碳纳米管如何重新定义材料的强度

什么比钢强 100 倍，但比铝轻？ 碳纳米管是迄今为止发现的最坚固的材料之一，但工程师们才刚刚开始释放其全部潜力。

碳纳米管是碳的同素异形体 ，这意味着它们是碳可以采取的几种可能的原子排列之一 .在自然界中，纯碳以石墨的形式存在 ，柔软的片状固体，或钻石 ，它是透明的，是最坚硬的天然材料。

碳纳米管与石墨的关系比与金刚石的关系更密切。虽然石墨非常柔软，但它是由碳原子层构成的，它们排列成一个原子厚的薄片。这些单独的薄片被称为石墨烯，碳纳米管是将石墨烯薄片卷成管状得到的 .

石墨烯本身就是一种非凡的材料。像碳纳米管一样，它非常坚固 . 2010 年的诺贝尔物理学奖颁给了首先分离出石墨烯片的团队，而石墨烯的强度如此之大，理论上 一张重约一毫克的石墨烯片可以容纳一只猫 .

这个假设的“猫吊床”只有一个原子厚，并且人眼完全看不见 .碳纳米管由一层或多层石墨烯组成排列成管状，而且非常坚固 .

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根据诺贝尔学院的文件，如果用石墨烯制成的一平方米吊床“绑在两棵树之间，你可以放置大约 4 公斤的重物，然后它就会断裂。因此，应该有可能用石墨烯制作一个几乎看不见的吊床，可以在不折断的情况下容纳一只猫。

目前，碳纳米管主要用于改善聚合物复合材料的性能 .碳纳米管可提供一系列有益特性：

碳纳米管特性

与其他增强材料相比，碳纳米管比其他纤维强得多 用于纤维增强聚合物复合材料。最近的研究还集中在功能梯度聚合物的开发上，碳纳米管在其中战略性分布 在聚合物结构中赋予其定制的机械性能。

碳纳米管还提供良好的导电性和导热性 ，这使得它们可用于电子封装应用或作为聚合物和粘合剂的添加剂 使它们导电。传统上，金属一直是电子产品中用作导电体和导热体的主要材料，因为相比之下，聚合物和陶瓷的导电性和导热性较差。

然而，通过添加碳纳米管，可以使几种聚合物导电 ，这为更快、更便宜的电子制造开辟了新的可能性 .

如果石墨烯和碳纳米管的强度如此之高，那我们为什么不在所有东西中都使用它们 ?强度与石墨烯或碳纳米管相当的部件与其他任何材料相比几乎是坚不可摧的。

为了了解利用碳纳米管和石墨烯令人难以置信的强度所面临的挑战，我们可以看看石墨柔软的原因 .单片石墨烯非常坚固，但石墨很软，因为石墨烯片之间的键很弱 .

单个碳纳米管是迄今为止发现的最坚固的材料之一，但它们必须连接在一起才能发挥其强度 .

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碳纳米管是将石墨烯片卷成管状得到的。

这就是为什么碳纳米管经常被用作其他材料的添加剂 ，通常是聚合物，以改善其性能。碳纳米管增加强度 它们分散在其中的“矩阵”材料将所有东西结合在一起。但这给我们留下了一个问题：为什么这些微小的碳纳米管比散装材料强得多？它们很强大，因为它们很小。

碳纳米管强度的关键在于由于尺寸小，它们接近于碳的理论强度 .材料的理论强度是指打破完美晶体而没有任何缺陷所需的应力。

例如，纯铁的理论强度为 31.8 GPa，而大块钢的强度在 270-740 MPa 范围内，不到理论强度的 2.5%。这是因为被称为位错的微小缺陷使大块钢容易发生塑性变形和失效与假设的无缺陷晶体相比，在较低的应力下 .

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排列整齐的碳纳米管的 SEM 图像。 © 弗劳恩霍夫 IKTS

散装材料永远无法接近其理论强度 因为，即使经过极其仔细的加工，较大尺寸的材料也不可避免地会出现微观结构缺陷 减少他们的力量。不幸的是，这也是人类不太可能制造出大而完美的石墨烯片的原因就像2010年诺贝尔奖颁奖典礼上描述的一个原子厚的石墨烯猫吊床。

这么大的片材肯定有缺陷 这会降低它的力量，猫会撕破吊床。因此，大多数散装材料的加工重点是限制其微观结构缺陷的影响，而不是完全消除缺陷 .用目前的技术几乎不可能制造出大量完全无缺陷的材料。

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电化学生长的 TiO2 纳米管的电子显微镜图像。这些管子比人类头发的宽度小 10,000 倍，其中填充了有机聚合物，这是一种用于“生长”太阳能电池的新技术，可能比目前的太阳能电池更便宜。

如果材料体积非常非常小，则合成无缺陷材料的可行性要高得多。简而言之，在统计上，极少量的材料比大量材料更不可能包含缺陷 ，并且通过引入很少缺陷的化学生长工艺更容易制造小体积的材料。

因此，可以制造大量无缺陷的纳米管 ，但不可能制造出大块的无缺陷材料。 碳纳米管超强，因为它们超小 这使得它们可以无缺陷。

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碳纳米管被纺成纱线。

还值得记住的是，材料的强度是通过将破坏样品所需的力除以该样品的横截面积来衡量的 ，导致单位为兆帕 (MPa)，相当于每平方毫米一牛顿 (N/mm2)。因此，强度测量会自动补偿试样中材料的数量，因此我们可以比较直径为 1 cm 的钢棒与直径为 1 µm 的碳纳米管的强度。

微小的纳米管更有可能完全没有缺陷 ，因此非常强大。但是要捆绑足够多的纳米管来制造与钢棒尺寸相同的部分，我们必须制造一种纤维增强复合材料 .

碳纳米管是一种超强纳米材料，它们的小尺寸和由此产生的缺陷不足，单个多壁碳纳米管的强度为 11-63 GPa，接近碳的理论强度 156.0 GPa。 其他材料也可以做成超小号 ，无缺陷的“晶须”，包括铁，据报道其纳米晶须形式的强度为 13 GPa，比块状钢更接近铁的理论强度值。

已经在纳米管中合成了许多其他材料 、纳米线或晶须在实验室条件下形成，但碳纳米管是 Goodfellow 等供应商提供的为数不多的商业数量的超强纳米材料之一。

碳纳米管是迄今为止发现的最坚固的材料之一因为它们极小的尺寸使得它们可以无缺陷 并接近达到碳的理论强度 .这就是为什么碳纳米管最最常用于增强其他材料的性能 ，例如当它们被添加到聚合物基质中以提高它们的强度、导电性和导热性时。

碳纳米管的强度比纤维增强复合材料中常用的其他纤维高几个数量级。 碳纳米管良好的导电性和导热性 还可以为传统上使用金属的电子应用制造导电聚合物。

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