让碳纳米管具备了进行加工，变成适合实际应用的复合材料的条件。按目前的划分，主要把碳纳米管制备成结构和功能量大复合材料类型。碳纳米管的初步特性：它具备了优越的导电性能，这些性能与碳纳米管自身的特殊形成结构有着密切的关系。从碳纳米管的自身形成结构来讲，碳纳米管和石墨的片层结构可以说是基本相同的，众所周之，石墨具备优越的电学性能，因此它也具备了优越的电学性能。经过研究初步认为它的导电性能与自身的管径和他的管壁形成螺旋角度有关。如果管径大于6毫米的情况下，导电性能会大幅度的下降；相反的，如果小于这一临界数值，就可以具备一维量子导线的优越导电性。碳纳米管在力学方面也有自身的特点，尤其表现在抗扩展性方面，在强度和韧性方面性能突出。从机构来分析碳纳米管碳原子之间的距离很短、自身管径较小，结构自身就具有优越性，铜金属要远远逊色于碳纳米管。所以它在符合材料方面的发展不可限量。

二、碳纳米管实现应用的制备过程

碳纳米管如果想完场大批量的工业等方面的应用，一定要先实现低成本情况下大量的制备。碳纳米发现以后，如何制备它并且采取何种工艺是人们研究的热点。可以说在制备方法上，有许多成功的案例。它们互有优劣。下面列举几个常见方法，加以说明。早期的床催化裂解法工艺相对简单，经济成本较低，可以体现碳纳米管的物理特点。但它也有不足，催化剂与碳纳米管的接触不足，催化剂不能高效工作，产量低，不适合大批量生产。因此对设备进行了相应改进，采用沸腾床，加大接触面积，让催化剂不断实现颗粒的运动状态，提高了催化剂的效率，增加了碳纳米管的产量。直到现今设备的优化仍在不断进行。常用的还有利用机械力和磁力搅拌实现分离出碳纳米管的溶液共混复合法。目的是让碳纳米管均匀分散在聚合物溶液中，再将多余的溶剂除去后即可获得聚合物/碳纳米管复合材料。这种方法的优点是操作简单、方便快捷，常常用于制备膜类材料，比如，树脂类符合材料，烯类等符合材料。利用转子实现剪切力量从而制备碳纳米管的方法熔融共混复合法：是可以避免溶剂或表面活性剂对复合材料的污染，复合物没有发现断裂和破损，但仅适用于耐高温、不易分解的聚合物中同时还有将碳纳米管分散在聚合物单体，加入引发剂，引发单体原位聚合生成高分子，得到聚合物/碳纳米管复合材料。这种方法被认为是提高碳纳米管分散及加强其与聚合物基体相互作用的最行之有效的方法。以上各种方法，优势明显但也存在这不足。适合根据生产制备材料的分类进行选取，也适合对制备的设备进行优化，来进一步提升碳纳米管的制备效率。

三、目前碳纳米管的应用范围

首先碳纳米管可以作为催化剂来应用，可以提高催化剂的活性，这跟碳纳米管自身特点有关，它的表面原子比率较大，相对来说它的表面积比也较大。尤其对加氢的催化剂作用更加明显。其次可以用于氢气的储存技术方面。当今社会，能源问题亟待解决，能源的不断开发和浪费，造成了能源的不足，一些能源的低效高耗使用，又造成了环境的污染，氢气高效环保，适合汽车使用，所以实现氢气能源工业化，商业化走入了人们的视野。但完成这个工业化的过程，首要解决的就是氢气的大量储存问题。碳纳米管恰恰具备优越的储氢的性能。目前的研究成果标明，碳纳米管可以负载5WT%以上的氢储存量。美国的再生能源实验室通过实验，得出了这个结论，并进行了说明。再后期的超声实验中再次证明了这一点。另一方面在电级的应用方面碳，纳米管比表面积大，结晶度高，导电性好，微孔大小可通过合成工艺加以控制，因而有可能成为一种理想的电极材料。

四、不足与展望

在大量的实现制备上仍然存在不足，以催化机床实现制备碳纳米管来说，虽然沸腾的方法，解决了大规模的生产制备碳纳米管的问题，但是，对于所制备出的碳纳米管的各项指标还无法精确由机床来完成，比如事先设置的合理的管径是多少，具有多高的螺旋性等等，今后应该加大制备设备的工艺研究力度，提高工艺生产设施条件。另外在制备中还存在取向、成型等细节的问题。以成型问题来说，当前成型技术常用手段为模压、溶液浇铸，前者具备操作起来快捷简单、利于大规模生产的工业化，也存在不足，当它在降温的过程时，会出现内外温差大的问题，此时碳纳米管容易出现表面开裂；后者虽然形在制备中不存在应力因素的负面影响，但却会出现溶剂的出去过程时间长，样品重新出现团聚反应。当然在应用的方面也有发展的空间，例如在微波吸收的应用中可以对微观的尺寸进行更细致更深入的研究，在电极应用方面可以对电磁特性在碳纳米管上的反应进行进一步研究，从而扩展碳纳米管的应用范围，对于已经大规模应用的可以提升应用效率和解决临界的细节问题。

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