1、纳米技术与纳米碳管的应用有科学家预言，在 21 世纪纳米材料将是“最有前途”的材料。纳米技术甚至会超过计算机和基因学，成为“决定性技术” 。国际纳米结构材料会议于 1992 年开始召开（两年一届） 并且目前已有数种与纳米材料密切相关的国际期刊。德国科学技术部预测到 2010年纳米技术市场为 14400 亿美元美国政府自 2000 年克林顿总统启动国家纳米计划以来，已经为纳米技术投资了大约 20 亿美元。同时，欧盟在 20022006 年期间将向纳米技术投资10 多亿美元。日本 2002 年的纳米技术开支已经从 1997 年的 1.20 亿美元提高到 7.50 亿美元。1.纳米材料应用特性 纳米
2、材料高度的弥散性和大量的界面为原子提供了短程扩散途径，导致了高扩散率，其对蠕变，超塑性、有显著影响，并使有限固溶体的固溶性增强、烧结温度降低、化学活性增大、耐腐蚀性增强（受均匀腐蚀而不同于粗晶材料的晶界腐蚀）因此，纳米材料表现出的力、热、声、光、电、磁性等，往往不同于该物质在粗晶状态时表现的性质。与传统粗晶材料相比，纳米材料具有高强度、硬度、高扩散性、高塑性、韧性、低密度、低弹性模量、高电阻、高比热、高热膨胀系数、低热导率及强软磁性能，可应用于高力学性能环境、光热吸收、非线性光学、磁性记录、特殊导体、分子筛、超微复合材料、催化剂、热交换材料、敏感元件、烧结助剂、润滑剂等领域。把生物、化学和物理
3、学在纳米层次结合在一起， 已经给人们带来了能够探测生化武器的便宜传感器。由西北大学开发的一种比色传感器， 已经成功地探测出炭疽和结核杆菌。最近对诸如纳米碳管、纳米电缆、纳米测温计，分子马达和分子开关等一些有序结构和物质所做的研究， 预示着纳米技术有着广阔的发展前景。但这些成果只是表明了未来的潜在发展方向。2.纳米碳管简介1991 年由 NEC 的 S.Iijima 博士首次正式提出了纳米碳管。近年来中国科学院物理研究所解思深课题组研制成功长度 2mm 的纳米碳管， 这些纳米碳管形成超长度定向纳米碳管阵列。中国科学院金属研究所成会明课题组研制出单壁、多壁纳米碳管。纳米碳管作为新型准一维功能材料日
4、益受到人们的关注。纳米碳管是由石墨的碳原子层卷曲而成的， 是由单层或多层石墨卷成的无缝管状壳层结构。形象的讲， 它是由碳原子组成的五元环、六元环或七元环(主要是六元环) 连在一起， 组成象纸一样的平板形状， 然后卷曲而成的一层或多层的中空管， 管径在纳米范围内(0.4nm100nm)的管状材料理想的纳米碳管中的碳原子均为三配位并形成变形的六方网络， 其两端往往依靠引入五边形环而封闭。管的直径一般为几个纳米到几十个纳米， 而管壁的厚度仅为几个纳米 。纳米碳管的物理性质与它的结构密切相关。碳原子卷成管状的不同方式， 可使它们产生不同的电子特性。纳米碳管可以是金属性的， 也可以是半导体性的。甚至在同
5、一根纳米碳管上， 由于结构的变化， 在纳米碳管的不同的部位也可以呈现不同的电导性质。纳米碳管还有特殊的力学性质， 用一层碳原子的六方网格卷曲而成的单层纳米碳管的强度大约为钢的 100倍， 而密度只有钢的 1/6。由于它的完整结晶性， 纳米碳管被预测具有极好的电学、力学、磁学等性能， 因此在场发射， 平面显示器和微观电子学元件等领域具有广阔的应用前景。 纳米材料技术的重要组成部分是纳米微电子学及其器件， 最终目标是将目前的集成电路进一步减小， 研制出由单分子构成的在室温下能使用的各种电子器件和其他元器件。纳米碳管具有许多诱人的材料特性。具有奇特性能的纳米碳管的成功研制为纳米微电子学的大发展奠定了
6、基础。从实验和理论上都证明了纳米碳管具有特别高的模量系数及很高的电导率， 这些特性都为纳米碳管在电子学、光学、磁学以及药学上的应用打开希望之门。由于纳米碳管的特殊结构， 纳米碳管越来越多的应用已经被发现。纳米碳管优异的电导性能将使它成为今后计算机芯片的导热板， 也将用于发动机， 火箭等耐高温部件的防护材料。纳米碳管是目前世界上最好的热导材料， 它依靠超声波传递热能， 其传递速度可达到每秒 1 万米。即使将纳米碳管捆在一起， 热量也不会从一个纳米碳管传到另一纳米碳管， 这说明了纳米碳管只能在一维方向传递热能。纳米碳管具有特别的场发射性能， 可以作为电子枪， 具有尺寸小， 发射电压低， 发射密度大
7、， 稳定性高， 不需要加热和高真空等优点， 可以应用于平板显示器中。3.纳米碳管的制备纳米碳管的合成技术主要有：电弧法、激光烧蚀(蒸发) 法、催化裂解或催化化学气相沉积法(CCVD)，以及在各种合成技术基础上产生的定向控制生长法等。3.1 电弧法：利用石墨电极放电获得纳米碳管是各种合成技术中研究得最早的一种。研究者在优化电弧放电法制取纳米碳管方面做了大量的工作。T. W. Ebbese 在 He 保护介质中石墨电弧放电，首次使纳米碳管的合成达到了克量级。为减少相互缠绕的纳米碳管在阴极上的烧结，D.T.Collber 将石墨阴极与水冷铜阴极座连接，大大减少了纳米碳管缺陷。C. Journet4等
8、在阳极中填人石墨粉末和铱的混合物，实现了SWNTs 的大量制备。研究发现，铁组金属、一些稀土金属和铂族元素或以单个金属或以二金属混合物均能催化 SWNTs 合成。近年来，人们除通过调节电流、电压，改变气压及流速，改变电极组成，改进电极进给方式等优化电弧放电工艺外，还通过改变打弧介质，简化电弧装置。综上所述，电弧法在制备纳米碳管的过程中通过改变电弧放电条件、催化剂、电极尺寸、进料方式、极间距离以及原料种类等手段而日渐成熟。电弧法得到的纳米碳管形直，壁簿( 多壁甚至单壁).但产率偏低，电弧放电过程难以控制，制备成本偏高其工业化规模生产还需探索。3.2 催化裂解法或催化化学气相沉积法(CCVD)催化
9、裂解法是目前应用较为广泛的一种制备纳米碳管的方法。该方法主要采用过渡金属作催化剂，适于纳米碳管的大规模制备，产物中的纳米碳管含量较高，但纳米碳管的缺陷较多。催化裂解法制备纳米碳管所需的设备和工艺都比较简单，关键是催化剂的制备和分散。目前用催化裂解法制备纳米碳管的研究主要集中在以下两个方面：大规模制备无序的、非定向的纳米碳管;制备离散分布、定向排列的纳米碳管列阵。一般选用 Fe， Co、Ni 及其合金作催化剂，粘土、二氧化硅、硅藻土、氧化铝及氧化镁等作载体，乙炔、丙烯及甲烷等作碳源，氢气、氮气、氦气、氩气或氨气作稀释气，在 5301130范围内，碳氢化合物裂解产生的自由碳离子在催化剂作用下可生成
10、单壁或多壁纳米碳管。1993 年 Yacaman 等人5采用此方法，用 Fe 催化裂解乙炔，在 770下合成了多壁纳米碳管，后来分别采用乙烯、聚乙烯、丙烯和甲烷等作为碳源，也都取得了成功。为使碳离子均匀分布，科研人员还用等离子加强或微波催化裂解气相沉积法制备纳米碳管。3.3 激光蒸发法激光蒸发法是制备单壁纳米碳管的一种有效方法。用高能 CO2 激光或 Nd/YAG 激光蒸发掺有 Fe、Co、Ni 或其合金的碳靶制备单壁纳米碳管和单壁纳米碳管束，管径可由激光脉冲来控制。Iijima 等人发现激光脉冲间隔时间越短，得到的单壁纳米碳管产率越高，而单壁纳米碳管的结构并不受脉冲间隔时间的影响。用 CO2
11、 激光蒸发法，在室温下可获得单壁纳米碳管，若采用快速成像技术和发射光谱可观察到氩气中蒸发烟流和含碳碎片的形貌，这一诊断技术使跟踪研究单壁纳米碳管的生长过程成为可能。激光蒸发(烧蚀) 法的主要缺点是单壁纳米碳管的纯度较低、易缠结。3.4 定向生长法定向生长首先是特定制作基底模板之上的生长，模板的制作是决定生成的产物是否定向的关键。模板可通过掩膜技术、电镀技术、化学刻蚀、表面包覆、溶胶一凝胶、微印刷术等技术，使金属或含金属的催化剂沉积于一定的基底上制得。利用催化热解或各种CCVD 技术等可实现纳米碳管在模板上的有序生长。已报道的制备方法中，以孔型硅或孔型 Al2O3 为模板，通过 CCVD 合成定
12、向纳米碳管的方法居多。定向生长法制出的纳米碳管准直、均匀性好、石墨化程度高、纳米碳管相互平行排列不缠绕缺陷相对少，但制作模板和催化剂需冗长且繁杂的工艺过程，其操作和设备要求比较苛刻，因此规模受限。最近文献报道显示，一定条件下通过浮游催化亦可实现纳米碳管定向生长。这无疑是定向生长值得探究的方向。上述各种合成方法各有特点，电弧法得到的纳米碳管形直壁薄，长度较短，但电弧反应难于控制，不利于工业化规模生产。激光烧蚀法得到的纳米碳管杂质较少，易于提纯，但需要复杂昂贵的设备，能耗大、产量小，限制了它的广泛应用。CCVD 设备简单，可控工艺参数少，相对能耗小，可大规模生产，但制出的纳米碳管相互缠绕缺陷较多。
13、模板定向生长制出的纳米碳管质量相对上乘，但制作工艺复杂。产量极其有限，难于满足需求。因此纳米碳管合成所面临的急待解决的问题仍不容忽视。4.纳米碳管的应用4.1 在生物医学上的应用由于纳米碳管具有微型、灵敏、精确的特点，可将它用于传导普通压力传感器无法传导的区域。比如，纳米碳管压力传感器可进入血管、淋巴系统进行工作 ， 甚至可直接进入细胞、细胞器来传导信息。由于纳米碳管传感器的尺度是在纳米级的， 所以可以用其探测 DNA 的复制、转录，以及一些微小变化，从而对 DNA 的研究与探索提供巨大的帮助 。而这些都是普通压力传感器无法比拟的。纳米碳管气体传感器和普通气体传感器相比具有尺寸小、反应快、灵敏
14、度高、表面积大、能在室温或更高温度下操作等优点，并可将单壁纳米碳管置于新环境或者通过加热后重新使用。所以， 利用纳米碳管可制得最小的生物医学分子级气敏元件 ， 其响应时间比目前使用的同类金属氧化物或聚合物传感器至少快一个数量级。假如把纳米碳管气体传感器用于病人呼吸监控、呼吸检测等方面，将取得一般传感器难以达到的效果。随着科技的发展 ， 移动电话、磁卡等电磁工具广泛地用于人们的生活之中。但是 ， 电磁波以对人们的身体健康会产生一些负面影响，会引起头痛、睡眠紊乱、神经衰弱等健康问题 。现在，这个问题已经引起了人们的广泛关注。纳米碳管传感器具有微型、灵敏、携带方便的特点。如果把纳米碳管电磁传感器注入
15、人体，随时监控电磁波对人体的影响 ， 将在很大程度上减少其对人体造成的伤害。同时，纳米碳管传感器可用于检测人体电磁场变化 。医务人员可通过测量人体电磁场的大小来判断人体的生理变化 。由于纳米碳管具有纳米尺度，纳米碳管电磁传感器将作为一种特殊的电磁传感器广泛地用于生物医学工程领域中。4.2 在摩擦磨损中的应用纳米碳管优异的力学性能、摩擦学性能和导热性能，在提高材料耐磨、减摩性能方面起到了显著的作用 ，因此在复合材料制备、表面镀层制备等方面得到了广泛的应用。纳米碳管增强镍基合金镀层均匀、致密且与基体结合牢固， 纳米碳管可以显著提高镍基自熔合金镀层的硬度和在自润滑条件下的耐磨性能。当复合镀层中的纳米
16、碳管质量分数为 0. 5 %时，其耐磨性最好。用化学镀技术在 45# 钢表面镀覆 NiPCN Ts 复合镀层，研究结果表明:NiPCN Ts 镀层和 NiP 石墨复合层相比由于纳米碳管独特的管状结构和超强力学性能，在摩擦副之间作为镀层表面增强体和自润滑剂可以改善复合镀层的耐磨性能， 降低复合镀层摩擦系数。该镀层经 673 K/ 2h 热处理后 ，复合镀层的硬度和耐磨性能都显著提高。由于纳米碳管的长径比大 ，虽然大部分埋在镀层内，但仍有少量纳米碳管暴露在镀层表面 ，并起承载作用。纳米碳管以网络和缠绕形状分布于复合镀层基体中，使复合镀层在摩擦磨损过程中不易脱落或拔出纳米碳管，因此复合镀层具有优良的
17、耐磨性和自润滑性，因而可显著改善基体表面的耐磨和减摩性能。近年来的研究表明:纳米碳管作为复合材料的增强体同样可以显著地降低材料的摩擦系数 ，有效地提高摩擦磨损性能，如在铜基合金中适量加入纳米碳管，材料的强度和耐磨性得到了明显提高。与碳纤维增强铜基复合材料相比，在相同条件下 ，纳米碳管增强铜基复合材料的耐磨性提高了 70 %。4.3 其他应用(1)超级电容器作为电双层电容电极材料，要求材料结晶度高、导电性好、比表面积大，微孔大小集中在一定的范围内。而目前一般用多孔炭作电极材料，不但微孔分布宽(对存储能量有贡献的孔不到 30%)，而且结晶度低、导电性差、导致容量小。碳纳米管比表面积大、结晶度高、导
18、电性好，微孔大小可通过合成工艺加以控制，因而是一种理想的电双层电容器电极材料。碳纳米管超级电容器是已知的最大容量的电容器。(2)碳纳米管复合材料导电塑料(聚脂)。将碳纳米管均匀地扩散到塑料中，可获得强度更高并具有导电性能的塑料，可用于静电喷涂和静电消除材料。电磁干扰屏蔽材料及隐形材料。由于特殊的结构和介电性质，碳纳米管表现出较强的宽带微波吸收性能，它同时还具有质量轻、导电性可调变、高温抗氧化性能强和稳定性好等特点，是一种有前途的理想微波吸收剂，可用于隐形材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料。(3)储氢材料碳纳米管经过处理后具有优异的储氢性能，理论上单壁碳纳米管的储氢能力在 10%以上，目前中国科学
19、家制备的碳纳米管储氢材料的储氢能力达到 4%以上，至少是稀土的 2倍。储存和凝聚大量的氢气可做成燃料电池驱动汽车。(4)锂离子电池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。实验表明，用碳纳米管作为添加剂或单独用作锂离子电池的负极材料均可显著提高负极材料的嵌 Li+容量和稳定性。(5)场发射管(平板显示器 )在硅片上镀上催化剂，在特定条件下使碳纳米管在硅片上垂直生长，形成阵列式结构，用于制造超高清晰度平板显示器，清晰度可达数万线。同时也可使碳纳米管在镍、玻璃、钛、铬、石墨、钨等材料上形成阵列式结构，制造各种用途的场发射管。(6)信息
20、存储由于碳纳米管作为信息写入及读出探头，其信息写入及读出点可达 1.3nm(当存储信号的斑点为 10nm 时，其存储密度为 1 012bits/cm2，称其为超高密度，比目前市场上的商品高 4 个数量级)，从而实现信息的超高密度存储，该技术将会给信息存储技术带来革命性变革。(7)催化剂载体纳米材料比表面积大，表面原子比率大(约占总原子数的 50%)，使体系的电子结构和晶体结构明显改变，表现出特殊的电子效应和表面效应。如气体通过碳纳米管的扩散速度为通过常规催化剂颗粒的上千倍，担载催化剂后极大提高催化剂的活性和选择性。碳纳米管作为纳米材料家族的新成员，其特殊的结构和表面特性、优异的储氢能力和金属及
21、半导体导电性，使其在加氢、脱氢和择型催化等反应中具有很大的应用潜力。(8)质子交换膜(PEM)燃料电池碳纳米管燃料电池是最具发展潜力的新型汽车动力源，这种燃料电池通过消耗氢产生电力，排出的废气为水蒸气，因此没有污染。只要能够提供足够氢燃料，配有碳纳米管燃料电池的电动汽车行驶路程不受限制。相比配有锂离子电池及镍氢动力电池的汽车目前充电一次行驶路程大约 200300km，碳纳米管燃料电池有巨大的优越性。结束语虽然从上个世纪 90 年代纳米碳管发现以来，就引起各国研究人员的广泛关注和研究，在纳米碳管研究上取得了不少成就，但是我们对纳米碳管的研究还处于初级阶段，方兴未艾。有待于我们深一步的研究纳米碳管的结构和性质，纳米碳管具有很多优良的性质，纳米碳管的广泛研究和应用必将给人类生活带来一场新的革命，给社会带来巨大的利益。参考文献：纳米材料应用谢济仁；邵刚勤；易忠来；段兴龙 武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室纳米碳管李峰；白朔；成会明新型炭材料纳米技术与纳米碳管许雪莲；李平；刘英昌 哈尔滨电碳厂 哈尔滨电碳研究所 哈尔滨市百货总公司建筑工程公司纳米碳管在生物医学工程领域中的应用张广；邓锟 昆明理工大学信息与自动化学院纳米碳管的特性及其在摩擦磨损中的应用居毅；李宗全 浙江大学 材料科学与工程系纳米碳管的性质及其应用王学敏；魏元祯；刘建岷；姜红娟 华北电力大学环境工程学院
