碳纳米管的作用和用途非常丰富，充分利用了碳纳米管的长宽比、机械强度、导电性和导热性。我们为您整理了以下内容。

碳纳米管的类型

      碳纳米管的类型多样，通常有单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、双壁碳纳米管、寡壁碳纳米管等。如果您想购买碳纳米管，请详细咨询我们。这几种类型都有很多变体，其纯度、长度和功能各不相同。

碳纳米管的性质

      电导率、强度和弹性、热导率和膨胀率、电子发射、长宽比、电导率。

      碳纳米管（CNT）的导电性已引起广泛的实际关注。具有特定N和M （指示纳米管扭曲程度的结构参数）组合的CNT可具有高导电性，因此可以说是金属性的。它们的导电性已被证明与其手性（扭曲程度）以及直径有关。CNT的电学行为既可以是金属性的，也可以是半导体性的。

1、碳纳米管电子学

      多壁碳纳米管 (MWNT) 的导电性相当复杂。某些类型的“扶手椅”结构碳纳米管似乎比其他金属碳纳米管的导电性更好。此外，已发现多壁碳纳米管内部的壁间反应会导致电流在各个管内不均匀地重新分布。然而，金属性单壁碳纳米管不同位置的电流没有变化。然而，半导体单壁碳纳米管 (SWNT) 绳状结构的行为有所不同，因为传输电流在碳纳米管的不同位置会发生突变。

      通过在碳纳米管 (CNT) 的不同位置放置电极，测量了 SWNT 绳的电导率和电阻率。27°C 时，SWNT 绳的电阻率约为 10-4欧姆-厘米。这意味着 SWNT 绳是已知导电性最强的碳纤维。实际可达到的电流密度为 107 A /cm² ，但理论上 SWNT 绳应该能够承受更高的稳定电流密度，高达 1013 A / cm²。

      据报道，单个单壁碳纳米管 (SWNT) 含有缺陷。巧合的是，这些缺陷使 SWNT 可以充当晶体管。同样，将碳纳米管连接在一起可以形成类似晶体管的器件。具有自然连接（其中直的金属部分与手性半导体部分连接）的纳米管可充当整流二极管，即单个分子中的半晶体管。最近还有报道称，SWNT 在用作半导体器件的互连线时，可以高速（高达 10 GHz）传输电信号。

2、强度和弹性

      单片石墨（石墨烯）的碳原子构成平面蜂窝状晶格，其中每个原子通过强化学键与三个相邻原子连接。由于这些强化学键的存在，石墨的基面弹性模量是已知材料中最大的之一。

      因此，碳纳米管 (CNT) 有望成为终极高强度纤维。单壁碳纳米管 (SWNT) 比钢更硬，并且非常耐物理力损伤。按压纳米管尖端会导致其弯曲，但不会损坏尖端。当力消除后，尖端会恢复到原始状态。这一特性使碳纳米管非常适合用作超高分辨率扫描探针显微镜的探针尖端。

      量化这些效应相当困难，目前尚无统一的精确数值。使用原子力显微镜 (AFM)，可以将独立纳米管未锚定的末端推离其平衡位置，并测量推动纳米管所需的力。目前单壁碳纳米管 (SWNT) 的杨氏模量约为 1 太帕斯卡，但该值存在争议，据报道其值高达 1.8 太帕斯卡。此外，也曾报道过其他明显高于该值的数值。

      这些差异可能源于不同的实验测量技术。其他学者从理论上证明，杨氏模量取决于单壁碳纳米管（SWNT）的尺寸和手性，范围从1.22 Tpa到1.26 Tpa。他们计算出普通纳米管的杨氏模量值为1.09 Tpa。然而，在研究不同的多壁碳纳米管（MWNT）时，其他人注意到，使用原子力显微镜（AFM）技术测量的MWNT模量与直径的关系并不大。相反，他们认为MWNT的模量与纳米管壁的无序程度相关。毫不奇怪，当MWNT断裂时，最外层会首先断裂。

3、热导率和膨胀

      宾夕法尼亚大学的一项新研究表明，碳纳米管（CNT）可能是人类迄今为止已知的最佳导热材料。超小型单壁碳纳米管（SWNT）甚至已被证实在20 o K以下表现出超导性。研究表明，这些奇特的碳纳米管因其无与伦比的强度和独特的吸收半导体或理想金属电特性的能力而备受赞誉，未来或许也能在众多设备和材料中用作微型导热体。

      强大的平面石墨CC键使其在轴向应变下具有极高的强度和刚性。SWNT的平面热膨胀几乎为零，但平面间膨胀较大，这意味着其具有很强的平面耦合性和对非轴向应变的高柔韧性。碳纳米管已被提出多种应用，例如在纳米级分子电子学、传感和驱动装置中，或在功能复合材料中用作增强添加剂纤维。

      最近，一些关于碳纳米管-聚合物复合材料制备和机械性能的实验报告也已发表。这些测量结果表明，与裸露的聚合物基质相比，嵌入碳纳米管的基质的强度特性略有增强。对碳纳米管热性能的初步实验和模拟研究表明，其导热性非常高。因此，预计聚合物材料中的纳米管增强材料也可能显著改善复合材料的热性能和热机械性能。

4、电子发射

      场发射是由电子在强电场作用下从金属尖端隧穿到真空中产生的。碳纳米管（CNT）的小直径和高的长宽比非常有利于场发射。即使在中等电压下，由于碳纳米管的尖锐性，其自由端也能形成强电场。

      1995年，德希尔和同事在洛桑联邦理工学院（EPFL）发现了这一点。他立即意识到，这些场致发射体必定优于传统电子源，并有望应用于各种领域，尤其是平板显示器。令人瞩目的是，仅仅五年后，三星就成功实现了一款非常明亮的彩色显示器，并将很快利用这项技术实现商业化。

      在研究多壁碳纳米管（MWNT）的场发射特性时，Bonard 及其在洛桑联邦理工学院（EPFL）的同事发现，除了电子之外，光也会发射。这种发光是由电子场发射引起的，因为在没有施加电势的情况下无法检测到。这种光发射发生在光谱的可见部分，有时可以用肉眼看到。

5、高纵横比

      碳纳米管 (CNT) 是一种适用于各类塑料的细小、高长宽比导电添加剂。其高长宽比意味着，与其他导电添加剂相比，只需较低的 CNT 添加量（浓度）即可达到相同的导电性。低添加量可以更好地保留聚合物树脂的韧性，尤其是在低温下，同时还能保持基体树脂的其他关键性能。事实证明，CNT 是一种赋予塑料导电性的卓越添加剂。与炭黑、短切碳纤维或不锈钢纤维等传统添加剂材料相比，CNT 的高长宽比（约 1000:1）使其能够在较低添加量下实现导电性。   

碳纳米管的应用

      碳纳米管独特的成分、几何形状和特性使其拥有众多潜在的应用前景。将成本降至商业化可行水平已证明颇具挑战性，但其规模化生产正在不断推进。

      储能、分子电子、热材料、结构材料、电导率、织物和纤维、催化剂载体、生物医学、空气和水过滤、导电塑料、导电粘合剂、陶瓷。

      碳的特殊性质与单壁碳纳米管的分子完美性相结合，赋予其卓越的材料特性，例如非常高的电导性和热导性、强度、刚度和韧性。

      元素周期表中，没有任何其他元素能像碳-碳键那样，以如此强的强度在扩展网络中相互结合。每个原子捐献出的离域π电子可以在整个结构中自由移动，而不是停留在其供体原子上，从而产生了第一个已知具有金属型导电性的分子。此外，高频碳-碳键振动使其固有导热性甚至高于金刚石。

      然而，在大多数材料中，实际观察到的材料特性——强度、电导率等——会因其结构缺陷而显著降低。例如，高强度钢通常仅在其理论断裂强度的1%左右就会失效。然而，由于碳纳米管（CNT）分子结构的完美性，其断裂强度非常接近其理论极限。

      这正是碳纳米管 (CNT) 独特之处的一部分。碳纳米管是真正的纳米技术：它们的直径只有约一纳米，但却是能够以极其实用的方式进行化学和物理操控的分子。它们在材料科学、电子学、化学加工、能源管理以及许多其他领域开辟了极其广泛的应用范围。

1、储能

      碳纳米管 (CNT) 具备电池和电容器电极材料所需的固有特性，而电池和电容器是两种日益重要的技术。CNT 具有极高的表面积（约 1000 平方米/克）和良好的导电性，而且非常重要的是，其线性几何形状使其表面极易与电解质接触。

      研究表明，碳纳米管 (CNT) 在所有用于锂离子电池的碳材料中具有最高的可逆容量 [B. Gao, Chem. Phys. Lett. 327 , 69 (2000)]。此外，CNT 还是制作超级电容器电极的优秀材料 [RZ Ma等,中国科学E辑：技术科学 43, 178 (2000)]，目前已将其推向市场。

      碳纳米管 (CNT) 也可用于各种燃料电池组件。它们具有多种特性，包括高表面积和导热性，使其可用作质子交换膜 (PEM) 燃料电池的电极催化剂载体。由于其高电导率，它们还可以用于气体扩散层以及集电器。

      碳纳米管的高强度和高韧性重量比特性也可能证明其作为燃料电池复合部件的价值，而燃料电池在运输应用中的耐用性是极其重要的。

2、分子电子学

      过去五年来，利用材料的基本组成部分——分子——构建电子电路的理念再度兴起，并成为纳米技术的关键组成部分。在任何电子电路中，尤其是在尺寸缩小到纳米级的情况下，开关与其他有源器件之间的互连变得越来越重要。

      碳纳米管 (CNT) 的几何形状、导电性以及可精确导出的特性，使其成为分子电子学中连接的理想材料。此外，它们本身已被证实可作为开关。

3、热材料

      碳纳米管 (CNT) 具有卓越的导电性、导热性和机械性能。它们可能是目前最好的电子场发射体。它们是纯碳的聚合物，可以利用众所周知且极其丰富的碳化学性质进行反应和操控。

      这为修改其结构、优化其溶解度和分散性提供了机会。值得注意的是，碳纳米管（CNT）的分子结构是完美的，这意味着它们通常不存在纳米管结构中导致性能下降的缺陷。

      因此，它们的材料性能可以非常接近其固有的极高水平。这些非凡的特性赋予了碳纳米管在众多应用领域的潜力。

      碳纳米管创纪录的各向异性热导率使得许多需要热量从一个地方转移到另一个地方的应用成为可能。这类应用在电子产品中很常见，尤其是在先进的计算领域，目前未经冷却的芯片温度通常会超过 100摄氏度。

      制造碳纳米管（CNT）定向结构和碳纳米管带的技术[D.Walters 等人，《化学与物理快报》 第 338 卷，第 14 期 (2001)]，是实现高效热导管的一步。此外，研究表明，即使在非常小的负载下，含有碳纳米管的复合材料也能显著提高其体积热导率。

4、结构材料

      碳纳米管 (CNT) 的优异性能不仅体现在导电性和导热性上，还包括机械性能，例如刚度、韧性和强度。这些特性使其拥有丰富的应用前景，包括需要高值一种或多种性能的先进复合材料。

5、电发射器

      碳纳米管（CNT）是所有材料中最为知名的场发射体。考虑到它们高导电性以及其尖端令人难以置信的锋利程度，这一点不难理解（因为尖端的曲率半径越小，电场越集中，从而导致场发射增强；这与避雷针锋利的原因相同）。

      尖端的锋利也意味着它们能够在极低的电压下发射，这对于利用这一特性构建低功耗电子设备至关重要。碳纳米管可以承载惊人的高电流密度，可能高达10 13 A/cm 2。此外，电流极其稳定。

      这种特性的一个直接应用是场发射平板显示器，并引起了人们的极大兴趣。与传统阴极射线管显示器中单个电子枪不同，基于碳纳米管的显示器中，每个像素都有一个独立的电子枪（甚至多个）。

      碳纳米管 (CNT) 具有高电流密度、低开启和工作电压以及稳定、长寿命的特性，使其成为此类应用中极具吸引力的场发射体。其他利用碳纳米管场发射特性的应用包括通用低压冷阴极照明光源、避雷器和电子显微镜光源。[BQ Wei等人，《应用物理快报》 79 卷1172 号 (2001)]。

6、织物和纤维

      纯碳纳米管纺成的纤维最近已得到验证[RH Baughman，Science 290 , 1310 (2000)]，并且与碳纳米管复合纤维一起正在快速发展。这种超强纤维将有广泛的应用，包括车身和车辆装甲、输电电缆、机织织物和纺织品。碳纳米管还被用于增强纺织品的防污性能。

7、催化剂载体

      碳纳米管 (CNT) 本身就具有极高的表面积；事实上，对于单壁碳纳米管 (SWNT) 来说，每个原子并非只存在于一个表面上——每个原子都存在于两个表面上，即纳米管的内部和外部！碳纳米管能够将几乎所有化学物质附着在其侧壁上（功能化），这为开发独特的催化剂载体提供了机会。碳纳米管的导电性也可用于探索新的催化剂和催化行为。

8、生物医学

      碳纳米管在生物医学领域的应用探索才刚刚开始，但潜力巨大。由于人体很大一部分由碳组成，碳通常被认为是一种生物相容性极佳的材料。

      研究表明，细胞可以在碳纳米管上生长，因此似乎没有毒性。细胞也不会粘附在碳纳米管上，这有望应用于假肢涂层以及船舶防污涂层等。

      对碳纳米管 (CNT) 侧壁进行功能化（化学改性）的能力也带来了生物医学应用，例如血管支架、神经元生长和再生。此外，已有研究表明，单链 DNA 可以与纳米管结合，然后成功插入细胞。

9、CNT空气和水过滤

      许多研究人员和企业已经开发出基于碳纳米管的空气和水过滤装置。据报道，这些过滤器不仅可以阻挡最小的颗粒，还能杀死大多数细菌。这是碳纳米管已实现商业化并已上市的另一个领域。

10、导电塑料

      在过去的半个世纪里，塑料的发展历程很大程度上体现在作为金属的替代品。在结构应用方面，塑料取得了巨大的进步，但在需要导电性的领域却并非如此，因为塑料是极好的电绝缘体。

      通过在塑料中添加导电填料（例如炭黑和较大的石墨纤维（用于制造高尔夫球杆和网球拍））可以克服这一缺陷。然而，使用传统填料来提供必要的导电性所需的填充量通常较高，这会导致部件较重，更重要的是，塑料部件的结构性能会严重下降。

      众所周知，填料颗粒的长宽比越高，达到给定导电性所需的填充量就越低。从这个意义上讲，碳纳米管 (CNT) 是理想的选择，因为它们拥有所有碳纤维中最高的长宽比。此外，它们天生易于形成绳状结构，即使在极低填充量下也能提供非常长的导电路径。

      利用 CNT 这种特性的应用包括 EMI/RFI 屏蔽复合材料；外壳、垫圈和其他用途的涂层；静电耗散 (ESD)；防静电材料和（甚至透明的！）导电涂层；以及用于低可观测（“隐形”）应用的雷达吸收材料。

11、导电胶

      这些特性使得 CNT 成为电磁屏蔽、ESD 材料等领域中应用的导电填料，也使其在电子封装和互连应用（如粘合剂、灌封化合物、同轴电缆和其他类型的连接器）中具有吸引力。

12、CNT陶瓷材料

      加州大学戴维斯分校的材料科学家研制出了一种碳纳米管增强陶瓷材料。这种新材料比传统陶瓷坚韧得多，导电性好，既能导热，又能充当热障，具体效果取决于纳米管的方向。

      陶瓷材料非常坚硬，耐热耐化学腐蚀，因此非常适合用于涡轮叶片涂层等应用，但它们也非常脆。研究人员将氧化铝粉末与5%至10%的碳纳米管以及另外5%的精细研磨铌混合。研究人员用电脉冲对混合物进行处理，这一过程被称为放电等离子烧结。与传统工艺相比，该工艺能够更快地在较低温度下固化陶瓷粉末。

      这种新材料的断裂韧性（即在应力作用下抗开裂的能力）比传统氧化铝高出五倍。其电导率是之前用纳米管制成的陶瓷的七倍。它还具有独特的热性能，能够沿着纳米管的排列方向传导热量，同时以与纳米管垂直的方向反射热量，使其成为一种极具吸引力的热障涂层材料。

其他碳纳米管应用

      碳纳米管 (CNT) 还有许多其他潜在应用，例如太阳能收集、纳米多孔过滤器、催化剂载体以及各种涂层。这种非凡材料几乎肯定会在未来几年内展现出许多意想不到的应用，这些应用可能被证明是所有应用中最重要、最有价值的。许多研究人员正在研究用碳纳米管 (CNT) 制成的导电纸或防水纸。碳纳米管还被证明能够吸收红外光，并可能在红外光学行业中得到应用。