碳納米管的徑向尺寸較小，管的外徑一般在幾納米到幾十納米；管的內徑更小，有的隻有1 納米左右。而碳納米管的長度一般在微米量級，長度和直徑的比非常大，可達103～106，因此，碳納米管被認為是一種典型的一維納米材料。管壁由類石墨微晶的碳原子S P2 雜化與周圍三個碳原子完全鍵合而成的六邊形碳環構成。 碳納米管的彎曲部位是由五邊形和七邊形的碳環組成的。 當六邊形逐漸延伸出現五邊形時碳納米管就會凸出，七邊形出現則會使其凹進。如果五邊形出現在碳納米管的頂端則成為碳納米管的封口。
　　碳納米管分單壁和多壁兩類：
　　1) 單壁碳納米管（Single-walled nanotubes, SWNTs）：由一層石墨烯片組成。單壁管典型的直徑和長度分別為0.75～3nm和1～50μm。又稱富勒管(Fullerenes tubes)。


　　2) 多壁碳納米管（Multi-walled nanotubes, MWNTs）：含有多層石墨烯片。形狀象個同軸電纜。其層數從2～50不等，層間距為0.34±0.01nm，與石墨層間距(0.34nm)相當。多壁管的典型直徑和長度分別為2～30nm和0.1～50μm。多壁管在開始形成的時候，層與層之間很容易成為陷阱中心而捕獲各種缺陷，因而多壁管的管壁上通常佈滿小洞樣的缺陷。與多壁管相比，單壁管是由單層圓柱型石墨層構成，其直徑大小的分佈范圍小，缺陷少，具有更高的均勻一致性。

1) 力學性質
　　碳納米管的抗拉強度達到50～200GPa,是鋼的100倍,密度卻隻有鋼的1/6，至少比常規石墨纖維高一個數量級。它是最強的纖維，在強度與重量之比方麵，這種纖維是最理想的。如果用碳納米管做成繩索，是迄今唯一可從月球掛到地球表麵而不會被自身重量拉折的繩索，如果用它做成地球——月球載人電梯，人們來往月球和地球獻方便瞭。用這種輕而柔軟、結實的材料做防彈背心那就更加理想瞭。
　　除此以外，它的高彈性和彎曲剛性估計可以由超過兆兆帕的楊氏模量的熱振幅測量證實。對於具有理想結構的單層壁的碳納米管，其抗拉強度約800GPa ；對於多層壁，理論計算太復雜，難於給出一確定的值。碳納米管的結構雖然與高分子材料的結構相似，但其結構卻比高分子材料穩定得多。在大氣氧化條件下，碳納米管在973K的溫度下失重很少，結構基本沒有發生變化。碳納米管在酸、堿的長時間浸泡下，結構基本不發生破壞。
　　人們還預言，碳納米管隻會在非常高的應變（15％—20％）狀況才會破壞。在動力學模擬中，它們的行為象“超級細繩”。納米管能抗扭轉力引起的畸變，在許多情況下，納米管可以在卸載時恢復原來的截麵，不象石墨纖維，壓縮時易破壞。壓縮的納米管形成波峰狀的紐結，卸載後，能彈性地松弛。納米管的這種特性使其在諸如高強度復合材科的制造中和紡織原料的紡織中具有極大的吸引力。碳納米管是目前可制備出的具有最高比強度的材料。若將碳納米管與其他工程材料制成復合材料,可對基體起到強化作用。

2) 熱學性質
　　一維管具有非常大的長徑比，因而大量熱是沿著長度方向傳遞的，通過合適的取向，這種管子可以合成高各向異性材料。雖然在管軸平行方向的熱交換性能很高，但在其垂直方向的熱交換性能較低。納米管的橫向尺寸比多數在室溫至150oC電介質的品格振動波長大一個量級，這使得彌散的納米管在散佈聲子界麵的形成中是有效的，同時降低瞭導熱性能。適當排列碳納米管可得到非常高的各向異性熱傳導材料。

3) 光學性質
　　碳納米管喇曼散射譜的結果表明:主要由(9 ,9) 和(10 ,10) 單壁碳納米管構成的束具有許多喇曼活性模,其中頻率在1580cm- 1附近的大量振動模與碳納米管的直徑無關,而頻率在168cm- 1左右的強振動模與直徑密切相關 [ 9 ] 。在喇曼散射光譜中,對於徑向呼吸振動峰,峰位與單壁碳納米管半徑的關系為[ 10 ]
　　　　　　　　　　　　　　　　ω = A / r （2）

　　式中,ω為徑向呼吸振動峰的峰位(cm- 1) , r 為單壁碳納米管的半徑(nm) ,A 為比例參數(cm- 1·nm) 。對於Armchair 型單壁碳納米管A = 118 ,對於Zigzag 型單壁碳納米管A = 116。上式表明,徑向呼吸振動峰的頻率反比於單壁碳納米管的半徑。類似的數學關系式也有報道。

4) 電學性質
　　碳納米管的性質與其結構密切相關。由於碳納米管的結構與石墨的片層結構相同，所以具有很好的電學性能。理論預測其導電性能取決於其管徑和管壁的螺旋角。當CNTS的管徑大於6mm時，導電性能就下降；當管徑小於6mm時，CNTS可以被看成具有良好導電性能的一維量子導線。
　　碳納米管具有獨特的電學性質,這是由於電子的量子限域所致,電子有效的運動隻能在單層石墨片中沿碳納米管的軸向方向,徑向運動受到限制,因此它們的波矢是沿軸向的。計算表明:單壁碳納米管的電學性質與其手性矢量有關,當式(1) 中的m 和n 滿足

　　　　　　　　　　　　| m - n | = 3 k 　　( k = 0 ,1 ,2 · · ·) （3）

時,碳納米管是金屬性的,其它類型的單壁碳納米管是半導體性的 。由於碳納米管的尖端具有納米尺度的曲率,是極佳的發射電療。碳納米管在代替鉬針作發射電療時,隻有較低的發射電壓和較高的發射電流密度。因為碳納米管在物理性質上具有明顯的量子特點,故可能成為下一代微電子和光電子器件的基本單元。
　　由公式（3）就其導電性而言，碳納米管可以是金屬性的，也可以是半導體性的，甚至在同一根碳納米管上的不同部位，由於結構的變化，也可以呈現出不同的導電性。此外，電子在碳納米管的徑向運動受到限制，表現出典型的量子限域效應；而電子在軸向的運動不受任何限制。因此，可以認為碳納米管是一維量子導線。 　　作為典型的一維量子輸運材料，金屬性的碳納米管在低溫下表現出典型的庫侖阻塞效應。當外電子註入碳納米管這一微小的電容器（其電壓變化為ΔV=Q/C，其中Q為註入的電量，C為碳納米管的電容）時，如果電容足夠小，隻要註入1個電子就會產生足夠高的反向電壓使電路阻斷。當被註入的電子穿過碳納米管後，反向阻斷電壓隨之消失，又可以繼續註入電子瞭。

　　經過各國科學傢十幾年的研究，對碳納米管的物理、化學、導電性能、熱學性能、電子學等方麵有瞭較深刻的瞭解。在基礎研究和應用領域都取得瞭重要進展。碳納米管應用領域十分廣泛,具有巨大的商業價值。其高強度的特性使它可作為超細高強度纖維,也可作為其它纖維、金屬、陶瓷等的增強材料。碳納米管被認為是復合材料強化項的終極形式，在復合材料的制造領域中有十分廣闊的應用前景。其獨特的導電性(約1/ 3 數量的單層碳納米管可看成這種一維金屬；另一類為半導體2/ 3 數量的碳管則可看成一維半導體) 使碳納米管可用於大規模集成電路，超導線材。也可用於電池電療和半導體器件。

1) 碳納米管復合材料
　　（1）　導電塑料(聚脂) 。將碳納米管均勻地擴散到塑料中,可獲得強度更高並具有導電性能的塑料。可用於靜電噴塗和靜電消除材料,目前高檔汽車的塑料零件由於采用瞭這種材料,可用普通塑料取代原用的工程塑料,簡化制造工藝,降低瞭成本,並獲得形狀更復雜、強度更高、表麵更美觀的塑料零部件。是靜電噴塗塑料(聚脂) 的發展方向。同時由於碳納米管復合材料具有良好的導電性能,不會象絕緣塑料產生靜電堆積,因此是用於靜電消除、晶片加工、磁盤制造及潔凈空間等領域的理想材料。碳納米管還有靜電屏蔽功能,由於電子設備外殼可消除外部靜電對設備的乾擾,保證電子設備正常工作。
　　（2） 電磁乾擾屏蔽材料及隱形材料。由於特殊的結構和介電性質,碳納米管表現出較強的寬帶微波吸收性能,它同時還具有重量輕、導電性可調變、高溫抗氧化性能強和穩定性好等特點,是一種有前途的理想的微波吸收劑,可用於隱形材料、電磁屏蔽材料或暗室吸波材料。碳納米管將用於制造具有電磁乾擾屏蔽功能及吸收電磁波功能的隱形材料。碳納米管對紅外和電磁波有隱身作用的主要原因有兩點:一方麵納米微粒尺寸遠小於紅外及雷達波波長,因此納米微粒材料對這種波的透過率比常規材料要強得多,這就大大減少波的反射率,使得紅外探測器和雷達接收到的反射信號變得很微弱,從而達到隱身的作用;另一方麵,納米微粒材料的比表麵積比常規粗粉大3～4 個數量級,對紅外光和電磁波的吸收率也比常規材料大得多,這就使得紅外探測器及雷達得到的反射信號強度大大降低,因此很難發現被探測目標,起到瞭隱身作用。由於發射到該材料表麵的電磁波被吸收,不產生反射,因此而達到隱形效果。

2) 超級電容器
　　碳納米管用作電雙層電容器電療材料。電雙層電容器即可用作電容器也可作為一種能量存儲裝置。超級電容器可大電流充放電，幾乎沒有充放電過電壓，循環壽命可達上萬次，工作溫度范圍很寬。電雙層電容在聲頻 -視頻設備、調諧器、電話機和傳真機等通訊設備及各種傢用電器中可得到廣泛應用。
　　作為電雙層電容電療材料，要求材料結晶度高、導電性好、比表麵積大，微孔大小集中在一定的范圍內。而目前一般用多孔炭作電療材料，不但微孔分佈寬 (對存儲能量有貢獻的孔不到30%)，而且結晶度低、導電性差、導致容量小。沒有合適的材料是限制電雙層電容在更廣闊范圍內使用的一個重要原因。
　　碳納米管比表麵積大、結晶度高、導電性好，微孔大小可通過合成工藝加以控制，因而是一種理想的電雙層電容器電療材料。由於碳納米管具有開放的多孔結構，並能在與電解質的交界麵形成雙電層，從而聚集大量電荷，功率密度可達8000W/kg。其在不同頻率下測得的電容容量分別為102F/g(1Ｈｚ)和49F/g(100Hz)。碳納米管超級電容器是已知的最大容量的電容器，存在著巨大的商業價值。

3) 鋰離子電池
　　碳納米管可用於鋰離子電池負極材料。碳納米管的層間距為0. 34nm ,略大於石墨的層間
距0. 335nm ,這有利於Li + 的嵌入與遷出,它特殊的圓筒狀構型不僅可使Li + 從外壁和內壁兩方麵嵌入,又可防止因溶劑化Li + 嵌入引起的石墨層剝離而造成負極材料的損壞。碳納米管摻雜石墨時可提高石墨負極的導電性,消除極化。實驗表明,用碳納米管作為添加劑或單獨用作鋰離子電池的負極材料均可顯著提高負極材料的嵌Li + 容量和穩定性。
　　碳納米管比表麵積大,結晶度高,導電性好,微孔大小可通過合成工藝加以控制,因而有可能成為一種理想的電療材料。在鋰離子電池中加入碳納米管,也可有效提高電池的儲氫能力,從而大大提高鋰離子電池的性能。根據實驗,多壁碳納米管鋰電池放電能力達到385mAh/ g ,單壁管則高達640mAh/ g ,而石墨的理論放電療限為372mAh/ g。
　　浙江大學物理系Wang C. S. 等人用納米碳管作為鋰離子電池的負極活性物質其電池容量超過石墨嵌鋰化合物理論容量一倍以上。另外還可作在污水處理時的高效吸附凈化劑、分離不同離子的吸附劑等。由於納米碳管特別是SWNT 具有極小的直徑, 可用作氣體凝固吸附材料。

4) 場發射管(平板顯示器)
　　在矽片上鍍上催化劑,在特定條件下使碳納米管在矽片上垂直生長,形成陣列式結構,用於制造超高清晰度平板顯示器,清晰度可達數萬線。同時也可使碳納米管在鎳、玻璃、鈦、鉻、石墨、鎢等材料上形成陣列式結構,制造各種用途的場發射管。

5) 傳感器
　　用碳納米管去修飾電療，可以提高對H＋等的選擇性，從而制成電化學傳感器。利用碳納米管對氣體吸附的選擇性和碳納米管的導電性，可以做成氣體傳感器。不同溫度下吸附微量氧氣可以改變碳納米管的導電性，甚至在金屬和半導體之間轉換。在碳納米管內局部填充堿金屬可以形成p－n 結。在碳納米管內填充光敏、濕敏、壓敏等材料，可以制成納米級的各種功能傳感器。納米管傳感器將會是一個很大的產業。

6）信息存儲
　　由於碳納米管作為信息寫入及讀出探頭,其信息寫入及讀出點可達1. 3nm(當存儲信號的斑點為10nm 時,其存儲密度為1012bits/ cm2 ,稱其為超高密度,比目前市場上的商品高4 個量級) ,從而實現信息的超高密度存儲,該技術將會給信息存儲技術帶來革命性變革。

　　此外,碳納米管還可用於制造催化劑和吸附劑、納米裝置(納米機器人) 、原子探針、超大規模集成電路散熱襯托材料、計算機芯片導熱板、一維導線、納米同軸電纜、分子晶體管、電子開關、美容材料、防彈背心、抗震建築等。

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