碳纳米管

碳纳米管（carbon nano tube）又称巴基管bucky tube，是由单层或多层石墨片围绕中心轴以一定螺旋角卷曲而成的无缝碳纳米管。碳纳米管具有优异的力学性能、电学和热学性能，在微观尺度上，单根碳纳米管的抗拉强度可以达到200GPa，是碳钢的100倍，而密度只有1/7~1/6弹性模量是钢的五倍；电导率可达108S·m-1，其载流能力比铜高两个数量级。

1991年，日本 s S.当李吉玛研究C60的实验时，她不断改变C60的形成条件，并在阴极石墨上发现了一些针状物质，这些物质在电极的某些部分倾向于成束生长。1993年，S.李吉玛在电极中加入铁作为催化剂，在氩气保护下放电和起弧，制备了单壁碳纳米管。

碳纳米管按碳原子数可分为单壁和多壁碳纳米管，其制备方法主要有电弧放电法、催化裂解法、激光蒸发法、化学气相沉积法，其中裂解催化分解法是目前应用最广泛的方法。

碳纳米管已经应用于电子学、材料、航空、催化、医学等领域，比如用碳纳米管吸收波、它具有高折射率，可用作隐身飞机中的隐身材料；它还可以利用其良好的热性能，并可以添加到火箭固体燃料中，以提高燃烧效率。

碳纳米管可以根据碳纳米管中碳原子的数量来制备、结构特性、是否含有管壁缺陷、形状一致性和整体形状和方向被分类。根据石墨烯片的数量，可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管；根据其结构特点，可分为三种类型：扶手椅型碳纳米管、锯齿碳纳米管和手性碳纳米管；根据管壁是否存在缺陷，分为完好的碳纳米管和有缺陷的碳纳米管；根据外观和整体造型的统一性，可分为直管式、碳纳米管束、Y型、蛇型等；按取向可分为取向碳纳米管和非取向碳纳米管。

碳原子层数

单壁碳纳米管

单壁碳计量管的典型直径为0.6~2nm，直径分布范围变小，缺陷少，高度均匀。与多壁碳纳米管相比，单壁碳纳米管价格昂贵且制备困难。

多壁碳纳米管

多壁碳纳米管的最内直径小至0.4nm，可达数百纳米，典型管径2~100nm目前，多壁碳纳米管常用于复合材料。多壁碳纳米管和单壁碳纳米管的比较如下。

矢量方向

根据矢量方向，碳纳米管可分为扶手椅型、锯齿和手性碳纳米管。碳纳米管的手性指数(n,m)与其螺旋度和电学性质直接相关，习惯上n ≥ m。

扶手型碳纳米管：当碳纳米管的手性指数(n,m)当满足n=m时，称为具有手性角的扶手椅型碳纳米管(螺旋角)为30℃。

锯齿型碳纳米管：当n gtm=0时，称为锯齿型碳纳米管，具有手性角(螺旋角)为0℃。

手性碳纳米管：当n gtm ≠ 0，称为手性碳纳米管。

定向性分类

按照取向可以分为取向碳纳米管和非取向碳纳米管两种。碳纳米管一般在几十纳米以下，长度可达几百微米以上高纵横比意味着它们在生长过程中会弯曲和缠绕。催化剂的化学气相沉积可以是碳纳米管的定向生长。

碳纳米管平面六边形单元的边长为0.246nm，最短的c-C键长为0.142nm，接近原子堆叠距离(139nm)圆柱体的两端是封闭的五边形或七边形。在将石墨片卷成圆柱体的过程中，边界上的悬空键随机结合，导致碳纳米管轴向的随机性。因此，在一般的碳纳米管中，碳原子的六方晶格的排列是螺旋缠绕的，并且纳米管具有一定的螺旋度。 螺旋碳纳米管对生长更有效，而扶手椅型和锯齿形碳纳米管不具有这种有利的生长结构，因此需要反复形成新的六方转变螺旋形碳纳米管比扶手椅形和锯齿形碳纳米管更常见。

化学键和大π键

碳纳米管中的碳原子主要以sp2杂化为主，六方网络结构发生了一定程度的弯曲，形成了空间拓扑结构，其中形成了一定的sp3杂化键，即形成的化学键同时具有sp2和sp3杂化状态。这些P轨道相互重叠，在碳纳米管的石墨烯片外形成高度离域的大π键碳纳米管外表面的大π键是碳纳米管与某些共轭大分子非共价键合的化学基础。这些π电子可以用来和其他含有π电子的化合物通过π-通过π非共价相互作用也可以得到修饰的碳纳米管。

官能基团

单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的表面结合有一定的官能团，由于制备方法不同，通过不同制备方法得到的碳纳米管也不同、后处理工艺不同，但具有不同的表面结构。单壁碳纳米管具有高化学惰性，其表面更纯净，而多壁碳纳米管的表面更活跃，与大量表面基团结合。

中空与螺旋特征

碳纳米管

碳纳米管具有典型的层状中空结构。碳纳米管层之间的距离为0.34mm，不完全一样。管的内部与巴基球的笼状结构相同，是中空结构。单层结构呈现螺旋特征。

六角碳环结构和多边形管状特性

碳纳米管的管体是一种准圆管结构，大多数由五边形截面组成。研究表明，碳纳米管管是多边形结构，由六边形碳环结构单元组成。因此，碳纳米管的这种特征被称为六边形碳环结构和多边形管状特征。另外，管体有时变化较大，因为含有七边形碳环的结构单元在生成碳纳米管的过程中产生负曲率，形成生长缺陷。

多边形端帽特征

因为管体部分具有多变形特征，所以端盖部分也必须呈现相应的多边形特征。实际的端盖总是由几个类似的子端盖组成，它们分别与管体的碳层相匹配，包括各种端部密封方法。虽然已经发现了随机密封或突然由不规则片层密封的端盖，但大多数碳纳米管的端盖具有多边形特征，即由五边形碳环组成的多边形结构，或称为多边形锥形多壁结构。

巴基葱结构

荞麦洋葱是一种轴向发展不发达的碳纳米管，其结构与碳纳米管非常相似，可以作为碳纳米管的特例(纵横比大约为1:1)来处理。荞麦洋葱或荞麦球仍然呈现具有中空多壁的多边形特征，这与碳纳米管相同。

电子

随着成像技术的快速发展，显示器正在转向高清、超薄超轻发展方向。亮度场发射平板显示器、在响应速度等方面具有优异的性能，在平板显示领域具有广阔的市场和应用场景。碳纳米管阴极为这种显示技术提供了新的发展，单根碳纳米管具有较低的开启电场、具有高发射电流密度的出色场发射性能。此外，在储能材料上，多壁碳纳米管的电容一般为102F/g；单壁碳纳米管的电容为180F/g，功率密度可达20kW/Kg，容量密度可达7W·h/Kg，高于多壁碳纳米管。此外，碳纳米管具有纳米尺度的一维管状结构，碳原子通过SP2杂化结合，这使得碳纳米管具有非常高的杨氏模量并且易于加工形成柔性薄膜，从而成为柔性储能材料。

材料

碳纳米管和有机物的结合可以实现优势互补，获得综合性能优异的聚合物基纳米复合材料和一些特殊性能。与金属复合可以有效增强金属基复合材料的力学性能和热学性能，金属离子也可以与碳纳米管发生反应，二者相辅相成，化学结合、物理结合等方式使复合材料具有更好的性能。与陶瓷复合，主要通过断裂桥接和拔出效应增韧陶瓷基体。其中碳纳米管在陶瓷基体上均匀分散、碳纳米管在组织中的存活、碳纳米管与陶瓷基体的界面结合状态是提高碳纳米管增强陶瓷基复合材料性能的关键。

催化剂

一维有序内腔结构形成的受限环境中的反应性和选择性相对较高。它可用作催化剂载体和催化剂添加剂，也可直接用作催化剂。与其他传统材料相比，碳纳米管负载和促进的催化剂的活性或选择性得到提高。原因是纳米金属颗粒进入碳纳米管的孔隙后可以形成纳米反应器。碳纳米管的纳米级内腔不仅为纳米催化剂和催化反应提供了特定的受限环境，而且其独特的电子结构有利于催化剂电子在内腔内外的转移，因此碳纳米管负载的催化剂具有独特的催化能力。

医学

碳纳米管的管道合成是有机合成、生物化学和药物化学的重点研究领域。它可在养料、在药物供应系统和细胞之间形成圆柱形通道以运输肽、蛋白质、质粒DNA或核酸等物质。还能促进骨组织的修复和生长，促进神经再生，减少神经组织的生成。此外，碳纳米管可用于愈合微小的毛细血管或替换受损的毛细血管，并可修复受损的毛细血管。碳纳米管具有优异的柔韧性，在低电压下可以产生较大的机械拉伸，其长度会随着施加电压的变化而有规律地膨胀和收缩利用这一特性，它们可以制成人造肌纤维，用于人体肌纤维的移植和修复。

食品

碳纳米管主要涉及食品安全检测中的农药残留、兽药残留和重金属的检测。由于农药残留，它主要用作食品安全检测的预处理吸附剂、兽药残留和重金属含量很低，选择合适的座椅预处理吸附剂非常重要。

航空

航空航天正在向轻量化工程发展陶瓷材料或陶瓷复合材料具有良好的机械性能、极低的密度和耐烧蚀性能用于制备航空航天零件，但由于其脆性，难以制造大尺寸或复杂结构的零件，因此需要与金属体连接以满足实际需求。然而，焊料在陶瓷表面的润湿性较差，难以获得有效的界面结合，而碳纳米管可以改善润湿性在陶瓷表面原位合成碳纳米管可以大大降低焊料在陶瓷表面的润湿性。

船舶

船上的海水淡化装置用于解决远洋运输的饮用水问题，主要基于反渗透海水淡化装置和技术。反渗透膜是反渗透海水淡化技术的关键技术，由碳纳米管制成的反渗透膜减少了海水腐蚀的影响，是有效的、不断满足船上对淡水的需求。

其他

从结构上看，碳纳米管具有用作电容器电极材料的高结晶度的性质、导电性好、比表面积大、在一定范围内，微孔可用于制备双层超级电容器。碳纳米管的层间距略大于石墨，充放电容量大于石墨而且其结构简单，多次充放电循环后不会塌陷，具有良好的可回收性，可用作锂离子二次电池的电极材料。碳纳米管独特的大比表面积和纳米孔结构使其具有显著的吸附性能，可用作储氢材料。

碳纳米管独特的管状结构可分为一维金属纳米材料，为物理处理和化学反应限制提供了平台，是很好的模板。利用碳纳米管的吸附和尺寸效应，可以进行困难的微区放射性清洗和同位素分离，使其成为良好的微污染吸附剂，有利于环境保护。大面积定向碳纳米管薄膜的成功制备使其在平板显示器件中的应用成为可能，平板显示器件将用于电视机、摄像机、可视电话、便携式计算机航空电子等仪器显示领域得到了广泛的应用。

健康影响

碳纳米管是由石墨层构成的圆柱体，但其生物毒性远远大于石墨粉。例如由碳纳米管制成的造影剂，生物体内的代谢滞留会引起眼睛不适、皮肤过敏、肺癌和尘肺病等。美国国家航空航天局航天中心将包含0.将1毫克的碳纳米管悬浮液通过支气管注入大鼠和小鼠的肺部后，颗粒会以一定的形式进入肺泡，甚至可以在肺部停留90天。即使是低溶解度的单壁碳纳米管也会引起肺部肉芽肿，但通常没有与石棉和无机粉尘引起的肉芽肿相关的炎症症状。

环境影响

密苏里大学和美国地质调查局的一项联合研究表明，碳纳米管对一些水生生物有毒。碳纳米管不是纯碳、其生产过程的镍、铬和其他金属将作为杂质残留。这些残留的金属和碳纳米管会减缓某些水生生物的生长速度，甚至导致它们的死亡。他们在实验中使用的四种生物是贻贝、小苍蝇幼虫、蠕虫和甲壳动物。