百篇科普系列（99）

碳奈米管制備修飾及其應用

徐長髮

，華中科技大學，2020。7。20。

人們用石墨電極產生電弧，在陽極處沉積一些“碳灰”，用顯微鏡觀察，碳灰中有石墨碎片，有粉狀的“碳奈米顆粒”，有球狀的“

富勒烯

”，有片狀的“石墨烯”，有管狀的“碳奈米管”。這些碳奈米顆粒、片、球、管都是在電離狀態下碳原子的不同的結構形式，人們對它們做了足夠的研究，發現它們都具有很多優異的性質，人們也逐步地在開發它們的應用。

石墨烯

單層原子

組成的網狀的二維材料，它的性質和應用已經在“科普文章系列No。14、15”中做了介紹；富勒烯是很多碳原子組成籠子狀的三維材料，這將在下一篇文章中介紹；碳奈米管就像是石墨烯捲成的很細的管狀物，非常短，但可以看做是一維材料，碳奈米管也具有許多優異的物理和化學特性，全世界都在為之積極的基礎研究，都在積極地探索其應用。本文僅介紹碳奈米管及其應用。

一。碳奈米管制備方法

碳奈米管的結構，是由石墨烯片沿著中心軸按一定的角度，捲成的無縫、中空的管體，它可能是單壁、雙壁或者多壁形式。

製作碳奈米管有多種方法，簡便方法1是“電弧放電法”，即把石墨做負極，電弧放電之後，在正極上會有奈米石墨顆粒沉積，其中就有碳奈米管；簡便方法2是“鐳射燒蝕法”，即用鐳射燒蝕石墨，產生石墨的

電離氣態

，沉積後就會有碳奈米管；這兩種方法得到的是碳奈米顆粒、碳奈米管和石墨碎片的混合物，還得按照需要把它們分開，這兩種方法難以連續地規模化生產。

“化學氣相沉法”可以批次生產。

採用某種“碳源”物質，可用乙烯、乙炔、苯乙烯、苯、甲苯、甲烷等都可以用作碳源，它們都是化學性質比較活潑的含有不飽和化學鍵的

含碳化合物

；採用固定薄層的催化劑，例如過渡金屬、稀有金屬或金屬氧化物，碳源的氣體（或蒸氣）流經催化劑表面時會被催化分解；再在氬氣、

氮氣

或氫氣等保護氣體下，碳源被高溫（1200℃左右）分解，奈米碳沉積，奈米碳還會區域性聚合為碳奈米管。該方法所獲得的碳奈米顆粒和碳奈米管也是共存的，無序的。

“沸騰床催化裂解法”改進了“化學氣相沉法”

，不採用固定的催化床，而採用細小的催化顆粒；原料以一定的流速吹進反應室，將催化劑顆粒“吹”成“沸騰”狀態；在保護氣體和高溫的作用下，原料不僅變為碳奈米顆粒，而且在催化劑表面容易生長出碳奈米管；沸騰狀態會使催化劑顆粒碰撞，碳奈米管脫落，催化劑表面再生成碳奈米管；該方法極大地提高了碳奈米管的產量，可以批次生產。

用“沸騰床催化裂解法”所得到的碳奈米管一般都是單層管，很細，5萬根並排起來才有一根頭髮絲粗，它的長度一般是幾奈米到幾十奈米；雖然碳奈米管的含量極大地提高了，但產物仍然是碳奈米管、碳奈米顆粒和石墨碎片的混合物；只有將碳奈米管提純分離，碳奈米管才能得到各種應用。

二．碳奈米管的奇特效能

人們一般都是討論單壁碳奈米管的性質，因為多層管的表現較複雜一些。

1.超強的力學效能

理論和實驗研究表明，碳奈米管的強度是鋼的100倍，其重量僅為鋼的1/6。碳奈米管的硬度與

金剛石

相當；碳奈米管可以很大角度彎曲，此時它先打卷扭曲成麻花狀，當外力撤銷後它又恢復原狀，所以碳奈米管有良好的柔韌性。

顯然，碳奈米管是極好的加強材料，要想實現這個功能就得設法做成碳奈米纖維。

2.超強的吸附效能

由於碳奈米管具有較大的比表面積、特殊的管道結構以及多壁碳奈米管之間有層隙，所以它有極強的吸附能力，它在做催化劑載體方面、在儲氫方面、在燃料電池方面、在超級電容器方面都有著重要的作用。

要實現這些功能，就必須將碳奈米管牢固的固定在物體的表面上。

3.超強的傳熱效能

經研究，碳奈米管傳熱效能存在各向異性，沿著長度方向的熱交換效能非同尋常的高，在垂直於管軸方向的熱交換效能又非常低，即使把奈米管捆在一起，熱量也不會從一根管傳遞到另一根管。因此只要適當排列碳奈米管，這樣的複合材料會表現出極強的導熱方向。

要想實現這個功能，就必須將碳奈米管加長且做成碳奈米管束。

超強吸收光和電磁波的特性

經研究，

奈米微粒

尺寸遠小於紅外及雷達波波長，因此奈米微粒材料對這類波吸收率比常規材料要強得多。據此可知，碳奈米顆粒、短的碳奈米管對紅外和雷達波的吸收率高，可用它做飛機的隱身材料。此外，它耐高溫和阻燃等特性，使之成為高速導彈表面材料的應用選擇。

另外，碳奈米管束對光的吸收範圍寬，吸收率高，光電轉化率也高，可用碳奈米管束做光電材料。

要實現這些功能就必須將碳奈米管牢固地粘塗在物體的表面上。

5.奇特的導電效能

研究表明，碳奈米管的導電性表現與碳管直徑和管壁的螺旋角有密切關係。

當碳奈米管的管徑大於6nm時，導電效能下降；當管徑小於6nm時，導電性極強，具有量子導電能力，僅次於超導體；當管徑為0。7nm時具有超導性；當管壁之間存在螺旋角時，又會表現出特殊的導電性。

利用這些奇特性質，可以作為高電流密度的佈線材料，可以做出超導材料，也可以做出半導體和場效應電晶體。

碳奈米管有序的垂直地分佈在軟質的薄膜上（其製作方法見後面的敘述），這種薄膜的特點是，垂直於平面的方向導電性很好，平面方向導電性很差，於是用這種平面可以做出反應靈敏的觸控式螢幕。

如果把碳奈米管和有機樹脂膠複合，噴絲，也可得到導電率很高的塑膠導線。

6.發射和接受電子的效能

碳奈米管的尖端具有奈米尺度而且非常穩定，十分有利於電子的發射，科學家們預言並證實了碳奈米管具有極好的場致電子發射效應。

與目前的商用電子槍相比，碳奈米管電子槍具有尺寸小、發射電壓低、發射密度大、化學穩定性高、無需加熱、無需高真空，它具備了高效能場發射材料的基本條件。

實驗證明，碳奈米管可用作電子顯微鏡的新型探針，它靈活性高，可與被觀察物體進行軟接觸也不易折斷，探針可以進入觀察物體不光滑表面的凹陷處，能更好地顯現被觀察物體的表面形貌和狀態。

7.經修飾的碳奈米管會產生更多效能和應用

碳奈米管吸附某些氣體之後，導電性發生明顯改變，因此可將碳奈米管做成氣敏元件對氣體實施探測報警。

碳奈米管經其它

奈米顆粒

（光敏、溼敏、壓敏）的修飾也會改變其導電效能，據此可以製成奈米級的各種功能感測器。

碳奈米管外面如果和其它金屬、非金屬奈米顆粒結合在一起，就同時具有多類奈米材料的特性。

三．關於應用的問題

大家不難看出理論研究結果，碳奈米管具有許多優異的性質，一定有很多很多的高科技的應用，然而，這些理論分析如何變為現實應用？這裡面需要解決相應的實現工藝問題。問題太多了。

碳奈米材料如何批次生產？得到的多種碳奈米材料的混合物如何按照應用要求加以分離和純化？

如果要做出碳奈米纖維，那麼如何獲得較長的碳奈米管？

如果要將碳奈米管用於材料的表層，怎麼才能牢固地粘牢？

特別的，碳奈米管在軸向有量子般的導電性，垂直於軸向的電感應又極其小，如何用碳奈米管做出半導體、開關管、電晶體、積體電路？

太多工藝問題需要人們研究解決，這些問題將在下一篇科普文章中介紹。