碳纳米管的结构特性驱动的新一代高性能复合材料

碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNTs）是一种由碳原子构成的纳米材料，具有独特的结构和优异的物理化学性能。

1、结构与类型：

1.1基本结构：由单层或多层石墨烯片卷曲成无缝中空圆柱体，直径通常在纳米尺度（1-100 nm），长度可达微米甚至毫米级。

1.2分类：

（1）单壁碳纳米管（SWCNT）：由单层石墨烯卷曲而成，直径较小，性能高度依赖其手性（卷曲角度）。

（2）多壁碳纳米管（MWCNT）：由多层石墨烯同心卷曲形成，结构类似“套筒”，直径较大，机械强度更高。

2、制作方法：

（1）电弧放电法：通过石墨电极在惰性气体中放电生成，产物含SWCNT和MWCNT。

（2）化学气相沉积（CVD）：在催化剂作用下，碳源气体（如甲烷）分解生成CNTs，适合大规模生产。

（3）激光烧蚀法：用激光轰击含催化剂的石墨靶，生成高纯度SWCNT，但成本较高。

3、特性：

（1）力学性能：抗拉强度高达50-200 GPa（是钢的100倍），同时保持轻质（密度约1.3 g/cm³）。

（2）电学性能：导电性因手性而异，SWCNT可为金属性或半导体性，载流能力超铜。

（3）热学性能：轴向热导率可达3000 W/(m·K)，优于金刚石。

（4）化学稳定性：耐腐蚀，表面可功能化修饰以改善分散性。

4、应用领域：

复合材料：增强聚合物、金属或陶瓷的强度、导电性和耐热性（如航空航天部件）。

电子器件：用于场效应晶体管（FET）、柔性电极、透明导电膜（替代ITO）。

能源存储：锂离子电池电极、超级电容器，提升充放电效率和容量。

生物医学：组织工程、药物载体、生物传感器（CNTs/生物高分子（如胶原、壳聚糖）复合材料可用于人工骨骼或神经修复。）

环境领域：吸附污染物、催化降解有毒物质。

碳纳米管材料正逐步从实验室走向工业化，尤其在高端制造和新兴科技领域展现出变革性潜力。

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 单壁碳纳米管

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 双壁碳纳米管

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 氨基化多壁碳纳米管

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