中國(guó)粉體網(wǎng)訊 碳原子可以以不同的方式結(jié)合在一起，從而產(chǎn)生了許多具有不同物理性質(zhì)的碳的同素異形體。已知的同素異形體包括石墨、金剛石、富勒烯、納米管和石墨烯， 后三者多為人造。
當(dāng)這些碳的同素異形體作為添加劑使用時(shí)，它們的來源、形態(tài)和生產(chǎn)方法會(huì)影響材料的性能，而因?yàn)樘嫉牟煌螒B(tài)具有很大的不同。石墨烯和單壁碳納米管具有最佳的性能組合和優(yōu)勢(shì)。
除石墨烯外，這些碳基添加劑的生產(chǎn)規(guī)�？蛇_(dá)數(shù)百噸或上千噸，并可用于工業(yè)用途。
碳納米管
碳納米管基本上分為兩類
單壁碳納米管(SWCNTs)和多壁碳納米管(MWCNTs)。盡管有明顯的共性，但由于結(jié)構(gòu)上的差異，單壁碳納米管和多壁碳納米管的物理性質(zhì)存在顯著差異。
區(qū)分單壁碳納米管最重要的特征是，管壁只有一層。換句話說，單壁碳納米管可以被描述為單層石墨烯片卷起來形成的無縫空心圓柱筒。這就是為什么它們經(jīng)常被稱為單層石墨烯納米管。
與單壁碳納米管不同，多壁碳納米管可被視為單壁碳納米管的同心排列，即由多層石墨烯片無縫卷起成管狀。
單壁碳納米管和多壁碳納米管的這些差異，導(dǎo)致了它們?cè)谔砑拥讲牧现袝r(shí)，給材料的性能帶來很大不同，并對(duì)材料產(chǎn)生了相應(yīng)的影響。
例如，單壁碳納米管的楊氏模量(有時(shí)被稱為與材料在拉伸或壓縮下承受長(zhǎng)度變化的能力有關(guān)的彈性模量)，幾乎比多壁碳納米管高一個(gè)數(shù)量級(jí)。
圖 碳納米管結(jié)構(gòu)對(duì)楊氏模量的影響：
(i) 單壁碳納米管(SWCNTs);
(ii)和(iii) 多壁碳納米管(MWCNTs)，分別在720℃和900℃下通過化學(xué)氣相沉積法(CVD)合成。
單壁碳納米管與多壁碳納米管的物理參數(shù)
* 可更大的直徑，但會(huì)導(dǎo)致缺陷數(shù)量的增加
**長(zhǎng)度可更長(zhǎng)，限于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模
單壁碳納米管特性
1、真正的納米級(jí)管徑
單壁碳納米管的管徑小于2 nm，而多壁碳納米管的直徑大多大于5 nm，可高達(dá)數(shù)百納米。
2、長(zhǎng)且少缺陷的結(jié)構(gòu)
這兩種類型的碳納米管都可以生長(zhǎng)到幾百納米甚至幾毫米的長(zhǎng)度，但通常都在1- 30微米的范圍內(nèi)。
3、高長(zhǎng)徑比(長(zhǎng)度-直徑比)
由于其直徑較小，長(zhǎng)度長(zhǎng)，單壁碳納米管通常具有較高的長(zhǎng)度-直徑比，從而具有前所未有的柔韌性。事實(shí)上，單壁碳納米管給材料所帶來的許多機(jī)械性能改進(jìn)，都可以歸因于高長(zhǎng)徑比。
在極低的添加量下可以形成三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，起始添加量?jī)H為總重量的0.01%。如此低的添加對(duì)顏色影響較小。
多壁碳納米管的典型縱橫比較低，因此電導(dǎo)率的滲透閾值較高。由于其更大的直徑，多壁碳納米管非常堅(jiān)硬，其類似石棉的特性也會(huì)造成健康風(fēng)險(xiǎn)。
4、彈性
由于其較高的剛性，在不損壞結(jié)構(gòu)的前提下，多壁碳納米管不容易彎曲、扭曲、扭結(jié)或屈曲，而單壁碳納米管具有柔韌性，可以更容易地恢復(fù)其原始結(jié)構(gòu)。
5、優(yōu)良的機(jī)械性能
單壁碳納米管的抗拉強(qiáng)度和彈性模量是材料中最高的之一（分別為~50 GPa和~ 1000 GPa），這一特性適用于強(qiáng)化各種材料，包括聚合物復(fù)合材料。
理論上，在聚合物復(fù)合材料中，達(dá)到各向同性分布的單壁碳納米管的理想分散，每添加1 %（質(zhì)量比）的單壁碳納米管，可使抗拉強(qiáng)度提高100 MPa。在實(shí)踐中，達(dá)到要求的機(jī)械性能提升所需的單壁碳納米管的劑量，可以低至0.2%（質(zhì)量比）。
對(duì)于多壁碳納米管，通常需要3- 5%的添加量來改善機(jī)械性能。高添加量會(huì)影響其他重要特性，如最終產(chǎn)品的表面質(zhì)量和顏色。
6、導(dǎo)熱性
在單位質(zhì)量導(dǎo)熱系數(shù)方面，單壁碳納米管超過了多壁碳納米管，可以作為提高導(dǎo)熱系數(shù)的添加劑。這兩種材料都能承受高溫（在正常條件下高達(dá)750°C）。
7、導(dǎo)電性
單壁碳納米管有一層碳原子，并根據(jù)空間的螺旋特性（手征）可表現(xiàn)出金屬或半導(dǎo)體性能。這兩種類型都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，分離后可用于納米電子學(xué)。即使沒有分離，原始單壁碳納米管的高導(dǎo)電性(可以通過添加進(jìn)一步提高)，低量添加量即可用來提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性。
單壁碳納米管不僅具有最高的導(dǎo)電性，而且由于其強(qiáng)大的碳-碳鍵，金屬特性的單壁碳納米管的電流密度，比銅等金屬的電流密度大1000倍以上，而銅等金屬的電流密度會(huì)受到電遷移的限制。換句話說，單壁碳納米管具有較高的載流量。
碳納米管作為一種抗靜電添加劑在各種材料中有著廣泛的應(yīng)用。
當(dāng)導(dǎo)電添加劑的添加量高于所謂的“滲透閾值”時(shí)，這些改進(jìn)材料的電導(dǎo)率就會(huì)出現(xiàn)。滲透閾值與填料的長(zhǎng)徑比成反比，單壁碳納米管及其管束的縱橫比最高。這就是為什么最佳分散和分布的單壁碳納米管，能夠在添加量低至0.01%時(shí)即能消散材料中的靜電。而多壁碳納米管需要更高的添加量，超過0.5%，才能達(dá)到相近的效果。
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/青黎）
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