中國粉體網訊  碳原子可以以不同的方式結合在一起，從而產生了許多具有不同物理性質的碳的同素異形體。已知的同素異形體包括石墨、金剛石、富勒烯、納米管和石墨烯， 后三者多為人造。

當這些碳的同素異形體作為添加劑使用時，它們的來源、形態和生產方法會影響材料的性能，而因為碳的不同形態具有很大的不同。石墨烯和單壁碳納米管具有最佳的性能組合和優勢。

除石墨烯外，這些碳基添加劑的生產規�？蛇_數百噸或上千噸，并可用于工業用途。

碳納米管

碳納米管基本上分為兩類

單壁碳納米管(SWCNTs)和多壁碳納米管(MWCNTs)。盡管有明顯的共性，但由于結構上的差異，單壁碳納米管和多壁碳納米管的物理性質存在顯著差異。

區分單壁碳納米管最重要的特征是，管壁只有一層。換句話說，單壁碳納米管可以被描述為單層石墨烯片卷起來形成的無縫空心圓柱筒。這就是為什么它們經常被稱為單層石墨烯納米管。

與單壁碳納米管不同，多壁碳納米管可被視為單壁碳納米管的同心排列，即由多層石墨烯片無縫卷起成管狀。

單壁碳納米管和多壁碳納米管的這些差異，導致了它們在添加到材料中時，給材料的性能帶來很大不同，并對材料產生了相應的影響。

例如，單壁碳納米管的楊氏模量(有時被稱為與材料在拉伸或壓縮下承受長度變化的能力有關的彈性模量)，幾乎比多壁碳納米管高一個數量級。

圖 碳納米管結構對楊氏模量的影響：

(i) 單壁碳納米管(SWCNTs);

(ii)和(iii) 多壁碳納米管(MWCNTs)，分別在720℃和900℃下通過化學氣相沉積法(CVD)合成。

 單壁碳納米管與多壁碳納米管的物理參數

* 可更大的直徑，但會導致缺陷數量的增加

**長度可更長，限于實驗室規模

單壁碳納米管特性

1、真正的納米級管徑

單壁碳納米管的管徑小于2 nm，而多壁碳納米管的直徑大多大于5 nm，可高達數百納米。

2、長且少缺陷的結構

這兩種類型的碳納米管都可以生長到幾百納米甚至幾毫米的長度，但通常都在1- 30微米的范圍內。

3、高長徑比(長度-直徑比)

由于其直徑較小，長度長，單壁碳納米管通常具有較高的長度-直徑比，從而具有前所未有的柔韌性。事實上，單壁碳納米管給材料所帶來的許多機械性能改進，都可以歸因于高長徑比。

在極低的添加量下可以形成三維導電網絡，起始添加量僅為總重量的0.01%。如此低的添加對顏色影響較小。

多壁碳納米管的典型縱橫比較低，因此電導率的滲透閾值較高。由于其更大的直徑，多壁碳納米管非常堅硬，其類似石棉的特性也會造成健康風險。

4、彈性

由于其較高的剛性，在不損壞結構的前提下，多壁碳納米管不容易彎曲、扭曲、扭結或屈曲，而單壁碳納米管具有柔韌性，可以更容易地恢復其原始結構。

5、優良的機械性能

單壁碳納米管的抗拉強度和彈性模量是材料中最高的之一（分別為~50 GPa和~ 1000 GPa），這一特性適用于強化各種材料，包括聚合物復合材料。

理論上，在聚合物復合材料中，達到各向同性分布的單壁碳納米管的理想分散，每添加1 %（質量比）的單壁碳納米管，可使抗拉強度提高100 MPa。在實踐中，達到要求的機械性能提升所需的單壁碳納米管的劑量，可以低至0.2%（質量比）。

對于多壁碳納米管，通常需要3- 5%的添加量來改善機械性能。高添加量會影響其他重要特性，如最終產品的表面質量和顏色。

6、導熱性

在單位質量導熱系數方面，單壁碳納米管超過了多壁碳納米管，可以作為提高導熱系數的添加劑。這兩種材料都能承受高溫（在正常條件下高達750°C）。

7、導電性

單壁碳納米管有一層碳原子，并根據空間的螺旋特性（手征）可表現出金屬或半導體性能。這兩種類型都有其獨特的優點，分離后可用于納米電子學。即使沒有分離，原始單壁碳納米管的高導電性(可以通過添加進一步提高)，低量添加量即可用來提高復合材料的導電性。

單壁碳納米管不僅具有最高的導電性，而且由于其強大的碳-碳鍵，金屬特性的單壁碳納米管的電流密度，比銅等金屬的電流密度大1000倍以上，而銅等金屬的電流密度會受到電遷移的限制。換句話說，單壁碳納米管具有較高的載流量。

碳納米管作為一種抗靜電添加劑在各種材料中有著廣泛的應用。

當導電添加劑的添加量高于所謂的“滲透閾值”時，這些改進材料的電導率就會出現。滲透閾值與填料的長徑比成反比，單壁碳納米管及其管束的縱橫比最高。這就是為什么最佳分散和分布的單壁碳納米管，能夠在添加量低至0.01%時即能消散材料中的靜電。而多壁碳納米管需要更高的添加量，超過0.5%，才能達到相近的效果。

（中國粉體網編輯整理/青黎）

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