中國粉體網(wǎng)訊 近日,，由劉慈欣小說改編的電視劇《三體》收官,，不過《三體》的熱度仍在延續(xù)。其中劇中有一種名為“納米飛刃”的納米材料,，只有頭發(fā)絲的十分之一粗細(xì),，肉眼看不見,，但卻可以切割鋼鐵和各種硬物，無堅不摧,。別看“納米飛刃”那么神奇,，其實它的原型就是大名鼎鼎的碳納米管。
制備完美碳納米管條件嚴(yán)格
被譽為“二十世紀(jì)最神奇的納米材料”之一的碳納米管是碳材料大家族中的一員,。
“碳納米管就是管狀的納米級石墨晶體,，分為單壁和多壁碳納米管�,！碧旖虼髮W(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院納米及復(fù)合材料研究所的沙軍威副教授解釋,，碳原子以不同的排列方式形成各種材料，堆疊在一起就是石墨,，剝離出來單層的二維材料就是石墨烯,，而把石墨烯片層卷成管狀就是碳納米管。
“在《三體》中,，‘納米飛刃’削切硬物于無形體現(xiàn)了碳納米管一個重要特性——輕質(zhì)高強,。”沙軍威介紹,，之所以這么細(xì)的碳納米管能有如此高的強度,，主要是碳納米管由碳碳鍵組成的六元環(huán)結(jié)構(gòu)完美連接，要想破壞掉碳納米管,，就必須讓碳碳鍵發(fā)生斷裂,，這需要提供很高的能量才能實現(xiàn)。
正因如此,，碳納米管有著極高的拉伸強度,、楊氏模量和斷裂伸長率。碳納米管的理論強度可以達(dá)到鋼鐵的100倍,，同時碳納米管的密度又非常低,，只有鋼的1/6。
“因此從理論上講,，‘納米飛刃’是可以實現(xiàn)的,。”沙軍威說,，不過在現(xiàn)實中,，要做出“納米飛刃”卻很難。
難度主要體現(xiàn)在哪些方面,？以目前的工藝水平,，很難制造出長程完美的原子排列結(jié)構(gòu)�,！凹{米飛刃”直徑只有一納米,，但是長度確有上百米,，別說100米，就算是只有1米,，和直徑相比,，兩者之間也相差了9個數(shù)量級。相當(dāng)于一根1毫米粗的繩子要100萬米長,。而且要保證繩子不斷,，這就要求這100萬米沒有一個缺陷。
“目前在實驗室制備碳納米管使用的是化學(xué)氣相沉積法,。如果要獲得完美的碳納米管,，需要有非常穩(wěn)定的氣流，不能有一點擾動,，這也是非常難的,。”沙軍威表示,，碳納米管在生長過程中,，如果氣體流量或氣流方向出現(xiàn)些許變化，或者實驗設(shè)備內(nèi)的溫度稍有擾動,，都可能引入缺陷,，甚至導(dǎo)致其停止生長。目前的報道中世界上最長的碳納米管是由清華大學(xué)魏飛教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊制備出的,，其單根長度可以達(dá)到半米以上,。
天生具有“基因”優(yōu)勢
除了輕質(zhì)高強的特性外，碳納米管還具有許多電學(xué)和化學(xué)等方面的優(yōu)勢性能,，利用這些性能可以制作出很多性能優(yōu)異的復(fù)合材料,。
由于碳納米管的結(jié)構(gòu)與石墨的片層結(jié)構(gòu)相同，因此碳納米管也具有和石墨烯一樣的良好導(dǎo)電性,�,！疤技{米管的電阻和其長度、直徑無關(guān),，電子通過碳納米管時不會產(chǎn)生熱量加熱碳納米管。電子在碳納米管中的傳輸就像光信號在光學(xué)纖維電纜中的傳輸一樣,，能量損失微小,，因此碳納米管具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，是一種優(yōu)異的導(dǎo)電添加劑,�,！鄙耻娡榻B，此外,，碳納米管還可以應(yīng)用于透明導(dǎo)電薄膜,、納米導(dǎo)線,、電子器件的制作。
碳納米管強度高卻不脆,。彎曲碳納米管或在軸向?qū)ζ涫┘訅毫r,，即使外力超過歐拉強度極限或彎曲強度極限，碳納米管也不會斷裂,，而是首先發(fā)生大角度彎曲,，當(dāng)外力釋放后，碳納米管又會恢復(fù)原狀,。同時,，碳納米管化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有耐酸性和耐堿性,。因此碳納米管又被作為復(fù)合材料增強體添加到金屬,、塑料、橡膠,、水泥等中,。
沙軍威介紹：“用碳納米管材料增強的塑料力學(xué)性能優(yōu)良、導(dǎo)電性好,、耐腐蝕,，可屏蔽無線電波；使用水泥做基體的碳納米管復(fù)合材料耐沖擊性好,、防靜電,、耐磨損、穩(wěn)定性高,，不易對環(huán)境造成影響,；碳納米管增強金屬復(fù)合材料強度高，可以實現(xiàn)很好的強度,、韌性的匹配,，綜合力學(xué)性能優(yōu)異�,！�
碳納米管還具有良好的儲氫性能和優(yōu)越的嵌鋰特性,。“由于碳納米管本身具有高比表面積,，再經(jīng)過處理后具有優(yōu)異的儲氫能力,。”沙軍威介紹,，此外,，碳納米管的中空管腔、管與管之間的間隙、管壁中層與層之間的空隙及管結(jié)構(gòu)中的各種缺陷,，為鋰離子提供了豐富的存儲空間和運輸通道,。所以碳納米管也被用于儲氫材料以及電池電極材料（電池、超電容,、新型鋰電池等）,。
“我們團(tuán)隊與美國萊斯大學(xué)詹姆斯·圖爾教授團(tuán)隊合作，開發(fā)了液相催化劑法,，實現(xiàn)了任意碳材料基體上碳納米管陣列的可控制備,，并且在儲能材料領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用�,！鄙耻娡f,。
此外，利用碳納米管表面缺陷增強的反應(yīng)活性,，人們還可以把碳納米管應(yīng)用于光催化,、電催化領(lǐng)域。南京東焱氫能源科技有限公司與南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點實驗室合作的一項研究,，為碳納米管作為催化劑載體提供了一種可行思路,。他們對多壁碳納米管進(jìn)行表面氧化并引入硼元素，之后將其作為載體,，成功制備了擁有高活性的鉑基催化劑,。
未來應(yīng)用圍繞三大性能展開
碳納米管目前產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用最多的是作為鋰離子電池的正極導(dǎo)電添加劑。碳納米管和石墨烯導(dǎo)電添加劑相較于傳統(tǒng)導(dǎo)電劑具有導(dǎo)電性能好,、用量小的特點,。
目前碳納米管在這個行業(yè)的滲透率，也已經(jīng)超過了20%,。有業(yè)內(nèi)人士統(tǒng)計,，超過90%的中高端數(shù)碼鋰電池廠家已將碳納米管作為導(dǎo)電添加劑用于電池生產(chǎn)，比如比亞迪,、比克電池等,。
據(jù)專業(yè)機構(gòu)預(yù)測，3年后碳納米管導(dǎo)電添加劑需求量將達(dá)到60萬噸,，市場規(guī)模超過35億元,，復(fù)合增長率超過40%。
“除了用于導(dǎo)電添加劑,，未來碳納米管會在很多領(lǐng)域大有作為,，不過其主要應(yīng)用離不開它最重要的三大性能�,！鄙耻娡榻B，首先就是輕質(zhì)高強,。像沙軍威所在團(tuán)隊研發(fā)的碳納米管增強鋁基復(fù)合材料就可以應(yīng)用在火箭等航天器上,�,！皩τ谥圃旌教炱鞯牟牧蟻碚f，最重要的就是輕質(zhì)高強,。鋁比目前應(yīng)用于航天器制造的鋼和鈦質(zhì)量輕很多,，但是硬度和強度不夠，加入了碳納米管,，就可以實現(xiàn)輕質(zhì)高強,，發(fā)射成本會大幅下降�,！鄙耻娡硎�,。
由于碳納米管具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能,，因此還可以把它添加到塑料,、紡織材料中，美國萊斯大學(xué)研究人員就使用交織的碳納米管纖維制作了一件可以作為心率監(jiān)測器的襯衣,。
此外,，由于碳納米管具有表面缺陷增強的反應(yīng)活性，使得其在催化領(lǐng)域的應(yīng)用也方興未艾,�,！氨热缬锰技{米管作為催化劑電解水制氫，把二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲醇等有機物,，都是目前研究的熱門,。”沙軍威介紹,。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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