碳納米管在機(jī)械電子領(lǐng)域的應(yīng)用與分析

摘要：碳納米管（CNT）是一種新興的、有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的一維納米材料，其獨(dú)特的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和光學(xué)性能使它日益受到人們的青睞，并已經(jīng)廣泛應(yīng)用于傳感器、超級(jí)電容、場(chǎng)致發(fā)射器、吸波材料等機(jī)械電子領(lǐng)域。將碳管進(jìn)行活化、純化和摻雜等功能化處理，可以優(yōu)化及開(kāi)發(fā)其功能，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。

關(guān)鍵詞：碳納米管；傳感器；超級(jí)電容場(chǎng)；致發(fā)射器；吸波材料

中圖分類號(hào)：TB383 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）20-0050-02

碳納米管（又稱為巴基管）是碳的一種同素異形體，徑向尺寸為納米量級(jí)，軸向尺寸可達(dá)微米量級(jí)。巨大的長(zhǎng)徑比賦予它優(yōu)良的傳熱性能和力學(xué)性能，以其他材料為基體與碳納米管混合，可使之具有超強(qiáng)的強(qiáng)度、韌性、抗疲勞性和各向同性，大大地改善原有材料的性能。本文就碳納米管的一些性質(zhì)，分析了其在機(jī)械電子領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，并對(duì)碳納米管潛在的應(yīng)用價(jià)值做了展望。

1 碳納米管的性質(zhì)

1.1 力學(xué)性能

碳納米管短而強(qiáng)的碳-碳鍵能夠阻礙外來(lái)雜質(zhì)的侵入，巨大的長(zhǎng)徑比使其擁有“超級(jí)纖維”之稱，軸向具有良好的柔韌性和回彈性，彈性模量與金剛石相近，在負(fù)載作用下，具有極好的抗變形能力，當(dāng)外力消失后，能夠像彈簧一樣立即恢復(fù)原狀。它具有極好的抗拉能力，強(qiáng)度是鋼的100倍，密度卻只有鋼的1/6，是目前可制備出的比強(qiáng)度最高的材料。

1.2 熱學(xué)性能

由于碳納米管具有非常大的長(zhǎng)徑比，所以大部分熱量是沿著軸向方向傳遞的，徑向方向熱交換性能很低，通過(guò)合適的取向，可以制成各向異性的熱傳導(dǎo)材料。石墨化程度對(duì)碳納米管的熱傳導(dǎo)性能影響較大，石墨化程度越高，導(dǎo)熱系數(shù)越大。

1.3 電學(xué)性能

碳納米管具有特殊的電學(xué)性質(zhì)，其導(dǎo)電性與直徑和結(jié)構(gòu)有關(guān)，既可以呈現(xiàn)金屬性質(zhì)，在某些條件下，還具有半導(dǎo)體特性，其導(dǎo)電率可達(dá)銅的10000倍，且相鄰兩層的碳管不會(huì)破壞對(duì)方的金屬性或半導(dǎo)體特性。碳納米管軸向的電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于徑向的電阻率，當(dāng)碳納米管的直徑足夠小時(shí)，還具有超導(dǎo)特性，使其在超導(dǎo)領(lǐng)域具有不可估量的應(yīng)用前景。碳納米管還是一種理想的場(chǎng)致發(fā)射器材料，其攜帶的電流密度高，與普通的發(fā)射器相比，功耗較低，并且能夠在惡劣的環(huán)境下工作。

1.4 光學(xué)性能

碳納米管具有良好的微波吸收能力，通過(guò)改變它的結(jié)構(gòu)和濃度，可以調(diào)節(jié)其吸波功能，溫度也能影響其吸波能力，經(jīng)過(guò)高溫處理的碳管，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)重整，晶粒尺寸減小，有序化程度大大增加，介電常數(shù)的實(shí)部和虛部都減小，吸波峰點(diǎn)向高頻方向移動(dòng)，使得它對(duì)微波的低頻部分吸收能力下降，高頻區(qū)域吸波能力增強(qiáng)。

2 碳納米管在機(jī)械電子元件中的應(yīng)用

2.1 碳管在機(jī)械設(shè)備中的應(yīng)用

碳納米管具有很高的強(qiáng)度，將其作為復(fù)合材料或涂層的增強(qiáng)體，可以提高材料的減摩抗磨性能，降低汽車動(dòng)力因摩擦而產(chǎn)生的消耗，降低傳動(dòng)系統(tǒng)的摩擦與磨損。碳管與塑料相聚合，可以制得高比強(qiáng)度和高彈性模量的功能塑料，碳管的密度極小，可在汽車的輕量化生產(chǎn)中發(fā)揮重大作用，還可以應(yīng)用于汽車車身和輪船上，減輕介質(zhì)對(duì)車身和船壁的腐蝕。

2.2 傳感器

2.2.1 壓力傳感器。由碳納米管構(gòu)建的納米壓力傳感器，不僅具有體積小、重量輕的特點(diǎn)，還能夠降低功耗，擴(kuò)大測(cè)量范圍和提高靈敏度。碳納米管具有很好的形變，誘惑電阻發(fā)生變化，可以作為壓阻敏感元件，從而提高靈敏度?；谔技{米管的電阻溫敏特性，當(dāng)溫度變化時(shí)，碳管的電阻也隨之變化，由于其具有非常高的電阻溫度系數(shù)，因而可進(jìn)一步提高靈敏度。

2.2.2 氣體傳感器。將碳納米管置于材料基底上，可制得靈敏度高、響應(yīng)迅速、尺寸小、能耗低的氣體傳感器，能夠檢測(cè)環(huán)境中的NH3、NO、H2、CO、O2、SO2和H2S。通過(guò)金屬或半導(dǎo)體修飾以及金屬氧化物修飾，都能夠提高傳感器的靈敏度，根據(jù)氣體擊穿時(shí)的電流，還可以測(cè)定氣體的濃度，此種傳感器還具有良好的選擇性和防干擾性能。碳管氣體傳感器在生產(chǎn)、檢測(cè)和測(cè)試領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用。

2.3 超級(jí)電容器

碳納米管具有良好的導(dǎo)電性能和較強(qiáng)的機(jī)械性能，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行改性處理或與其他材料復(fù)合，可以制得提高電容器的電容特性。將其作為電極，還可以顯著增強(qiáng)超級(jí)電容器的功率密度和能量密度。將碳納米管進(jìn)行活化處理，可以提高其比表面積，不僅可以增大超級(jí)電容器的電容特性，還可以改善其循環(huán)壽命。

2.4 投影顯示儀

碳納米管是一種優(yōu)良的場(chǎng)發(fā)射冷陰極材料，由于其顆粒直徑小、比表面積大，不僅可以增加顯示屏的散射中心，增強(qiáng)散射效應(yīng)，改善了顯示屏的亮度均勻性，提高顯示性能，還可以作為黑色組元增強(qiáng)顯示屏的對(duì)比度，提高其對(duì)環(huán)境光的抗干擾性能。

3 碳納米管衍生物

隨著碳納米管的不斷發(fā)展，單一的碳管已經(jīng)不足以滿足其在多功能材料方面的應(yīng)用，將碳管進(jìn)行摻雜、填充、修飾、包覆、共混、接枝和超聲波處理，可以得到復(fù)合碳納米管，兩種材料協(xié)同增效，不僅能夠增強(qiáng)原有材料的力學(xué)性能，還能改善其電學(xué)性能。經(jīng)超聲波處理的碳納米管具有復(fù)合電磁功能，可以作為雷達(dá)吸波材料和隱身材料。乙烯合成薄膜的碳納米管密度高、吸附能力大，對(duì)揮發(fā)性的有機(jī)小分子具有很強(qiáng)的吸附能力。在碳納米管中引入某些基團(tuán)，可以提高催化劑的活性，增強(qiáng)催化性能。

4 碳納米管的應(yīng)用前景

碳納米管擁有潛在的優(yōu)越性能，利用碳納米管可以制成像紙一樣薄的揚(yáng)聲器，還可以充分發(fā)揮其強(qiáng)度和硬度上的優(yōu)勢(shì)，做成網(wǎng)球球拍，微型納米收音機(jī)、納米齒輪、納米馬達(dá)在不久的將來(lái)也有望走進(jìn)人們的生活。此外，碳納米管還可以應(yīng)用于微型芯片、超聲波粉碎機(jī)等。目前，碳納米管的研究目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)碳管的高度集成化、小型化，提高其與復(fù)合材料的相容性，這必將引起一場(chǎng)科技革命的新突破。

5 結(jié)語(yǔ)

碳納米管由于其優(yōu)異的力學(xué)性能和光電特性，在汽車、輪船、傳感器、電容器和顯示儀等機(jī)械電子領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，是最具有開(kāi)發(fā)價(jià)值的納米材料之一，在微型機(jī)器方面也有極大的潛在應(yīng)用價(jià)值，隨著應(yīng)用的不斷完善，在節(jié)能機(jī)械裝置方面也將具有巨大的市場(chǎng)。

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作者簡(jiǎn)介：周璐（1991—），女，湖北武漢人，武漢大學(xué)本科學(xué)生，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。