中國(guó)粉體網(wǎng)訊 碳納米管（CNTs）是1991年被發(fā)現(xiàn)的一種新式碳結(jié)構(gòu)，可以看成是由石墨烯片層卷成的無(wú)縫、中空管體。碳納米管自從被報(bào)道以來(lái)，引起了學(xué)術(shù)界及工業(yè)界的廣泛關(guān)注和興趣。
碳納米管一般可以分為單壁碳納米管、雙壁碳納米管和多壁碳納米管，如下圖
(a)單壁碳納米管 (b)雙壁碳納米管 (c)多壁碳納米管
不同層數(shù)碳納米管結(jié)構(gòu)示意圖
碳納米管的性能
（1）力學(xué)性能
碳納米管最為突出的特性是其優(yōu)異的力學(xué)性能，主要表現(xiàn)在強(qiáng)度、剛度、韌性等方面。
（2）熱學(xué)性能
碳納米管擁有準(zhǔn)一維導(dǎo)熱性。
（3）電化學(xué)性能
碳納米管其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致其具有優(yōu)異的導(dǎo)電能力，它不單單可以呈現(xiàn)出半導(dǎo)體的特性，而且可以呈現(xiàn)出導(dǎo)體性，乃至金屬性等特征。
（4）光學(xué)性能
碳納米管具有不同于常規(guī)晶態(tài)與非晶態(tài)的光學(xué)特性，既包含線(xiàn)性光學(xué)性質(zhì)，又具有非線(xiàn)性光學(xué)性質(zhì)，其中碳納米管的非線(xiàn)性光學(xué)性質(zhì)已被廣泛研究。
（5）磁學(xué)性能
碳在常溫下是一種抗磁性物質(zhì)，但不同情況下碳納米管卻表現(xiàn)出不一樣的磁性能。
碳納米管的制備
（1）電弧放電法
電弧放電法是以真空腔內(nèi)的石墨棒作為陰陽(yáng)極，以惰性氣體或者氫氣作為保護(hù)氣體，接著通入直流電流，這樣會(huì)使石墨極間產(chǎn)生電弧放電效應(yīng)，在這個(gè)放電的過(guò)程中，放電反應(yīng)會(huì)使陽(yáng)極石墨棒慢慢減少，從而可以在其陰極產(chǎn)生碳納米管。
電弧法制備碳納米管的裝置圖
優(yōu)點(diǎn)：
產(chǎn)生碳納米管的速率快；
實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所需要的工藝參數(shù)設(shè)定簡(jiǎn)單；
生長(zhǎng)得到的碳納米管管直以及結(jié)晶度良好。
缺點(diǎn)：
電弧法來(lái)生長(zhǎng)的碳納米管的溫度要求較高，生長(zhǎng)碳納米管所需的設(shè)備十分復(fù)雜，并且生長(zhǎng)出來(lái)的碳納米管有比較明顯的缺陷。容易和生長(zhǎng)過(guò)程中催生出來(lái)的副產(chǎn)物，比如無(wú)定型碳、石墨顆粒、富勒烯等雜質(zhì)燒結(jié)于一體，不利于分離和提純。
制備成本較高。不利于規(guī)�；�、工業(yè)化生產(chǎn)。
(2)化學(xué)氣相沉積法
化學(xué)氣相沉積法是一種大規(guī)模生產(chǎn)碳納米管的最簡(jiǎn)單的方法。
化學(xué)氣相沉積法的生產(chǎn)原理含碳?xì)怏w（一般氣體為CH4）在高溫和催化劑的作用下產(chǎn)生碳原子，并形成碳納米管。
電化學(xué)法制備碳納米管的裝置圖
優(yōu)點(diǎn)：
易于控制，管長(zhǎng)，產(chǎn)率高，純度高，而且通過(guò)催化劑顆粒的尺寸來(lái)控制碳納米管的尺寸，生產(chǎn)成本低，適用性強(qiáng)。
缺點(diǎn)：
化學(xué)氣相沉積法制備出來(lái)的碳納米管長(zhǎng)度長(zhǎng)，并且直徑不均勻；石墨化度低，拉伸強(qiáng)度小于通過(guò)電弧放電制備的碳納米管強(qiáng)度。
(3)激光蒸發(fā)法
激光蒸發(fā)法是基于石墨電弧法發(fā)展出來(lái)的一種制備方法。
原理是在催化環(huán)境下，通過(guò)高能量密度的激光照射石墨耙，在這個(gè)過(guò)程中石墨會(huì)產(chǎn)生氣態(tài)碳，進(jìn)而在撞擊的過(guò)程中形成碳納米管。
激光蒸發(fā)法制備碳納米管的裝置圖
優(yōu)點(diǎn):
SWCNTs的產(chǎn)率隨著激光脈沖時(shí)間間隔的縮短而增加，并且單壁碳納米管的管徑也可由調(diào)節(jié)激光脈沖的功率控制。
缺點(diǎn)：
制備碳納米管的純度較低、生產(chǎn)效率低、產(chǎn)物容易發(fā)生纏結(jié)，并且生產(chǎn)經(jīng)費(fèi)昂貴。
（4）催化裂解法
在600~1000℃的溫度及催化劑作用下，使含碳化合物裂解為碳原子，然后在過(guò)渡金屬-催化劑作用下，附著在催化劑微粒表面上形成為碳納米管。
除此之外還包含熱解聚合物法、固相熱解法等方法。
研究進(jìn)展
根據(jù)其形貌差異，碳納米管可分為聚團(tuán)狀碳納米管、垂直陣列狀碳納米管及水平陣列狀碳納米管三種類(lèi)型。相比于前兩種類(lèi)型，水平陣列狀碳納米管具有完美結(jié)構(gòu)、超低缺陷程度、厘米級(jí)以上長(zhǎng)度及優(yōu)異理化性能。
目前，實(shí)現(xiàn)水平陣列狀碳納米管的結(jié)構(gòu)可控制備及性能調(diào)控是近近十幾年來(lái)碳納米管研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。另外，國(guó)內(nèi)外一些先進(jìn)學(xué)者也在碳納米管制備上進(jìn)行更多研究。
（1）Feldman等人利用電解堿金屬鹵化物的方法制備了直徑為30~50nm的多壁納米碳管。
（2）南加州煤氣公司（SoCalGas）也在去年宣布，公司正與一支研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展合作，采用了一款新工藝，將天然氣轉(zhuǎn)化為氫氣、碳纖維及碳納米管。該合作旨在采用新催化劑，研發(fā)先進(jìn)的甲烷重整工藝，用于制造碳納米管。
新催化劑系統(tǒng)將促進(jìn)碳納米管成型的“基底生長(zhǎng)”而非“頂端生長(zhǎng)”�；咨L(zhǎng)成形可實(shí)現(xiàn)催化劑的再生，并創(chuàng)建一款純度較高的結(jié)晶碳產(chǎn)品。此外，可優(yōu)化反應(yīng)條件，調(diào)整碳納米管的直徑及長(zhǎng)度。
（3）清華大學(xué)的魏飛教授團(tuán)隊(duì)在水平陣列狀碳納米管的生長(zhǎng)機(jī)理、結(jié)構(gòu)可控制備、性能表征以及應(yīng)用探索等方面開(kāi)展了大量的研究，并取得一系列重要突破。
目前，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)制備出單根長(zhǎng)度達(dá)到半米以上的碳納米管，此類(lèi)超長(zhǎng)碳納米管具有完美的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能。另外，其團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)宏觀尺度超潤(rùn)滑現(xiàn)象，并實(shí)現(xiàn)單根碳納米管宏觀尺度光學(xué)可視化及可控操縱。
水平陣列狀碳納米管的結(jié)構(gòu)可控制備
