中國粉體網訊  單壁碳納米管作為最具代表性的一維納米材料，具有許多優異的物理化學性能。隨著對單壁碳納米管基礎和應用研究的不斷深入，其在很多領域都展現出廣闊的應用前景，包括納米電子器件、復合材料增強劑、能源儲能介質、催化劑和催化劑載體、傳感器、場發射器、導電薄膜和生物納米材料等等，其中一些已經實現了工業應用。

單壁碳納米管的力學性能

單壁碳納米管的碳原子間以作用極強的C-C共價鍵結合，從結構上推測其具有很高的軸向強度、軔性和彈性模量。研究人員通過測量碳納米管自由端的振動頻率得出碳納米管的楊氏模量可達1Tpa，幾乎等同于金剛石的楊氏模量，約為鋼的5倍；單壁碳納米管具有極高的軸向強度，約為鋼的100倍；單壁碳納米管的彈性應變為5%，最高可達12%，約為鋼的60倍，具有極好的韌性和可彎曲性。

單壁碳納米管是優秀的復合材料增強劑，可將其優異的力學性能賦予復合材料，使復合材料表現出原本不具有的強度、韌性、彈性以及抗疲勞性等。在納米探針方面，碳納米管可以用來制成分辨率更高、探測深度更大的掃描探針針尖。

（圖片來源：網絡）

單壁碳納米管的電學性能

單壁碳納米管的螺旋管狀結構決定了其獨特且優異的電學性質。理論研究表明，由于電子在碳納米管的運輸方式呈彈道運輸，單壁碳納米管的載流能力高達109A/cm²，比導電良好的銅高出1000倍。單壁碳納米管的直徑在1nm左右，電子在其中的運動具有量子行為，受量子物理影響，隨著單壁碳納米管的管徑和螺旋方式變化，價帶和導帶的能隙可從近乎零變化到1eV，其導電性可呈金屬性和半導體性，因而碳納米管的導電性可通過改變手性角和直徑來調控，至今為止還沒有發現其他任何物質能像單壁碳納米管一樣通過簡單地改變原子排布方式調節其能隙大小。

碳納米管晶體管模型圖（圖片來源：網絡）

單壁碳納米管的熱學性能

碳納米管和石墨、金剛石一樣，都是優良的熱導體，和其導電性能一樣，碳納米管也具有優異的軸向導熱性能，是理想的導熱材料。理論計算表明，碳納米管導熱系統具有較大的平均聲子自由程，聲子可以順利地沿管道傳輸，其軸向熱導率大約在6600W/m·K以上，與單層石墨烯的熱導率相當。研究人員測得單根單壁碳納米管室溫熱導率接近3500W/m·K，遠遠大于金剛石和石墨(~2000W/m·K)。雖然碳納米管軸向的熱交換性能很高，但其在垂直方向的熱交換性能較低，而且碳納米管受自身的幾何性質所限，其膨脹率幾乎為零，因此即使很多碳納米管捆綁成束，熱量也不會從一根碳納米管傳到另一根碳納米管。

單壁碳納米管的優異的導熱性能和導熱方向特性，被許多人認為是制造下一代散熱器接觸面的優良材料，可使其成為今后計算機CPU芯片散熱器的導熱劑。OCZ公司生產的碳納米管CPU散熱器，其與CPU的接觸面完全由碳納米管制成，導熱效率為目前普遍使用的銅制材料的5倍。同時，單壁碳納米管在高導熱復合材料等方面具有良好的應用前景可用于發動機、火箭等各種高溫部件。

單壁碳納米管的光學性能

單壁碳納米管獨特的結構造就了其獨特的光學性能，拉曼光譜、熒光光譜以及紫外可見近紅外光譜已廣泛應用于其光學性能的研究。拉曼光譜是單壁碳納米管最常用的檢測工具，在200nm左右處會出現單壁碳納米管的特征振動模式-環呼吸振動模式(RBM)，RBM可用于確定碳納米管的微觀結構以及判斷樣品中是否含有單壁碳納米管。

單壁碳納米管的磁性能

碳納米管具有獨特的磁性能，表現為各向異性和抗磁磁性，可用作為軟鐵磁性材料。一些特定結構的單壁碳納米管還具有超導性，可作為超導導線。

單壁碳納米管的儲氣性能

單壁碳納米管的一維管狀結構和大長徑比使其中空管腔具有極強的毛細作用，從而使其具備了獨特的吸附、儲氣和浸潤特性。根據現有研究報道，單壁碳納米管是貯氫容量最大的吸附材料，遠遠超過其他傳統的貯氫材料，將有助推動氫燃料電池的發展。

單壁碳納米管的催化活性

單壁碳納米管優良的電子傳導能力、高的化學穩定性以及大的比表面積，可用作為催化劑或催化劑載體，具有更高的催化活性，無論是在傳統的多相催化，還是在電催化和光催化，單壁碳納米管都展現出巨大的應用潛力。

資料來源：汪凱：單壁碳納米管的純化研究，廈門大學2019年

（中國粉體編輯整理/平安）

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