碳纳米管的应用前景

一：碳纳米管的应用前景

碳纳米管可以制成透明导电的薄膜，用以代替ITO（氧化铟锡）作为触摸屏的材料。先前的技术中，科学家利用粉状的碳纳米管配成溶液，直接涂布在PET或玻璃衬底上，但是这样的技术至今没有进入量产阶段；目前可成功量产的是利用超顺排碳纳米管技术；该技术是从一超顺排碳纳米管阵列中直接抽出薄膜，铺在衬底上做成透明导电膜，就像从棉条中抽出纱线一样。该技术的核心－超顺排碳纳米管阵列是由北京清华-富士康纳米中心于2002年率先发现的新材料。 碳纳米管触摸屏首次于2007~2008年间成功被开发出，并由天津富纳源创公司于2011年产业化，至今已有多款智慧型手机上使用碳纳米管材料制成的触摸屏。与现有的氧化铟锡（ITO）触摸屏不同之处在于:氧化铟锡含有稀有金属“铟”，碳纳米管触摸屏的原料是甲烷、乙烯、乙炔等碳氢气体，不受稀有矿产资源的限制；其次，铺膜方法做出的碳纳米管膜具有导电异向性，就像天然内置的图形，不需要光刻、蚀刻和水洗的制程，节省大量水电的使用，较为环保节能。工程师更开发出利用碳纳米管导电异向性的定位技术，仅用一层碳纳米管薄膜即可判断触摸点的X、Y座标；碳纳米管触摸屏还具有柔性、抗干扰、防水、耐敲击与刮擦等特性，可以制做出曲面的触摸屏，具有高度的潜力可应用于穿戴式装置、智慧家俱等产品。 据物理学家组织网、英国广播公司2013年9月26日报道，美国斯坦福大学的工程师在新一代电子设备领域取得突破性进展，首次采用碳纳米管建造出计算机原型，比基于硅芯片模式的计算机更小、更快且更节能。瑞士洛桑联邦理工学院电气工程学院主任乔瓦尼·德·米凯利教授强调了这一世界性成就的两个关键技术贡献：首先，将基于碳纳米管电路的制造过程落实到位。其次，建立了一个简单而有效的电路，表明使用碳纳米管计算是可行的。下一代芯片设计研究联盟、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校纳雷什教授评价道，虽然碳纳米管计算机可能还需要数年时间才趋于成熟，但这一突破已经凸显未来碳纳米管半导体以产业规模生产的可能性。 氢气被很多人视为未来的清洁能源。但是氢气本身密度低，压缩成液体储存又十分不方便。碳纳米管自身重量轻，具有中空的结构，可以作为储存氢气的优良容器，储存的氢气密度甚至比液态或固态氢气的密度还高。适当加热，氢气就可以慢慢释放出来。研究人员正在试图用碳纳米管制作轻便的可携带式的储氢容器。在碳纳米管的内部可以填充金属、氧化物等物质，这样碳纳米管可以作为模具，首先用金属等物质灌满碳纳米管，再把碳层腐蚀掉，就可以制备出最细的纳米尺度的导线，或者全新的一维材料，在未来的分子电子学器件或纳米电子学器件中得到应用。有些碳纳米管本身还可以作为纳米尺度的导线。这样利用碳纳米管或者相关技术制备的微型导线可以置于硅芯片上，用来生产更加复杂的电路。利用碳纳米管的性质可以制作出很多性能优异的复合材料。例如用碳纳米管材料增强的塑料力学性能优良、导电性好、耐腐蚀、屏蔽无线电波。使用水泥做基体的碳纳米管复合材料耐冲击性好、防静电、耐磨损、稳定性高，不易对环境造成影响。碳纳米管增强陶瓷复合材料强度高，抗冲击性能好。碳纳米管上由于存在五元环的缺陷，增强了反应活性，在高温和其他物质存在的条件下，碳纳米管容易在端面处打开，形成一个管子，极易被金属浸润、和金属形成金属基复合材料。这样的材料强度高、模量高、耐高温、热膨胀系数小、抵抗热变性能强。碳纳米管还给物理学家提供了研究毛细现象机理最细的毛细管，给化学家提供了进行纳米化学反应最细的试管。碳纳米管上极小的微粒可以引起碳纳米管在电流中的摆动频率发生变化，利用这一点，1999年，巴西和美国科学家发明了......余下全文>>

二：碳纳米管有哪些应用？

⑴ 超级电容器：碳纳米管用作电双层电容器电极材料。电双层电容器既可用作电容器也可以作为一种能量存储装置。超级电容器可大电流充放电，几乎没有充放电过电压，循环寿命可达上万次，工作温度范围很宽。电双层电容器在声频、视频设备、调谐器、电话机和传真机等通讯设备及各种家用电器中均可得到广泛的应用。作为电双层电容器的电极材料，要求该材料结晶度高、导电性好、比表面积大，微孔大小集中在一定的范围内。而目前一般用多孔炭作电极材料骸不但微孔分布宽(对存储能量有贡献的孔不到30%)，而且结晶度低、导电性差，导致容量小。没有合适的电极材料是限制电双层电容器在更广阔范围内使用的一个重要原因。碳纳米管比表面积大、结晶度高、导电性好，微孔大小可通过合成工艺加以控制，因而是一种理想的电双层电容器电极材料。由于碳纳米管具有开放的多孔结构，并能在与电解质的交界面形成双电层，从而聚集大量电荷，功率密度可达8000W/kg。其在不同频率下测得的电容容量分别为102F/g(1Hz) 和49F/g(100Hz)。

⑵ 催化剂载体：碳纳米管材料比表面积大，表面原子比率大(约占总原子数的50%) ，使体系的电子结构和晶体结构明显改变，表现出特殊的电子效应和表面效应，如气体通过碳纳米管的扩散速度为通过常规催化剂颗粒的上千倍，负载催化剂后可极大提高催化剂的活性和选择性。碳纳米管作为纳米材料家族的新成员，其特殊的结构和表面特性、优异的储氢能力和金属及半导体导电性，使其在加氢、脱氢和择型催化等反应中具有很大的应用潜力。碳纳米管一旦在催化上获得应用，可望极大提高反应的活性和选择性，产生巨大的经济效益。

⑶ 储氢材料：吸附是气体吸附质在固体吸附剂表面发生的行为其发生的过程与吸附剂固体表面特征密切相关。对于纳米粒子的吸附机理，目前普遍认为：纳米碳管的吸附作用主要是由于纳米粒子碳管的表面羟基作用。纳米碳管表面存在的羟基能够和某些阳离子键合，从而达到表观上对金属离子或有机物产生吸附作用。另外，纳米碳管粒子具有大的比表面积，也是纳米碳管吸附作用的重要原因。郑青榕，顾安忠等[4]对氢在多壁碳纳米管上的吸附行为进行了研究。成会明等人合成的SWNTS 经适当处理后可在室温下储存氢气，其储存氢的重量可达4.2％ ，并且78.3％的储存氢在常温常压下可释放出来，剩余的氢加热后可释放出来，这种SWNTS 能够重复利用，具有很高的商业价值。

⑷ 质子交换膜(PEM) 燃料电池：碳纳米管燃料电池是最具发展潜力的新型汽车动力源，这种燃料电池通过消耗氢产生电力，排出的废气为水蒸气，因此没有污染。它与锂离子电池及镍氢动力电池相比有巨大的优越性。可以用碳纳米管储氢材料储氢后供应氢，也可通过分解气油和其他碳氢化合物或直接从空气中获取氢给燃料电池提供氢源。

⑸ 碳纳米管在复合材料中的应用：碳纳米管除具有一般纳米粒子的尺寸效应外，还具有力学强度大、柔韧性好、电导率高等独特的性质，成为聚合物复合材料理想的增强体，在化工、机械、电子、航空、航天等领域具有广泛的应用。但由于碳纳米管易聚集成束或缠绕，而且与其他纳米粒子相比，其表面是相对“惰性”的，在常见的有机溶剂或聚合物材料中的分散度低，这极大地制约了其广泛应用。因此，对碳纳米管的表面进行改性已成为聚合物 /碳纳米管复合材料的研究热点之一。目前，国内外对碳纳米管表面改性的研究主要是在其表面引入共价键和非共价键基团，例如采用表面化学反应改性、表面活性剂改性等，或采用聚合物分子对碳纳米管进行包覆改性等方法.近年来。还提出了紫外线照射、 等离子射线改性......余下全文>>

三：碳纳米材料在MEMS中有何应用前景

MEMS是微机械(微米/纳米级)与IC集成的微系统,即具有智能的微系统,MEMS基于硅微加工技术但不仅限于它.简单来说,MEMS就是对系统级芯片的进一步集成.我们几乎可以在单个芯片上集成任何东西,像运动装置、光学系统、发音系统、化学分析、无线系统及计算系统等,因此MEMS技术是一门多学科交叉的技术.MEMS器件价格低廉、性能优异、适用于多种应用,将成为影响未来生活的重要技术之一.

微电子机械系统(MEMS)技术是建立在微米/纳米技术（micro/nanotechnology）基础上的21世纪前沿技术,是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术.它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统.

四：碳纳米管应用在发热材料上的原理是什么？

原理是碳纳米管具有良好的传热性能，CNTs具有非常大的长径比，因而其沿着长度方向的热交换性能很高，相对的其垂直方向的热交换性能较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合成高各向异性的热传导材料。另外，碳纳米管有着较高的热导率，只要在复合材料中掺杂微量的碳纳米管 ,该复合材料的热导率将会可能得到很大的改善。

碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。

碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口）的一维量子材料。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，约0.34nm，直径一般为2~20 nm。并且根据碳六边形沿轴向的不同取向可以将其分成锯齿形、扶手椅型和螺旋型三种。其中螺旋型的碳纳米管具有手性，而锯齿形和扶手椅型碳纳米管没有手性。

五：多壁碳纳米管的发展前景

人们预言碳纳米管可能成为一种新型的高强度碳纤维材料，既具有碳素材料的固有本性，又具有金属材料的导电和导热性，陶瓷材料的耐热和耐腐蚀性，纺织纤维的可编织性，以及高分子材料的轻质、易加工性。将碳纳米管作为复合材料增强体，预计可表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性，可以预期碳纳米管增强复合材料可能带来复合材料性能的一次飞跃。用纳米管制作复合材料的研究首先是在金属基上进行的，如：Fe/碳纳米管、Al/碳纳米管、Ni/碳纳米管、Cu/碳纳米管等。碳纳米管复合材料的研究重心已转到高分子/碳纳米管复合材料方面，如在轻质高强度的材料中，使用碳纤维作为增强材料，碳纳米管的机械性能及其小的直径和大的长径比将会带来更好的增强效果。

六：纳米技术简介，用途与发展前景？

纳米技术是一门高新技术，它对21世纪材料科学和微行器件技术的发展具有重要影响。为了解纳米技术的发展状况，记者走访了英国牛津大学材料系纳米材料专家保尔·华伦博士。

华伦说，纳米技术是当前全球都在谈论的热门话题。所谓纳米技术，是指用数千个分子或原子制造新型材料或微型器件的科学技术。纳米技术涉及的范围很广，纳米材料只是其中的一部分，但它却是纳米技术发展的基础。牛津大学材料系目前研究的纳米技术项目有40多个，其中主要的有超细薄膜、碳纳米管、纳米陶瓷、金属纳米晶体和量子点线等。

超细薄膜的厚度通常只有1纳米－5纳米，甚至会做成1个分子或1个原子的厚度。超细薄膜可以是有机物也可以是无机物，具有广泛的用途。如沉淀在半导体上的纳米单层，可用来制造太阳能电池，对开发新型清洁能源有重要意义；将几层薄膜沉淀在不同材料上，可形成具有特殊磁特性的多层薄膜，是制造高密度磁盘的基本材料。碳纳米管是由碳60分子经加工形成的一种直径只有几纳米的微型管，是纳米材料研究的重点之一。与其它材料相比，碳纳米管具有特殊的机械、电子和化学性能，可制成具有导体、半导体或绝缘体特性的高强度纤维，在传感器、锂离子电池、场发射显示、增强复合材料等领域有广泛应用前景，因而受到工业界的普遍重视。目前，碳纳米管虽仍处于研究阶段，但许多研究成果已显示出良好的应用前景。陶瓷材料在通常情况下具有坚硬、易碎的特点，但由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性，有的可大幅度弯曲而不断裂，表现出金属般的柔韧性和可加工性。

纳米技术在现代科技和工业领域有着广泛的应用前景。比如，在信息技术领域，据估计，再有10年左右的时间，现在普遍使用的数据处理和存储技术将达到最终极限。为获得更强大的信息处理能力，人们正在开发DNA计算机和量子计算机，而制造这两种计算机都需要有控制单个分子和原子的技术能力。

传感器是纳米技术应用的一个重要领域。随着纳米技术的进步，造价更低、功能更强的微型传感器将广泛应用在社会生活的各个方面。比如，将微型传感器装在包装箱内，可通过全球定位系统，可对贵重物品的运输过程实施跟踪监督；将微型传感器装在汽车轮胎中，可制造出智能轮胎，这种轮胎会告诉司机轮胎何时需要更换或充气；还有些可承受恶劣环境的微型传感器可放在发动机汽缸内，对发动机的工作性能进行监视。在食品工业领域，这种微型传感器可用来监测食物是否变质，比如把它安装在酒瓶盖上就可判断酒的状况等。

在医药技术领域，纳米技术也有着广泛的应用前景。如用纳米技术制造的微型机器人，可让它安全地进入人体内对健康状况进行检测，必要时还可用它直接进行治疗；用纳米技术制造的"芯片实验室"可对血液和病毒进行检测，几分钟即可获得检测结果；科学家还可以用纳米材料开发出一种新型药物输送系统，这种输送系统是由一种内含药物的纳米球组成的，这种纳米球外面有一种保护性涂层，可在血液中循环而不会受到人体免疫系统的攻击，如果使其具备识别癌细胞的能力，它就可直接将药物送到癌变部位，而不会对健康组织造成损害。

除此之外，纳米技术在工业制造、国防建设、环境监测、光学器件和平面显示系统等领域也有广泛的用途，对21世纪的科技发展具有重要作用。

为了对纳米技术有一个较全面的印象，华伦博士带记者参观了纳米材料实验室。由于纳米材料的结构很小，在自然光下肉眼无法看到，所以需要借助显微镜来观察和操作。走进实验室，首先看到的是一台被称作"纳米刀"的仪器。参观时，研究人员正在用它在一个电子器件材料表面上......余下全文>>