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碳纳米管/石墨烯:纳米材料技术的领头羊

2015-06-10 10:32
孤身万里游
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  纳米技术是通过对纳米尺度物质的操控来实现材料、器件和系统的创造和利用,例如,在原子、分子和超分子水平上的操控纳米技术的发展正越来越成为世界各国科技界所关注的焦点,谁能在这一领域取得领先,谁就能占据21世纪科学的制高点。纳米碳材料是指尺度至少有一维小于100纳米的碳材料。纳米碳材料主要包括四种类型:纳米碳球、碳纳米管、石墨烯和碳炔,其中碳纳米管和石墨烯由于其优异的性能,是近年来的研究热点。

  碳纳米管的弹性模量与金刚石的基本相同,为已知的最高材料模量,约为钢的5 倍;其弹性应变最高可达12%,约为钢的60倍而密度仅为钢的几分之一。碳纳米管的强度大约比其他纤维的强度高200倍,可以经受约100 万个大气压的压力而不破裂。碳纳米管表现出良好的导电性,在一定方向,导电率可达铜的一万倍; 碳纳米管的热传导系数高于天然金刚石和石墨原子基面。

  石墨烯目前是世上最薄也是最坚硬的纳米材料,它几乎完全透明,只吸收2.3%的光;导热系数是金刚石的3倍;常温下电子迁移率是商用硅材料的140倍; 电阻率比铜和银更低,是目前电阻率最小的材料;单层石墨烯的比表面积是最好活性炭的1.75倍;具有超强的刚度和硬度,强度是钢的100多倍。

  目前碳纳米管和石墨烯材料在多个领域开展研究,并逐步走向应用。其中,碳纳米管在航空领域的最新进展有:

  美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员开发出一种均匀的多壁碳纳米管为基础的涂料,可降低常用的泡沫的内饰的易燃性。与未处理的泡沫相比,碳纳米管涂覆聚氨酯泡沫体的燃烧性降低了35%。研究人员将改性的碳纳米管均匀地分布并附着在聚合物层的上表面和下表面。由此产生的涂层,充分利用了碳纳米管的快速散热能力,与常用于软装饰的溴化阻燃剂相比,实现了更大的点火和燃烧阻力。同时当纳米管涂层泡沫暴露在极端高温中,会创建一个“炭保护层”屏障防止熔体池形成。

  美国研制出完全基于碳纳米管的中央处理器。2013年10月,美国斯坦福大学采用与同硅互补金属氧化物半导体(CMOS)完全兼容的工艺研制出首台完全基于碳纳米场效应晶体管的中央处理器原型。该处理器芯片面积为6.5mm2,由178个晶体管组成,每一个晶体管由10~200纳米场的数个碳纳米管组成,尽管该处理器的工作频率仅为1kHz,与主频为108~740kHz的首台商用硅基计算机Intel 4004 存在巨大差距,目前仅能做演示和验证,但两者均采用相同的冯诺伊曼体系结构,都具有可编程能力,可串行执行多种计算任务,并运行基本的操作系统。与传统晶体管相比,碳纳米管体积更小,传导性也更强,并且能够支持快速开关,因此其性能和能耗表现也远远好于传统硅材料。

  麻省理工学院航空航天工程师开发出一种碳纳米管(CNT)薄膜,可以加热并固化复合材料,而不需要热压罐。当连接到一个电源,包裹在一个多层聚合物复合材料中的薄膜就会加热,促使聚合物固化。研究小组在常见的飞机碳纤维材料部件中测试了该薄膜,发现该薄膜可制造出强度与传统热压罐固化的一样的复合材料,但只使用了百分之一的能量。研究人员表示,碳纳米管薄膜很轻,添加重量可以忽略不计,在其熔融进树脂层后,薄膜本身与复合材料形成网格。MIT的技术直接接触需要加热的部分,这种复合材料固化方法更直接,更节能。可代替四层楼高的热压罐,以及数千万美元的基础设施。

  碳纳米管和石墨烯在航空工业中可用作结构材料、电磁屏蔽、透明、防静电、防雷击、耐雨蚀、除冰涂料、电缆材料等。石墨烯材料在航空领域的最新进展有:

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