碳纳米管在机械电子领域的应用与分析

摘要：碳纳米管（CNT）是一种新兴的、有独特结构的一维纳米材料，其独特的力学、热学、电学和光学性能使它日益受到人们的青睐，并已经广泛应用于传感器、超级电容、场致发射器、吸波材料等机械电子领域。将碳管进行活化、纯化和掺杂等功能化处理，可以优化及开发其功能，扩大其应用范围。

关键词：碳纳米管；传感器；超级电容场；致发射器；吸波材料

中图分类号：TB383 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）20-0050-02

碳纳米管（又称为巴基管）是碳的一种同素异形体，径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸可达微米量级。巨大的长径比赋予它优良的传热性能和力学性能，以其他材料为基体与碳纳米管混合，可使之具有超强的强度、韧性、抗疲劳性和各向同性，大大地改善原有材料的性能。本文就碳纳米管的一些性质，分析了其在机械电子领域的广泛应用，并对碳纳米管潜在的应用价值做了展望。

1 碳纳米管的性质

1.1 力学性能

碳纳米管短而强的碳-碳键能够阻碍外来杂质的侵入，巨大的长径比使其拥有“超级纤维”之称，轴向具有良好的柔韧性和回弹性，弹性模量与金刚石相近，在负载作用下，具有极好的抗变形能力，当外力消失后，能够像弹簧一样立即恢复原状。它具有极好的抗拉能力，强度是钢的100倍，密度却只有钢的1/6，是目前可制备出的比强度最高的材料。

1.2 热学性能

由于碳纳米管具有非常大的长径比，所以大部分热量是沿着轴向方向传递的，径向方向热交换性能很低，通过合适的取向，可以制成各向异性的热传导材料。石墨化程度对碳纳米管的热传导性能影响较大，石墨化程度越高，导热系数越大。

1.3 电学性能

碳纳米管具有特殊的电学性质，其导电性与直径和结构有关，既可以呈现金属性质，在某些条件下，还具有半导体特性，其导电率可达铜的10000倍，且相邻两层的碳管不会破坏对方的金属性或半导体特性。碳纳米管轴向的电阻率远远小于径向的电阻率，当碳纳米管的直径足够小时，还具有超导特性，使其在超导领域具有不可估量的应用前景。碳纳米管还是一种理想的场致发射器材料，其携带的电流密度高，与普通的发射器相比，功耗较低，并且能够在恶劣的环境下工作。

1.4 光学性能

碳纳米管具有良好的微波吸收能力，通过改变它的结构和浓度，可以调节其吸波功能，温度也能影响其吸波能力，经过高温处理的碳管，其内部结构经过重整，晶粒尺寸减小，有序化程度大大增加，介电常数的实部和虚部都减小，吸波峰点向高频方向移动，使得它对微波的低频部分吸收能力下降，高频区域吸波能力增强。

2 碳纳米管在机械电子元件中的应用

2.1 碳管在机械设备中的应用

碳纳米管具有很高的强度，将其作为复合材料或涂层的增强体，可以提高材料的减摩抗磨性能，降低汽车动力因摩擦而产生的消耗，降低传动系统的摩擦与磨损。碳管与塑料相聚合，可以制得高比强度和高弹性模量的功能塑料，碳管的密度极小，可在汽车的轻量化生产中发挥重大作用，还可以应用于汽车车身和轮船上，减轻介质对车身和船壁的腐蚀。

2.2 传感器

2.2.1 压力传感器。由碳纳米管构建的纳米压力传感器，不仅具有体积小、重量轻的特点，还能够降低功耗，扩大测量范围和提高灵敏度。碳纳米管具有很好的形变，诱惑电阻发生变化，可以作为压阻敏感元件，从而提高灵敏度。基于碳纳米管的电阻温敏特性，当温度变化时，碳管的电阻也随之变化，由于其具有非常高的电阻温度系数，因而可进一步提高灵敏度。

2.2.2 气体传感器。将碳纳米管置于材料基底上，可制得灵敏度高、响应迅速、尺寸小、能耗低的气体传感器，能够检测环境中的NH3、NO、H2、CO、O2、SO2和H2S。通过金属或半导体修饰以及金属氧化物修饰，都能够提高传感器的灵敏度，根据气体击穿时的电流，还可以测定气体的浓度，此种传感器还具有良好的选择性和防干扰性能。碳管气体传感器在生产、检测和测试领域都具有广泛的应用。

2.3 超级电容器

碳纳米管具有良好的导电性能和较强的机械性能，通过对其进行改性处理或与其他材料复合，可以制得提高电容器的电容特性。将其作为电极，还可以显著增强超级电容器的功率密度和能量密度。将碳纳米管进行活化处理，可以提高其比表面积，不仅可以增大超级电容器的电容特性，还可以改善其循环寿命。

2.4 投影显示仪

碳纳米管是一种优良的场发射冷阴极材料，由于其颗粒直径小、比表面积大，不仅可以增加显示屏的散射中心，增强散射效应，改善了显示屏的亮度均匀性，提高显示性能，还可以作为黑色组元增强显示屏的对比度，提高其对环境光的抗干扰性能。

3 碳纳米管衍生物

随着碳纳米管的不断发展，单一的碳管已经不足以满足其在多功能材料方面的应用，将碳管进行掺杂、填充、修饰、包覆、共混、接枝和超声波处理，可以得到复合碳纳米管，两种材料协同增效，不仅能够增强原有材料的力学性能，还能改善其电学性能。经超声波处理的碳纳米管具有复合电磁功能，可以作为雷达吸波材料和隐身材料。乙烯合成薄膜的碳纳米管密度高、吸附能力大，对挥发性的有机小分子具有很强的吸附能力。在碳纳米管中引入某些基团，可以提高催化剂的活性，增强催化性能。

4 碳纳米管的应用前景

碳纳米管拥有潜在的优越性能，利用碳纳米管可以制成像纸一样薄的扬声器，还可以充分发挥其强度和硬度上的优势，做成网球球拍，微型纳米收音机、纳米齿轮、纳米马达在不久的将来也有望走进人们的生活。此外，碳纳米管还可以应用于微型芯片、超声波粉碎机等。目前，碳纳米管的研究目标就是实现碳管的高度集成化、小型化，提高其与复合材料的相容性，这必将引起一场科技革命的新突破。

5 结语

碳纳米管由于其优异的力学性能和光电特性，在汽车、轮船、传感器、电容器和显示仪等机械电子领域具有广泛的应用，是最具有开发价值的纳米材料之一，在微型机器方面也有极大的潜在应用价值，随着应用的不断完善，在节能机械装置方面也将具有巨大的市场。

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作者简介：周璐（1991—），女，湖北武汉人，武汉大学本科学生，研究方向：机械设计制造及其自动化。