碳纳米管：开创超强超轻材料新纪元

什么材料强度是钢的100倍，却比铝还轻？ 碳纳米管是迄今发现的最强材料之一，工程师才刚开始释放其全部潜力。

碳纳米管是碳的同素异形体，即碳原子排列的几种可能形式之一。自然界纯碳以石墨形式存在，软片层固体，或金刚石，透明且为天然最硬材料。

碳纳米管与石墨关联更紧密。石墨虽软，但由单原子层厚度的碳原子层叠构成。这些单层片称作石墨烯，碳纳米管就是将石墨烯片卷成管状所得。

石墨烯本身非凡。如碳纳米管，它强度惊人。2010年诺贝尔物理学奖授予首次分离石墨烯片的团队，理论上重约1毫克的石墨烯片可托住一只猫。

这个假设的“猫吊床”仅一原子厚，肉眼完全不可见。碳纳米管由一层或多层石墨烯排列成管状，同样极其强韧。

目前，碳纳米管主要用于改善聚合物复合材料性能。碳纳米管提供多种有益特性：

• 极高强度
• 高比强度
• 高导电性
• 高导热性

碳纳米管性能

与其他增强材料相比，碳纳米管强度远超纤维增强聚合物复合材料用的其他纤维。近期研究聚焦功能梯度聚合物开发，在聚合物结构中战略性分布碳纳米管赋予定制力学性能。

碳纳米管还提供优良导电导热性，使其用于电子封装或作为聚合物胶粘剂添加剂使其导电。传统上金属为电子领域主导导电导热材料，因聚合物和陶瓷导电导热性较差。

但添加碳纳米管可使多种聚合物导电，开辟更快、更低成本电子制造新可能。

碳纳米管增强复合材料

若石墨烯和碳纳米管如此强，为何不普遍应用？强度媲美石墨烯或碳纳米管的部件对其他材料几乎不可摧毁。

为理解利用碳纳米管和石墨烯惊人强度的挑战，看看石墨为何软。单层石墨烯极强，但石墨软因石墨烯层间键合弱。

单个碳纳米管是迄今发现最强材料之一，但必须将它们连接起来，其强度才实用。

因此碳纳米管常作为添加剂用于其他材料(通常是聚合物)改善性能。碳纳米管增强强度，“基体”材料分散其中将一切粘合。但留下疑问：为何微小碳纳米管比体块材料强得多？因为它们小。

超强纳米材料

碳纳米管强度关键在于极小尺寸使其接近碳理论强度。材料理论强度是折断无缺陷完美晶体所需应力。

如纯铁理论强度31.8 GPa，体块钢强度270-740 MPa，不足理论强度2.5%。因微小位错缺陷使体块钢在远低于假设无缺陷晶体的应力下发生塑性变形失效。

体块材料从未接近理论强度，因即使极精细加工，大尺度材料不可避免产生微观缺陷降低强度。这也是人类不太可能制造大块无缺陷石墨烯片如诺贝尔奖描述的单原子层石墨烯猫吊床。

大尺度片材必含缺陷降低强度，猫会撕破吊床。故大多体块材料加工聚焦限制微观缺陷影响而非彻底消除。用现有技术制造大量完全无缺陷材料几乎不可能。

若材料体积极小，合成无缺陷材料更可行。简单说，极少量材料统计上更不可能含缺陷，小体积材料更易通过引入少缺陷的化学生长过程制造。

因此，可制造大量无缺陷纳米管，但无法制造大块无缺陷单体材料。碳纳米管超强因超小使其可能无缺陷。

还值得铭记：材料强度用折断试样所需力除以试样横截面积测定，单位如兆帕(MPa)即牛顿/平方毫米(N/mm²)。故强度测量自动补偿试样材料量，可比较1厘米直径钢棒与1微米直径碳纳米管强度。

微小纳米管更可能完全无缺陷，故极强。但要捆绑足够纳米管制造等尺寸钢棒部件，须制造纤维增强复合材料。

其小尺寸、由此导致的无缺陷使碳纳米管成为超强纳米材料，单个多壁碳纳米管报告强度11-63 GPa，接近碳理论强度156.0 GPa。其他材料也可制成超小、无缺陷“晶须”，如铁纳米晶须报告强度13 GPa，远超体块钢接近铁理论强度。

许多其他材料在实验室条件下合成纳米管、纳米线、晶须形式，但碳纳米管是少数能从Goodfellow等供应商处获得商业量供应的超强纳米材料之一。

结论

碳纳米管是迄今发现最强材料之一，因极小尺寸使其可能无缺陷并接近碳理论强度。故碳纳米管最常用于增强其他材料性能，如添加进聚合物基体提升强度、导电性、导热性。

碳纳米管强度比纤维增强复合材料常用其他纤维高数数量级。碳纳米管优良导电导热性也使得可制造导电聚合物用于传统用金属的电子应用。