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(lái)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)模可達(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(lèi)
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(shuō)，單壁碳納米管可以被描述為單層石墨烯片卷起來(lái)形成的無(wú)縫空心圓柱筒。這就是為什么它們經(jīng)常被稱(chēng)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(wú)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(lái)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(chēng)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(guò)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(lèi)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(lái)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(lèi)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(lái)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(guò)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(lèi)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(méi)有分離，原始單壁碳納米管的高導(dǎo)電性(可以通過(guò)添加進(jìn)一步提高)，低量添加量即可用來(lái)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(shuō)，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(guò)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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