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碳纳米管的力学性能及碳纳米管复合材料研究
维普资讯
第32卷 第4期 力 学 进 展 V0l1.32 No.4
2002年 l1月 25日 ADVANCES IN M ECHANICS Nov.25, 2002
碳纳米管的力学性能及碳纳米管复合材料研究
辜 萍 王 宇 李广海
中国科技大学力学与机械工程系,合肥 230027
中国科学院固体物理研究所,合肥 230031
摘 要 对碳纳米管力学行为和碳纳米管复合材料的研究文献进行 了综述.首先介绍了碳纳米管结
构稳定性和力学性能的研究进展,包括理论模拟和实验 的研究结果.结果表明,碳纳米管有着优异
的力学性能,其在复合材料应用方面有着巨大的潜力.然后,系统地总结了碳纳米管在增强高分子材
料、金属材料和陶瓷材料方面的应用,指出外场力传递效应是值得关注的课题.最后,对该领域工作
做 了一些讨论和展望.
关键词 碳纳米管,结构稳定性,力学性能,复合材料
1 引 言
自从 1991年 日本的I~ima[]发现碳纳米管 以来,碳纳米管作为一种新型准一维功能材料 日
益受到人们的关注,人们对碳纳米管的电学、力学 以及制备技术等进行了大量的研究,取得 了
一 定 的成果.
碳纳米管是 由单层或多层石墨片卷 曲而成的无缝纳米管状壳层结构,相邻层间距与石墨的
层间间距相当,约为 0.34nm.碳纳米管的直径为零点几纳米至几十纳米,长度一般为几十纳米
至微米级,也有超长碳纳米管,长度达 2mm[2].根据构成管壁碳原子的层数不同,可将其分为
单壁碳纳米管和多壁碳纳米管,又可根据其螺旋角分为螺旋和非螺旋两种 引【,其物理化学性质
与结构有关.
碳纳米管 由碳 一碳共价键结合而成,同时又具有管径小、长径 比大的特点,使碳纳米管具
有优 良的电学和力学性能,其杨 氏模量和剪切模量与金刚石相 同,理论强度可达 100MPa,是
钢的 100倍,并且具有很高的韧性,而密度仅为钢的 1/7,耐强酸、强碱,在空气中 700。C 以
下基本不氧化,有望成为复合材料增强体.随着碳纳米管制备技术的 日趋完善,究竟这种管状
结构在 自然界是 以一个什么样 的稳定形态存在,同时在某些场合如高温、高压下,其存在 的形
式又是怎样的,研究这些 问题对于进一步探讨碳纳米管的力学性能及其应用都是很有帮助的.
因此近年来,有关碳纳米管的结构稳定性、力学性能及其复合材料的研究已成为碳纳米管应用
研究的热点之一.
2 碳纳米管的结构稳定性研究
从碳纳米管发现至今,人们所关心的焦点之一是碳纳米管的直径究竟能小到什么程度,最
收稿 日期 :2001—12—18,修 回日期 :2002一lo-9
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终的极限是由什么决定的?这些亚碳纳米管可能有什么用途?由于碳纳米管相对于石墨其悬挂
键数 目减少,系统的总的能量也相应降低;另一方面,石墨片卷起形成碳纳米管必将改变石墨
片上 C—C网格的完美几何拓扑,从而引起了应变能,应变能的大小随碳纳米管的直径减小呈指
数增加,最终要超 出由于减小孤立石墨片边缘上的悬挂键所带来的能量降低,相应碳纳米管的
能量因而要高出石墨片的能量.基于上述原因, Sawada和Hamada【j在 1992年碳纳米管发现
不久就预言最小的碳纳米管直径约为 0.4nm.而从实验上, Ajayan和 Iijima[j于 1992年首先
发现最小的单壁碳纳米管的直径约为 0.7nm.2000年,Sun和 Xie等 0【j在他们所制备的多壁碳
纳米管的最核心处,发现了一个可能与 C6o相关的直径为 0.5nm 的碳纳米管. 2000年 10月,
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