摘要：碳納米管（CNT）是一種新興的、有獨特結構的一維納米材料，其獨特的力學、熱學、電學和光學性能使它日益受到人們的青睞，并已經(jīng)廣泛應用于傳感器、超級電容、場致發(fā)射器、吸波材料等機械電子領域。將碳管進行活化、純化和摻雜等功能化處理，可以優(yōu)化及開發(fā)其功能，擴大其應用范圍。

關鍵詞：碳納米管；傳感器；超級電容場；致發(fā)射器；吸波材料

中圖分類號：TB383 文獻標識碼：A 文章編號：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，軸向尺寸可達微米量級。巨大的長徑比賦予它優(yōu)良的傳熱性能和力學性能，以其他材料為基體與碳納米管混合，可使之具有超強的強度、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)，分析了其在機械電子領域的廣泛應用，并對碳納米管潛在的應用價值做了展望。

1 碳納米管的性質(zhì)

1.1 力學性能

碳納米管短而強的碳-碳鍵能夠阻礙外來雜質(zhì)的侵入，巨大的長徑比使其擁有“超級纖維”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，在負載作用下，具有極好的抗變形能力，當外力消失后，能夠像彈簧一樣立即恢復原狀。它具有極好的抗拉能力，強度是鋼的100倍，密度卻只有鋼的1/6，是目前可制備出的比強度最高的材料。

1.2 熱學性能

由于碳納米管具有非常大的長徑比，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，通過合適的取向，可以制成各向異性的熱傳導材料。石墨化程度對碳納米管的熱傳導性能影響較大，石墨化程度越高，導熱系數(shù)越大。

1.3 電學性能

碳納米管具有特殊的電學性質(zhì)，其導電性與直徑和結構有關，既可以呈現(xiàn)金屬性質(zhì)，在某些條件下，還具有半導體特性，其導電率可達銅的10000倍，且相鄰兩層的碳管不會破壞對方的金屬性或半導體特性。碳納米管軸向的電阻率遠遠小于徑向的電阻率，當碳納米管的直徑足夠小時，還具有超導特性，使其在超導領域具有不可估量的應用前景。碳納米管還是一種理想的場致發(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 光學性能

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

2 碳納米管在機械電子元件中的應用

2.1 碳管在機械設備中的應用

碳納米管具有很高的強度，將其作為復合材料或涂層的增強體，可以提高材料的減摩抗磨性能，降低汽車動力因摩擦而產(chǎn)生的消耗，降低傳動系統(tǒng)的摩擦與磨損。碳管與塑料相聚合，可以制得高比強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，還可以應用于汽車車身和輪船上，減輕介質(zhì)對車身和船壁的腐蝕。

2.2 傳感器

2.2.1 壓力傳感器。由碳納米管構建的納米壓力傳感器，不僅具有體積小、重量輕的特點，還能夠降低功耗，擴大測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，當溫度變化時，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、響應迅速、尺寸小、能耗低的氣體傳感器，能夠檢測環(huán)境中的NH3、NO、H2、CO、O2、SO2和H2S。通過金屬或半導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)氣體擊穿時的電流，還可以測定氣體的濃度，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)、檢測和測試領域都具有廣泛的應用。

2.3 超級電容器

碳納米管具有良好的導電性能和較強的機械性能，通過對其進行改性處理或與其他材料復合，可以制得提高電容器的電容特性。將其作為電極，還可以顯著增強超級電容器的功率密度和能量密度。將碳納米管進行活化處理，可以提高其比表面積，不僅可以增大超級電容器的電容特性，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，增強散射效應，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顯示屏的對比度，提高其對環(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用，將碳管進行摻雜、填充、修飾、包覆、共混、接枝和超聲波處理，可以得到復合碳納米管，兩種材料協(xié)同增效，不僅能夠增強原有材料的力學性能，還能改善其電學性能。經(jīng)超聲波處理的碳納米管具有復合電磁功能，可以作為雷達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，對揮發(fā)性的有機小分子具有很強的吸附能力。在碳納米管中引入某些基團，可以提高催化劑的活性，增強催化性能。

4 碳納米管的應用前景

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聲器，還可以充分發(fā)揮其強度和硬度上的優(yōu)勢，做成網(wǎng)球球拍，微型納米收音機、納米齒輪、納米馬達在不久的將來也有望走進人們的生活。此外，碳納米管還可以應用于微型芯片、超聲波粉碎機等。目前，碳納米管的研究目標就是實現(xiàn)碳管的高度集成化、小型化，提高其與復合材料的相容性，這必將引起一場科技革命的新突破。

5 結語

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

參考文獻

[1] 樸玲鈺，李永丹.碳納米管的研究進展[J].化工進展，2001.

[2] 鄒永剛，馬曉輝.單壁碳納米管的制備及熱學性質(zhì)的研究[J].長春工業(yè)大學學報（自然科學版），2011.

[3] 陶泳，高滋.碳納米管的研究進展[J].化學世界，2006.

[4] 曾國勛，張海燕.納米多壁碳管結構變化對其復合材料微波性能影響[J].航空材料學報，2012.

[5] 張錦文，李偉.碳納米管壓力傳感器研究進展[J].功能材料與器件學報，2011.

[6] 程應武，楊志.碳納米管氣體傳感器研究進展[J].物理化學學報，2010.

[7] 吳峰，徐斌.碳納米管在超級電容器中的應用研究進展[J].新型炭材料，2006.

[8] 石教華，錢志勇.微細碳粉對新型投影顯示屏光學性能的影響[J].半導體學報，2003.

[9] 何冰晶，孫維林.功能化碳納米管的電磁性能研究及進展[J].高分子通報，2005.

[10] 郭紀生.碳納米管的新應用[J].世界科學，2009.

作者簡介：周璐（1991—），女，湖北武漢人，武漢大學本科學生，研究方向：機械設計制造及其自動化。