碳是一种永远存在的矿物质。从我们的身体到我们的环境,甚至我们的主要燃料来源都是碳基的。碳也是当今人类已知的最有用的金属之一。在当今使用的众多碳形式中,碳纳米管是迄今为止较有前途和用途广泛的。
碳纳米管是如何形成的?
碳纳米管是碳的同素异形体之一。由于它们自然形成管状纳米结构,因此被称为“纳米管”。碳分子独特的圆柱形结构赋予其独特的性质。这些特性被发现在电子、光学、纳米技术以及其他材料科学和技术行业中对于碳纳米管的应用最为可行。
碳纳米管的特性
物理——碳纳米管本质上比其他现代材料更坚固,赋予其极高的刚度和强度。这些材料已成功开发出破纪录的长径比,超过132000000:1,比大多数其他最耐用的材料更坚固。
电学——碳纳米管独特的圆柱形结构是一种高效的电导体。碳分子之间的非典型分子键形式允许几乎完全不受阻碍的电传输。
热学——碳纳米管本质上也是更好的热导体。它的性能优于当今使用的许多其他流行的传统热导体。
碳纳米管的其他性质
这些是碳纳米管的其他一些重要特性,使其成为众多行业中极具前景的材料:
更高的弹性——碳纳米管可以成功地伸长至其原始长度的18%以上。
更高的拉伸强度——碳纳米管除了非常坚固之外,还具有很高的延展性。您可以轻松地将碳纳米管弯曲到很大程度,而不会损坏它。
热膨胀系数——碳纳米管的热膨胀系数明显低于其他材料。
碳纳米管的应用
这些是碳纳米管目前和潜在的一些应用。
碳纳米管用作:
导热体——由于碳纳米管具有惊人的高耐热性,因此它被认为是现代导热材料的充分替代品。作为纯碳的聚合物,碳纳米管可以利用碳分子独特的键合特性轻松制造。改变它们的结构并优化它们的溶解度和分散能力是非常可行的。
场发射技术——碳纳米管具有优异的导电性和锥形端点,具有显着较低的发射电压。电场的增强导致场发射的增加。目前,该特性用于制造场发射平板显示器。
除此之外,碳纳米管作为场发射器件的其他应用包括低压、冷阴极光源,甚至在电子显微镜中和作为雷电电阻器。
导电塑料——塑料通常被视为金属的替代品。然而,当结构需要具有活性和导电性时,使用塑料就不够了,因为它们是完美的电绝缘体。
尽管在制造过程中添加了特定的导电添加剂(例如大石墨纤维和炭黑),塑料可以变得非常导电,但它也使设备变得更加笨重。为了克服这个问题,碳纤维中碳纳米管的最高长径比使其非常适合用作构建坚固且足够导电的设备的添加剂。
能量存储——碳纳米管独特的电特性使其能够替代用于制造电容器和电池的传统材料。由于这是两个最重要和增长最快的行业,碳纳米管在储能领域的应用必将彻底改变便携式电源解决方案。
除此之外,碳纳米管更高的导热率和更大的表面积使其成为制造质子交换膜燃料电池的理想电极催化剂。使用这种材料作为组件的复合材料将使能量存储更高效、运输更轻。
导电连接器和粘合剂
由于该材料非常适合电磁屏蔽、ESD材料等应用,因此也适合互连应用。除此之外,该材料还可用于制造同轴电缆、粘合剂、灌封料和其他形式的连接器。
这些是当今和未来十年碳纳米管的主要应用。全球范围内仍在进行大量研究,以深入研究其不寻常的特性并为其找到可行的实际应用。