多壁碳納米管

1985 年英國薩塞克斯大學的波譜學家 Kroto 教授與美國萊斯大學的 Smalley和 Curl 兩教授在合作研究中，發現碳元素可以形成由 60 個或 70 個碳原子構成的高度對稱性籠狀結構的 C60和 C70分子，被稱為巴基球（Buckyballs）。1991 年，日本 NEC 科學家 Iijima 在製取 C60的陰極結疤中首次採用高分辨隧道電子顯微鏡發現一種外徑為 515nm、內徑為 213nm，僅由兩層同軸類石墨圓柱面疊而成的碳納米管。隨後在 1993 年，Iijima和 Bethune研究小組同時報道合成了結構十分簡單的單壁碳納米管，這為理論預測碳納米管的性能提供了實驗上的可能性，進一步拓寬了碳簇材料的範圍，也極大地促進了對碳納米管的理論和實驗研究，使得該領域成為如今全球研究的一個熱點 ^[2]  。

碳納米管的獨特結構決定了它具有許多特殊的物理和化學性質。組成碳納米管的 C=C 共價鍵是自然界最穩定的化學鍵，所以使得碳納米管具有非常優異的力學性能。理論計算表明，碳納米管具有極高的強度和極大的韌性。其理論值估計楊氏模量可達 5TPa，強度約為鋼的 100 倍，而重量密度卻只有鋼的 1/6。Treacy 等首次利用了 TEM 測量了温度從室温到 800 度變化範圍內多壁碳納米管的均方振幅，從而推導出多壁碳納米管的平均楊氏模量約為 1.8Tpa。而 Salvetat 等測量了小直徑的單壁碳納米管的楊氏模量，並導出其剪切模量為 1Tpa。Wong 等用原子力顯微鏡測量多壁碳納米管的彎曲強度平均值為 14.2±10.8GPa，而碳纖維的彎曲強度卻僅有 1GPa。碳納米管無論是強度還是韌性，都遠遠優於任何纖維，被認為是未來的“超級纖維”。

人們預言碳納米管可能成為一種新型的高強度碳纖維材料，既具有碳素材料的固有本性，又具有金屬材料的導電和導熱性，陶瓷材料的耐熱和耐腐蝕性，紡織纖維的可編織性，以及高分子材料的輕質、易加工性。將碳納米管作為複合材料增強體，預計可表現出良好的強度、彈性、抗疲勞性及各向同性，可以預期碳納米管增強複合材料可能帶來複合材料性能的一次飛躍。用納米管製作複合材料的研究首先是在金屬基上進行的，如：Fe/碳納米管、Al/碳納米管、Ni/碳納米管、Cu/碳納米管等。碳納米管複合材料的研究重心已轉到高分子/碳納米管複合材料方面，如在輕質高強度的材料中，使用碳纖維作為增強材料，碳納米管的機械性能及其小的直徑和大的長徑比將會帶來更好的增強效果。