新型碳材料的发展趋势

新型碳材料的发展趋势（通用7篇）

新型碳材料的发展趋势 篇1

ThedevelopmenttrendofSeveralKindsofNewCarbon

Materials 摘要及概述

碳是世界上含量极广的一种元素。碳材料在人类发展史上起着主导性的作用，应用最为出众的一次就是第二次工业革命。有人预言，21世纪是“超碳时代”。金刚石的人工合成、石墨层间化合物的研究、富勒烯（碳笼原子簇）、碳纤维、C60、碳纳米管、碳素系功能材料的发现及研究都取得了令人瞩目的进展。这些以单质碳为基础的无机碳化学给人们展现了无限的想象空间。关键词

碳材料 碳纳米管碳纤维活性炭材料微孔碳金刚石膜富勒烯柔性石墨插层化合物C/C复合材料纳米碳管生物碳材料核石墨 前言

碳元素是自然界中存在的与人类最密切相关、最重要的元素之一,它具有多样的电子轨道特性(sp、sp2、sp3杂化),再加之sp的异向性而导致晶体的各向异性和其排列的各向异性,因此以碳元素为唯一构成元素的碳材料具有各式各样的性质,并且新碳素相和新型碳材料还不断被发现和人工制得。事实上,没有任何元素能像碳这样作为单一元素可形成如此之多的结构与性质完全不同的物质。可以说碳材料几乎包括了地球上所有物质所具有的性质,如最硬-最软;绝缘体-半导体-良导体;绝热-良导热;全吸光-全透光等。随着科学技术的进步,人们发现碳似乎蕴藏着无限的开发可能性。碳的用途也十分广泛,从史前的木炭、近代工业的人造石墨和炭黑、当代的原子炉用高纯石墨和飞机用碳/碳复合材料刹车片、现今的铿离子二次电池材料和核反应堆用第一壁材料等等,不胜枚举。毋容置疑,碳材料在人类发展史上有着并还将有着十分重要的位置。碳材料的发展史大致经历过木炭时代(史前1712),石炭时代(1713~1866),碳制品的摇蓝时代(1867~1895),碳制品的工业化时代(1896~1945),碳制品发展时代(1946~1970)。1960~1990年碳材料迈入了新型碳制品的发展时代,其中1960~1980年主要用有机物碳化方法制备碳材料,以碳纤维、热解石墨的发明为代表;1980年以后则主要以合成的手法制备新型碳材料,以气相合成金刚石薄膜为代表。纳米碳材料的发展时代始于1990年,以富勒烯族、纳米碳管的合成为代表。自1989年著名科学杂志《Sicence》设置每年的“明星分子”以来,碳的两种同素异构体“金刚石”和“C60”相继于1990年和1991年连续两年获此殊荣,1996年诺贝尔化学奖又授予发现C60的三位科学家,这些事实充分反映了碳元素科学的飞速进展。但是由于碳元素和碳材料具有形式和性质的多样性,从而决定了碳和碳材料仍有许多不为人们所知晓的未开发部分,若再考虑与其他元素或化合物等的复合和相互作用,可望获得更大的发展便更无怀疑之余地。我们有必要相信,在未来相当长的一段时间内,碳的新相和碳同素异构体的设计、制造和研究将是物理化学领域中最中心的课题,而与之相应的新型碳材料的研究与开发会具有无穷的生命力。

C60

金刚石石墨烯碳纳米管

国外新型碳材料发展趋势

新材料的研究开发包括四方面的内容:①崭新材料的创制;②已知材料的新功能、新性质的发现;③已知材料的功能、性能的改善;④新材料创制和评价技术的开发困。新型碳材料的研究开发就是很好的一个例证。近年来,在①方面先后划时代地发明了低温气相生长金刚石、C60和纳米碳管;在②方面发现了石墨的插层性质,使锉离子充电电池得以实用化和飞速发展;在③方面提高和改进了石墨电极的性能,使之能在超高电流下工作,使电炉炼钢技术出现新的突破;在④方面也有许多新的进展,如超高温超高压技术用于碳素新相的探索等。美、日等发达国家一直对碳材料的研究十分重视。由于碳材料突出的特性,美国将碳材料定为战略材料之一,充分利用其巨大的国防费用和航天费用,进行积极的研究与开发。欧共体也将新型碳材料的研究作为其新材料计划的重要项目之一。日本最近十多年来在国际上率先在低温气相生长金刚石。为了进一步加强这方面的研究与开发,最近几年日本政府先后实施了三个大型研究项目,即以“碳素系高功能材料技术研究会”为主导的“高功能碳素系材料的研究”项目,重点研究金刚石薄膜等作为电子材料和零磨损、无油润滑材料等;以日本学振会117委员会为主导的“碳材料中功能性微米和纳米空间的创制”项目;以日本研究碳材料的各著名大学的教授组成的项目组为主导的“碳合金(Carbonalloy)的创制”研究项目。三个研究项目的总经费高达20亿日元以上(合人民币约1.5亿元)。加上90年代初已实施的关于富勒烯和纳米碳管的研究项目,其研究内容几乎包括了碳材料研究的各个领域,并在上述新材料的四个方面均有体现。这些事实充分说明了新型碳材料研究是一个热点领域及新型碳材料的重要性。碳纤维及其复合材料、碳/碳复合材料、吸附和表面科学、活性炭材料一直是十分重要的研究方向。需指出的是富勒烯族、电池材料和插层化合物未设专题或专题的论文数较少,是由于它们分别有专门的国际会议或研讨会召开所致,这三个领域的研究也是当今最热点的研究方向。值得指出的是,“吸附和活性炭材料”虽是一个古老的话题,但却是Carbon’95和Carbon’96最受人们关注的专题。主要是由于地球环境污染严重和环境保护意识的加强,活性炭材料将在这一领域扮演十分重要的角色。活性炭和活性碳纤维已在环境保护及其他方面获得了成功应用,带来了巨大经济效益,同时其应用领域还在逐步拓展。炭电极在锉离子二次电池上的成功应用,使碳作为能源材料具有极好的发展前景。由于碳材料的结晶度、宏观和微观结构、表面特性等对电池性能的影响十分复杂,故电极材料的研究和选择最为重要也十分活跃。此外碳材料在大容量双电层电容、燃料电池、核发电等领或也不可或缺,需要深入研究和开发。

国内碳材料研究与发展概况

我国碳材料研究与生产起步于解放初期。在前苏联的援助下,首先建设了以生产炼钢用石墨电极为主的吉林碳素厂和以生产电工用碳制品为主的哈尔滨电碳厂。四十余年来,我国碳素工业从无到有,有了长足的发展。现在已经形成了以吉碳、兰碳、上碳、哈碳、东碳等为主的骨干企业,石墨电极生产能力达30万吨/年,位居世界前列,电碳制品也基本满足了国内经济建设的需要。但是我国碳材料工业和先进国家相比,无论在规模、质量、工艺装备、管理、科研、应用开发等方面都存在很大差距,仅大体上相当于国际上80年代的水平。具体表现在品种少、档次低(如我国石墨电极仍以普通电极和高功率电极为主,而国外己上升为超高功率电极);产品质量不稳定;工艺装备落后;产品更新缓慢等。我国碳材料的科研水平从整体上来说落后于美国、前苏联、日本和欧共体等工业国家,但远远高于韩国、印度、巴西等国。在某些重要领域我国紧随着美、日等发达国家之后,差距并不十分明显,如热解石墨、结构功能型碳/碳复合材料、活性碳纤维、柔性石墨等。我国从事碳材料研究的科研机构主要有中科院金属所、中科院山西煤化所、中科院物理所、湖南大学、清华大学、北京大学、武汉大学、中国科大、西北工大、武汉钢铁学院、北京化工大学、天津大学、哈工大、航天总公司西安非金属材料工艺研究所、北京材料工艺研究所等。力量虽然不弱,但综合实力较差,只有湖南大学、中科院金属所和中科院山西煤化所的碳材料研究具较好的综合实力。主要研究领域涉及当今碳材料研究与开发所有的热点领域,如碳纤维、活性炭材料和微孔碳、金刚石膜、富勒烯族、柔性石墨、插层化合物、C/C复合材料、纳米碳管、生物碳材料、核石墨等。总之,近年来我国新型碳材料的研究、开发和生产有了长足的进展,但研究力量薄弱,研究经费的投入也很有限,与先进国家相比还有很大差距。我国现有两个与碳材料有关的全国性学术性组织—中国电工学会碳~石墨材料专业委员会和中国金属学会碳素材料学会,每年召开全国性学术会议,并定期出版《碳素》、《炭素技术》和《新型碳材料》三种专业学术期刊。

当前国际碳素研究与开发的几个热点领域及进展

碳素系功能材料在周期表中由以碳元素为中心的元素如硼、氮、硅等元素组成的材料,我们可以称之为碳素系材料。科学家们逐渐发现碳素系材料在硬度、光学特性、耐热性、耐辐射特性、耐化学药品特性、电绝缘性、导电性、表面与界面特性等方面比其他材料优异,具有广泛的用途。此外碳素系材料还具有资源丰富、废弃后不污染环境等突出优点,因而受到材料学界的极大重视。例如随着金刚石、SIC等薄膜合成技术的飞速发展,作为电子器件材料正在被用于单晶硅或GaAs半导体不能胜任的应用领域。根据计算机模拟,人们已预测到比金刚石还硬的卜C3N4的存在,并逐渐被实验结果所证实。今后碳素系功能材料的研究与开发方向,主要是发现和应用已知材料所具有的尚未充分利用的功能,以及新物质的创制和新功能的发现与应用。

结构功能型C/C复合材料C/C复合材料是国内外新材料技术中重点研究与开发的一个重要领域,已有近30年的研究开发历史。但随着应用的扩大,对其性能特别是多功能的要求也越来越苛刻。例如为了满足全天候战略导弹烧蚀防热材料和核聚变反应堆面等离子体第一壁材料等的要求,C/C复合材料必须具有结构和功能两方面的多种优异特性。C/C复合材料在70年代初主要考虑防热/结构双功能一体化问题;70年代中期作为战略导弹的防热材料,需要抗粒子云侵蚀,故必须三功能一体化;70年代末到80年代初又需要解决抗核爆和抗激光等问题;90年代作为核聚变炉第一壁材料,要求具有抗热冲击性、抗中子辐射损伤、耐等离子体侵蚀、高热传导率等结构功能多体化优异性能。事实上通过各种改进,C/C复合材料可具有防热、耐烧蚀、抗粒子云侵蚀、抗核爆、抗射线辐射、抗等离子体侵蚀等多种功能。改进C/C复合材料的多功能性能主要采用选择碳纤维和基质的种类、加入其他组分等方法。总之,结构功能型C/C复合材料的研究与开发将随着应用领域的扩大和条件的苛刻而不断深入。碳合金(CarbonAlloy)材料1992年日本碳素有关的学者在日本碳素材料学会中成立了“碳合金研究会”,经过他们的研究与讨论,1994年将碳合金定义为:所谓碳合金就是以碳原子的集合体为主体的、由多成分组成的、在构成单元之间存在物理和化学相互作用的材料。并且具有不同杂化轨道的碳被认为是不同的成分单元。也就是说,根据碳元素具有多种杂化轨道和晶体结构特征,把不同杂化轨道或结构特征的碳进行适当组合,或在以碳为主的集合体中导入其他异类元素而形成的材料称之为碳合金。碳合金大致可分为两大类别:一类为碳元素不同轨道与结构之间合金化而得的材料,如轨道杂化型碳合金和空间、结构控制型碳合金;另一类为异类原子合金化而得的材料,如异类原子置换型碳合金和异类原子插入型碳合金等。碳合金这一新概念的提出主要是为了更充分体现和利用碳元素结构和性能的多样性,系统地实现碳材料的功能扩张和新功能的发现以及新型碳材料的创制,并有别于诸如复合材料、组合材料等传统方式,而使碳材料的研究进入一个全新的、系统的境界。如图1所示,人们可从各个层次探索和创制新型碳材料—碳合金。结束语

新型碳材料的发展趋势 篇2

西方发达国家在上世纪90年代就逐步完成了这样一个转变过程, 现在在发达国家, 墙板的利用率已经普遍达到70%左右的水平。板材的装配采用干作业, 相对砖和砌块来讲, 施工效率可以成倍增加。据统计, 如果是砌砖, 每个工人每天大概可以完成3㎡左右的墙体, 砌块大概可以完成5-6㎡的墙体, 而用板则可以完成20-30㎡的墙体施工量。随着现代建筑的发展, 对墙体材料功能的要求和装配工艺的要求越来越高, 小砖和小块还是属于最原始的墙体材料和装配方式, 只有大力向板材方面发展, 由湿作业向干作业的方向发展, 才能大大提高建筑的施工效率, 减轻建筑自重, 实现灵活隔断的要求。

二、向节能型墙材和自保温墙材发展

1.随着经济的发展, 全球资源日益减少, 能源已经越来越紧张。

我国目前的能源消耗已居世界第二位, 建筑能耗在我国能源消耗总量中所占比例已达27% (约为3.5亿吨标煤) , 单位建筑面积能耗为发达国家3倍多, 据预测到2020年我国建筑能耗将达到10.9亿吨标煤, 同时使得城市空气污染指数达到世界卫生组织所公布最高标准的2-5倍。全国迄今为止城镇既有建筑接近200亿㎡, 已累计建成节能建筑面积只有10.5亿㎡, 仅占5%左右。所以大力发展节能型住宅, 不仅能节约能源与保护环境, 也是实现国家节能减排总目标的重要手段, 还能给住户带来许多切实的好处。

国家规定在2010年以前全国省会以上城市新建建筑必须达到节能50%的要求, 严寒地区城市要求达到65%节能要求。

按照新近颁布的《建筑节能工程施工质量验收规范》的相关规定, 自2008年10月1日起, 建筑工程节能不符合规范不能通过验收。

从现有的墙材来看, 在保温节能的效果上都不理想, 水泥、矿渣、建筑垃圾等材料的传热系数大, 作为墙体材料后需要做保温, 但无论是做内保温还是外保温, 都存在诸多的问题, 难以达到相应的保温要求。

墙体的自保温是近几年才开始重视的一个研究课题。在我们国家以前一直是采用外墙内、外保温两种方式, 但这两种方式都有优、缺点, 下面我们来详细阐述一下:

2.外墙内保温

外墙内保温多数情况下是外墙的内侧使用苯板、保温砂浆等保温材料, 从而使建筑达到保温节能目的的施工方法。该施工方法具有施工方便, 对建筑外墙垂直度要求不高, 施工进度快等优点, 但同时也存在着一些缺陷。

①难以避免热 (冷) 桥, 使保温性能有所降低, 在热桥部位的外墙内表面容易产生结露、潮湿甚至霉变现象。

②保温层做在室内, 不仅占用室内空间, 使用面积减少, 而且用户二次装修或增设吊挂设施都会对保温层造成破坏, 不易修复。

③内保温使外墙两侧处于不同的环境温度之下, 外墙变形的速度高于内保温隔热体系, 在这种形变应力反复作用下首先是外墙易遭受破坏, 同时也使保温层及墙体出现裂缝成为普遍现象。

因此, 内保温首先是保温效果不理想, 其次是保温结构容易破坏, 对住户产生不方便, 所以, 目前使用得并不是很广泛。在南方地区对节能的要求稍微低些, 用的相对较多。

3.外墙外保温

外墙外保温是目前应用比较普遍的一种建筑物绝热方法。与外墙内保温相比, 外墙外保温既可完全消除墙体中的热桥, 达到比较满意的绝热效果, 不减少室内居住面积, 同时消除了冷凝现象, 提高了居住舒适度, 还有可以在新建建筑和改造建筑中都可以使用, 适用范围广, 但外墙外保温的施工难度比外墙内保温大。

在我国多年的建筑节能实践过程中, 在学习和引进国外先进技术的基础上, 目前已形成了多种材料、不同做法的外墙外保温系统和施工工艺, 如夹芯保温体系、外抹保温砂浆做法、外挂单面钢丝网聚苯板体系、外粘贴聚苯板薄抹灰体系等。而近几年来发展最为迅猛的当数聚苯板薄抹灰外墙外保温体系。该体系由导热系数低聚苯乙烯泡沫板和增强用玻璃纤维网格布, 以及粘贴和抹面用聚合物胶浆组成, 该做法包括材料费、人工费在内。造价一般为60-80元/m2。

外保温方面目前主要存在几个方面的问题。一是质量控制问题。严格按照规范操作, 外保温至少要经过粘结砂浆、保温层、铺设固定钢丝网或纤维网格布、防裂砂浆、外饰层等多道工序, 各道工序的施工工艺和质量要求都要达到验收标准。很多建筑开发商为了降低成本, 从材料的使用质量、施工工序上面都打了折扣, 致使外保温的质量存在很多的安全隐患, 全国很多地方都发生过外墙外保温层开裂、或者保温板粘贴不牢固而大面积剥落的现象。北方大连2006年1月1日起实行新建建筑节能65%的目标, 巨大的市场份额迅速激活了建筑保温市场。由于竞争的激烈, 造成外墙保温最低需要65元成本很多企业40元就敢干的现象, 质量肯定无法保证, 致使该市多次发生外墙保温层脱落现象。2007年6月7日, 在银川江南水乡小区, 一栋4层住宅楼的外墙全部脱落;2008年在长沙碧桂园小区的所有别墅外墙保温层被拆除重新施工。每年全国各地发生的因外墙保温质量事故在新闻媒体上经常可以看到。即使施工质量较好, 由于目前保温技术和材料上存在的不足, 使用寿命也只有15-20年, 与建筑50年的寿命相比, 势必要进行局部或全部返修, 造成二次保温, 给居民带来诸多不便, 又增加了投资。

另外是材料的防火问题, 2009年2月9日晚8时, 央视新址附属文化中心工地发生特大火灾事故。造成央视新址配楼大火的“凶手”从表面看是因燃放烟花不当而酿成。但从调查结果显示, 不耐燃烧的新型节能保温材料才是真正原因。目前在我国建筑外墙保温所用材料主要为聚苯乙烯、聚氨酯等有机材料, 上述有机材料具有耐热差、耐老化性能差和燃烧时释放大量热量, 产生大量有毒烟气, 能够加速大火蔓延的诸多缺点。

正是由于外保温存在上述的问题, 所以我们国家目前正在探讨并推行外墙自保温体系。很多企业都在这个方面下功夫, 直到目前基本都是保温空心砖和砌块为主, 不同的只是材质, 形式和结构没什么大的区别, 虽然保温性能可以基本达到要求, 但是仍然采用的是湿作业, 劳动强度大, 墙体安装效率低。都没有从墙的体系上去解决问题。长沙归一建材研发的高强耐水自保温砌块, 它利用不煅烧石膏制造, 生产工艺简单, 设备投入小, 产品热传导系数每平方米单位温差0.45瓦以下, 相当于传统1.5米厚的红砖墙保温效果。建筑主体无需再做内外保温体系, 并大幅降低僵住成本, 减少施工环节, 可广泛应用于及其严寒地区, 如俄罗斯、我国东北等区域一步达到国家推行的65%的节能标准。本产品经过权威机构的检测, 将于2010年10月在长沙市场率先投产。

现在国家对于节能建筑的推广是不遗余力的, 为加强这一工作, 各地“墙改办”都改成了“墙改节能办”, 可见墙改和节能已经摆在同等重要的位置了。因此, 各种节能型的墙材特别是具有自保温特性的墙材可以得到更大的发展。

三、由普通墙材向生态环保型墙材发展

随着人们生活水平的提高, 对于住宅舒适度的要求也越来越高, 普通墙材产品主要以水泥、粉煤灰、矿渣、建筑垃圾等为材料, 这些材料含有较多的放射性杂质, 对人体健康不利, 同时由于这些材料的热收缩性大, 导热性强, 住在里面的舒适性比较差。

而我们现在提倡的石膏墙材, 他也属于工业副产物, 但由于石膏属于暖性材料, 分子结构比较稳定, 热收缩值小, 对外界稳定变化的适应能力强。同时因为其分子结构中含有2个分子的结晶水, 在房间温度较高, 湿度较小时可以释放部分水分, 而当房间的湿度较大时, 它又可以吸收部分水分, 所以它可以自主调节房间的湿度, 我们称作具有“呼吸功能”, 这一点已经得到行业的公认。因此, 如果住在石膏材质的房间里面, 对人体的健康极为有利, 舒适度好, 属于环保生态材料, 目前, 我国正在大力提倡使用石膏生态墙材。

新型碳材料的发展趋势 篇3

【关键词】中学理科教师 纳米教育 碳纳米材料 生物传感器

随着纳米技术的不断发展，纳米材料在各个领域的不断应用，纳米与我们生活的联系越来越紧密。在我国，“纳米”一词早已走进了中学课本，学生对这部分知识很感兴趣。然而，纳米科学是一个新的领域，大多数中学理科教师大学毕业年代较早，以前读书时学到的纳米材料与技术的知识相对较少，导致学生询问时出现窘境的情况时有发生。

我国《国家纳米科技发展纲要（2001-2010）》明确指出，要加强纳米科技人才培养，重视培养高质量人才，要从学校教育抓起。在一次面向深圳市三区六校高三理科生的调查中，针对“高中阶段，你上过几次有关纳米材料与纳米技术的理论课”这一问题，共发放问卷220份，收回有效问卷206份，回收率93.6%。调查结果如图1所示，只有近四分之一的同学上课次数在10次以上，几乎一半的同学上课次数不足5次。由此可见，中学教师向学生介绍纳米材料的次数是非常少的，远远不能满足社会发展对纳米教育的需求。因此，中学理科教师必须紧跟时代步伐，更新与纳米材料相关的知识，并将其融入到自己的教学实践中，激发学生的兴趣并培养他们的科学素养，使我们的教学始终保持旺盛的活力和足够的吸引力，在中学阶段就为高素质创新型人才的培养打下坚实的基础。

一、纳米印象

纳米是一个长度单位，1 nm=10-9 m。1nm大约为4到5个原子排列起来的长度，或者说1nm相当于头发丝直径的十万分之一。纳米材料是纳米级结构材料的简称。狭义的纳米材料是指纳米颗粒构成的固体材料，其中纳米颗粒的尺寸范围为1～100nm。在自然界中，我们能找到纳米尺寸的例子。人类工程学家发现，一个DNA分子的宽度约2.5纳米，长度最长可达1米，最小的病毒分子长度约25纳米；典型的蛋白质分子长约10纳米。我们的手指甲一秒钟大约长长一纳米。每年市场上新出现的纳米产品的数量以接近指数的速度在增长，有研究指出，2005年在美国市场上只有54种纳米产品，而到了2011年，就有1317种纳米产品可供消费者选择。纳米科技正以前所未有的速度快速进入人们的日常生活之中。

二、新型碳纳米材料

近三十年来，新型碳纳米材料已成为国际科学发展的前沿领域之一。在碳的几种同素异形体（金刚石、石墨、无定型碳、富勒烯和石墨烯）中，人们关注最多的是足球烯、碳纳米管和石墨烯。这三种碳的同素异形体因其在力学、电学等方面的优异性能而被人们寄予厚望。

1.足球烯

英国波谱学家克罗托、美国的科尔教授和研究原子簇化学的斯莫利教授在1985年发现了C60。C60是富勒烯的典型代表，是具有32个面的球状结构，由12个五边形和20个六边形组成，五边形互不连接，而是与五个六边形相接，每个六边形又与3个六边形和3个五边形间隔相接，碳原子位于顶角上。60个碳原子分布在60个全等顶点处，形成一个中空的笼子，外观酷似英式足球，所以又称足球烯。

2.碳纳米管

1991年日本的一个研究小组用理论计算的方法，预测了无限拉伸的管状结构物质的电子结构。同年，日本NFC公司电镜专家饭岛澄男博士发现了管状结构的碳原子簇，称为碳纳米管。从此，碳纳米管正式走向科研和应用的舞台，并因其奇特的性质吸引了大批的基础研究工作者进行研究。

3.石墨烯

石墨烯结构非常稳定，它是目前世界上最薄、最坚硬的纳米材料。石墨烯因为很薄，所以几乎是完全透明的。石墨烯特殊的电子结构、特异的电子性能和极好的电子运输能力，使其在高灵敏度检测领域具有独特的优势。

三、新型碳纳米材料在电化学生物传感器方面的应用

生物传感器（Biosensor），是近30年发展起来的一项新型的分析测量技术，对被分析物质具有特定的识别作用，并且能够将被分析物质的浓度转化为信号进行检测的装置。它是由具有分子识别能力的生物活性物质（如：酶、微生物、动植物组织切片、抗原或抗体、DNA等）与物理或化学换能器相结合而构成，是生物医学与电子学、工程学相互渗透结合的一种新型信息技术。

碳纳米材料由于其高的比表面积、较好的生物相容性和高表面反应活性，导致其吸附能力增强、表面活性位点增加、催化效率提高。足球烯、碳纳米管和石墨烯等被越来越多的科技工作者用来制作电化学生物传感器。碳纳米管的发现，在很大程度上丰富了碳材料的研究内容，引发了跨世纪的材料革命。

四、总结与展望

新型碳纳米材料是纳米材料的重要组成部分，蕴含着理论上的勃勃生机及实践上的无限潜力。通过对这部分内容的学习，希望对广大中学理科教师的职业发展起到一定的推动作用。提高公民的纳米科技素养，培养合格的纳米科技工作者，向全体公民普及纳米科普知识，使科技元素与我们的日常生活紧密融合，已成为广大教师义不容辞的责任。

新型碳材料的发展趋势 篇4

利用中间相沥青纤维的自粘结性和沥青大分子沿纤维轴高度择优取向的特点,通过热压方法制备高导热块体碳材料.在纺丝和氧化条件不变的情况下,主要考察了中间相沥青的熔融纺丝温度对纤维性能和目标材料性能的影响.结果显示:(1)熔融纺丝温度越高,中间相沥青纤维的直径越大;(2)在合适的.纺丝温度下所得的纤维经氧化后热压制得材料具有较高的弯曲强度、密度、热导率以及较低的电阻率.选取纺丝温度为308℃,所纺中间相纤维直径为20μm,氧化后经热压所得材料的密度、弯曲强度、热导率和电阻率分别为2.02g/cm3、128.7 MPa、597W/(m・K)和1.25μΩ・m.

作 者：马兆昆 史景利 刘朗 郭全贵 翟更太 Ma Zhaokun Shi Jingli Liu Lang Guo Quangui Zhai Gengtai 作者单位：马兆昆,Ma Zhaokun(中国科学院山西煤炭化学研究所炭材料重点实验室,太原,030001;中国科学院研究生院,北京,100049)

史景利,刘朗,郭全贵,翟更太,Shi Jingli,Liu Lang,Guo Quangui,Zhai Gengtai(中国科学院山西煤炭化学研究所炭材料重点实验室,太原,030001)

新型碳材料的发展趋势 篇5

低碳经济是一种以低能耗、低污染、低排放和高效能、高效率、高效益为主要特点的发展模式，是以低碳产业、低碳技术、低碳能源、低碳消费为主要表征的经济形态。低碳经济作为一种经济形态，其动力是低碳技术，其核心是低碳能源，其基础是低碳产业，其关键是低碳消费。以低能耗、低污染、低排放和高效能、高效率、高效益为主要特点的低碳经济，与科技含量高、经济效益好、资源消耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥的新型工业化道路是密切相通、高度关联的。

一、推进新型工业化是发展低碳经济的基本路径

资源匮乏、环境污染、生态恶化的传统工业化危机，归根结底是由于传统工业化的高碳经济模式造成的，要克服传统工业化危机，必须建立起低碳产业、低碳技术、低碳能源、低碳消费和谐统一的低碳经济模式。只有加速推进新型工业化，才能实现彻底的低碳经济。

（一）推进新型工业化是构筑低碳产业的根本保障

低碳经济作为一种经济形态，其基础就是低碳产业。所谓低碳产业是指碳排放水平和能源消耗水平低，竞争力较强，市场容量较大的产业，包括先进制造业、节能环保业、节能建筑、新能源产业、服务业等。低碳产业与低碳经济密不可分，低碳产业的发展规模的大小和质量的高低决定低碳经济的发展水平，低碳产业是发展低碳经济的基础。根据新型工业化道路的基本要求，未来产业发展要形成以高新技术产业为先导、基础产业和制造业为支撑、服务业全面发展的产业格局。因此，只有加速推进新型工业化，形成现代产业体系，才能最终实现产业的低碳或无碳化。

（二）推进新型工业化是开发低碳技术的根本举措

低碳技术是低碳经济的重要支撑和强大动力，是提升国家持续竞争力和软实力的重要标志，是解决日益严重的生态环境和资源能源问题的根本出路。低碳技术涉及电力、交通、建筑、、化工、石化等传统部门节能减排技术改造，也涉及可再生能源及新能源、煤的清洁高效利用、油气资源和煤层气的勘探开发、二氧化碳捕捉与封存等众多新领域技术研发，几乎涵盖了现代国民经济发展的所有产业。这些低碳技术的一旦物化和作用于低碳经济的生产过程就变为直接生产力，成为低碳经济发展的强大推动力。新型工业化是坚持以技术创新为动力源泉的工业化道路，只有坚持走新型工业化道路，以企业为主体，强化低碳技术的自主创新，才能为低碳经济的发展提供强大动力。

（三）推进新型工业化是发展低碳能源的根本要求

低碳经济的实质就是用低能耗、低排放和低污染来保证国民经济和社会的可持续发展。低碳能源是指高效能、低能耗、低排放、低污染的能源，包括可再生能源、核能和清洁煤。发展低碳经济就是要改变现有的能源结构，使现有的“高碳”能源结构逐渐向“低碳”能源结构转变。这就要求我们坚定不移地走新型工业化道路，大力推广使用现有技术可控的低碳能源，同时积极开发高效、经济、实用的低碳能源新技术，并将其转化成现实生产力。

（四）推进新型工业化是践行低碳消费的根本出路

从改变高能耗、高消费的生活方式开始，倡导低碳消费，已成为各国发展低碳经济的一个重要内容。低碳消费是指在生活消费领域中，人们购买和消费符合低碳标准的产品或服务，以最大限度地降低

能耗、降低污染、减少浪费的一种节约型消费模式，是一种文明、科学、健康的消费生活方式。只有坚持走以人为本、全面协调可持续的新型工业化道路，才能实现低碳消费，使人类过上一种低能耗、更智能化、更健康的新生活。沿着这个思路走下去，现有的经济系统将迎来革命性的变革，从GDP最大化向追求幸福指数最大化的生活经济化化转变。

二、新型工业化进程中低碳经济发展现状分析

近年来，我国新型工业化推进成效明显，工业和经济的增速继续提升，包括工业在内的产业结构趋于协调和优化，经济效益明显提高。但同时也必须清醒认识到，深入推进新型工业化道路，任务将十分艰巨，新型工业化进程中低碳经济的发展仍面临着严重的挑战。

（一）新型工业化进程中发展低碳经济冶金的制约因素

能源利用率低，经济效益差。我国的能源利用效率低下，与先进发达国家比差距甚大。我国的能源利用效率大约为35%，比发达国家效率大约低10个百分点。我国煤的产出率只相当于美国的28.6%，欧盟的16.8%，日本的10.5%。因此，我国经济增长代价很大，50年来我国GDP大约增长10倍，而矿产资源消耗增长40多倍，高消耗换来经济高增长，能源利用效率低下。

能源结构不合理。中国是一个以煤炭、石油和天然气等化石燃料为主体的国家，在已探明的能源储量中，煤炭占94%、石油占5.4%、天然气占0.6%。在一次性能源消费结构中，煤炭比重占2/3，煤炭也是污染最严重的一种能源，有人估计，中国在燃料中所排放的CO2总量中，煤炭排放的CO2占70%，此外，90%的SO2、67%的NO2、50%以上悬浮颗粒来自煤炭。目前，我国碳基燃料共排放CO2达到54.3亿吨，仅次于美国，居世界第二位，同时，单位产品所产生的CO2也相当高。所以，中国是一个典型的高碳经济国家。

碳排放量快速增长。CO2是温室气体中最主要气体。中国CO2气体排放量快速增长，对地球气候变化关系重大，已引起世界人们的关注，特别是美国的关注。据不完全统计，从1990年到2003年的14年间，中国的能源消耗增长占世界的25%，而温室气体排放量增长占世界的比重为34%。预计到2015年，中国CO2排放量将占世界CO2排放量的20%，将超过美国CO2排放，中国将会成为排名世界第一的温室气体排放大国。

经济发展与减排目标矛盾突出。能源是经济增长的引擎，中国经济的高速增长使能源需求始终保持强劲增长，所以中国既处于高能耗阶段，也处于高碳经济时期。为了保证经济平稳发展，民生得到改善，中国能耗还会增长，甚至相当长的一段时期能源消耗还会有较大幅度的增长。能源、汽车、钢铁、交通、化工、建材等六大高耗能产业的加速发展，使得中国的高碳经济状态仍然突显。由于未来一个很长的时期，中国仍将处于国际产业链的低端，重工业快速发展、工业化和城镇化同时并进，能源消耗必然还会快速增长。现阶段既要保增长、保民生、保稳定，实现经济稳定增长，又要实现节能减排降低能耗目标，这是一个非常有挑战性的任务。

低碳技术涉及面广、难度大。低碳技术是发展低碳经济的关键，但低碳技术涉及面广，关系到整个国民经济各个部门和领域，涉及整个社会再生产过程，一些技术瓶颈严重制约低碳经济发展。比如交通部门，交通运输部门虽然制定了汽车尾气排放标准，限制汽车CO2的排放，但是缺少新能源动力的配合，虽然用生物质能源代替化石燃料能降低排CO2放量，但仍存在许多复杂的社会、技术问题。虽然太阳能、氢能潜力很大，但是现在利用率仍然很低，许多技术尚处于进一步研究阶段。

﹙二﹚新型工业化进程中发展低碳经济的潜在优势

尽管在新型工业化进程中发展低碳经济面临着种种挑战，但也存在着潜在的一些优势。

节能减排潜力大。由于产业结构、消费结构处在高耗能阶段，加上节能技术水平较低，能源管理漏洞较多，使得我国能耗强度和能源效率明显偏低。有关研究表明，我国电力、钢铁、有色、石化、建材、化工、轻工、纺织8个行业主要产品单位能耗平均比国际先进水平高40%，机动车油耗水平比欧洲高25%，比日本高20%，单位建筑面积采暖能耗相当于气候条件相近的发达国家的2-3倍。因此，通过结构调整、技术创新和改进管理等途径，实现节能减排的余地较大。

节能减排成本低。从国际上看，框架公约规定每吨成本超过30美元，中国的成本大体在15美元。加上能源需求增长、符合减排条件的项目多、规模经济效应明显等特点，都有利于开展国际碳排放交易，从而吸引国际资金进入减排项目，优化我国利用外资的结构。

三、新型工业化进程中发展低碳经济的对策建议

（一）制定低碳经济发展战略

大力发展低碳经济已成为金融危机之后世界各国一致认可的下一轮经济增长的主要动力，因此，要想在全球低碳经济发展浪潮中抢占先机，掌握发展主动权，掌握核心竞争力，就必须制定国家低碳经济发展战略的近、中、长期的规划，形成一个发展低碳经济的蓝图,把产业结构调整、区域布局、技术进步和基础设施建设等方面纳入战略规划之中，分步实施，为向低碳经济转型创造条件。同时应制定有关低碳经济的统计和考核指标，并作为经济社会发展规划中的引导指标，以推动经济发展方式的根本性转变。

（二）推进低碳制度创新

推动低碳经济发展的重要驱动因素是政府制度的创新和制定，这是解决中国低碳创新问题的根本措施。

加快能源立法工作，建立健全能源法律体系，促进能源发展战略的实施，确立能源中长期规划的法律地位。加快制定和修改有利于减缓温室气体排放的能源法等相关法规，进一步强化清洁、低碳能源开发和利用的鼓励政策；制定与可再生能源法相关配套法规和政策，通过经济、法律等途径引导和激励国内外各类经济主体参与开发利用可再生能源，发展循环经济。

研究制定完善碳排放贸易制度，促进碳贸易发展；创新碳金融制度特别是碳信用制度，创造条件建立碳基金，为碳金融市场发展创造条件。

加快完善相关财税政策。出台鼓励企业进行低碳创新、节能减排、可再生能源使用的政策，通过减免税收、财政补贴、政府采购、绿色信贷等措施，引导企业开发先进的低碳技术，研究和实施低碳生产模式。

（三）优化低碳产业布局

大力发展碳汇林业和农业，充分发挥碳汇潜力。我国有丰富的森林、农作物、草原等绿色植物资源，发展碳汇林业和农业潜力较大。要加强和改进林业生态建设和管理，扩大造林面积，提高单位面积森林蓄积量，积极发展生态农业，增加农田土壤碳贮存，减少农业碳排放。

大力推动工业低碳化。加快经济结构调整，加大淘汰污染工艺、设备和企业的力度，降低工业能耗强度和碳排放强度，推动工业特别是制造业的低碳化；大力发展节能环保、新材料等具有降碳功能的战略性新兴产业，推动工业向低碳经济转型。

大力发展低碳服务业。大力发展金融服务、信息服务、商业服务、中间服务、环境服务和文化创意等服务业，以充分发掘服务业领域节能减排的巨大潜力。

（四）加强低碳技术创新

选择具有前瞻性、战略性的共性技术，并加大对它研究与开发的投入。同时也要积极发挥企业在自主创新的主体地位，通过市场机制引导企业主动地研究、开发低碳技术与产品。国家还应鼓励科研机构与大专院校及企业进行技术创新，形成核心专长互补的技术联盟，提高整体创新能力，以适应低碳经济的发展要求。

（五）开发利用低碳能源

必须加强研究开发新能源，建立新能源的产业体系。研究建立生物质能源，特别是建立第二代生物质能源，利用较成熟的沼气技术，发展农村沼气产业；重点研制开发、建立、扩大风能、水电能源产业，充分利用我国丰富的风力资源、水资源，提高风电、水电在电能中的比重；在加强核电发展的基础上，研究和开发另一种核能——聚变能；进一步研制开发太阳能、潮汐能、地热等能源。

（六）倡导低碳消费生活

要大力倡导低碳生活理念，树立低碳消费观，减少“便利消费”、淡化“面子消费”、戒除“奢侈消费”，逐步形成低碳消费习惯；要强化政府低碳消费的示范作用，政府机构要从自身做起，带头示范，身体力行，切实使政府的低碳消费宣传真正信服于民众；要广泛宣传与发展低碳消费文化，把低碳消费教育引向深入，为低碳消费观念的开花结果提供肥沃的思想土壤，努力形成低碳消费的社会风尚，营造政府推动、市场引导、全民参与的浓厚的社会氛围。◆

参考文献：

新型碳材料的发展趋势 篇6

趋势

随着农业科技的逐渐发展，中国是世界农用化肥最大的消耗国，据统计：中国以占世界9%的耕地用去了世界1/3的化肥，单位面积用量是世界平均水平的3.7倍，环境与生态压力很大。庆幸的是，新型肥料正慢慢成为肥料行业发展的趋势，在国内迎来全面发展的最佳机遇期。

新型化肥的作用有哪些？新型肥料有别于传统的、常规的肥料。能够直接或间接地为作物提供必需的营养成分;调节土壤酸碱度、改良土壤结构、改善土壤理化性质、生物化学性质;调节或改善作物的生长机制;改善肥料品质和性质或能提高肥料的利用。由于新型肥料的优点，使其慢慢受到农业从业人员的喜爱和欢迎，在我国发展前景广阔。

目前，我国新型化肥正处于发展阶段，仍有很大上升空间。据前瞻产业研究院发布的《2013-2017年中国化肥行业市场需求预测与投资战略规划分析报告》数据显示，目前全国从事各类新型肥料生产的企业已超过2000家，占全国肥料生产企业总数1/4。新型肥料产业资产规模约为500亿元，新型肥料产业的总产出每年约为164亿元。随着新型化肥的逐渐升温，越来越多的企业将进入行业，分享巨大的市场蛋糕。

新型碳材料的发展趋势 篇7

材料领域的研究表明, 在水泥基中加入适量的碳材料不但能使其获得优异的力学性能和抗裂能力, 同时还能带给水泥基材料良好的压阻性能[1,2,3,4,5,6]。拥有这些特性, 有望能提高混凝土结构的安全性和可靠度, 并实现建筑结构的智能监控。

碳纳米管拥有特殊的内部结构、优异的力学性能、良好的导电性、机敏性和吸波性等, 且它的各项性能均优于其他碳材料。将碳纳米管分散在水泥基中不但能赋予水泥基复合材料优异的力学性能, 还能使其获得良好的压阻性能、导热性能等, 将其应用于高强智能监测水泥基中, 能使混凝土结构的可靠度得到很大程度的提升。

自2005年汕头大学课题组率先利用碳纳米管增强水泥基材料并在《Carbon》发表论文以来[7], 碳纳米管水泥基复合材料以其优异的物理力学性能引起国内外学者的广泛关注, 并发展成为国际研究热点。近年来, 国内外学者A.Chaipanich[8,9]、S.Wansom[10]、徐世烺[11]、王保民[12]、韩宝国[13]、罗建林[14,15,16]、段宗东[17]、李庚英等[18,19,20]对碳纳米管增强水泥基材料的物理力学性能及压阻效应进行了大量研究。本文先简介了碳纳米管的发展、制备及其结构性能, 进而详细介绍了碳纳米管在水泥基体中的分散性及其分散方法, 并在此基础上综述了国内外学者对碳纳米管增强水泥基复合材料物理、力学性能的相关研究。

1 碳纳米管

1.1 碳纳米管的发现

碳纳米管可定义为“将石墨六面网平面 (石墨烯片) 卷成无缝筒状时形成的无缺陷单层管状物质或将其包裹在内, 层层套叠而成的多层管状物质”[21]。早在19世纪末就已经可能从甲烷中制得碳纳米管[22], 但由于当时人类科学知识的局限, 特别是对纳米材料和富勒烯尚不了解, 因此并未认识到它是碳的一种新的重要形态, 直到1991年日本电镜学家S.Iijima[23]在利用电弧法制备C60的过程中才首次发现碳纳米管。由于碳纳米管具有独特的微观结构以及优异的力学、电学和磁学等性能[24], 极具理论研究和实际应用价值, 因而激起了国内外学者的极大兴趣, 碳纳米管的研究也成为了材料学以及凝聚态物理学研究的前沿和热点。

1.2 碳纳米管的制备及纯化

到目前为止, 对于碳纳米管的制备, 人们尝试了很多种方法, 如石墨电弧法、热解法、激光蒸发法、等离子体法、化学气相沉积法 (催化分解法) 等[25,26,27,28,29,30,31], 其中主要的制备方法为以下3种:电弧放电法[32]、激光蒸发法[33]、催化热解法[34]。

采用以上方法制备碳纳米管所得的产物中除含有碳纳米管外, 还含有无定型炭以及反应所用的催化剂颗粒等杂质, 这些不纯物的存在会对碳纳米管的性能及其应用产生不利影响, 因此, 对制备的碳纳米管还需要进行纯化处理[35,36]。到目前为止, 国内外研究学者已提出了多种碳纳米管的纯化方法, 如氧化法、过滤法、气相沉积法、离心分离法等。然而, 单独使用一种提纯方法往往很难达到预期效果, 通常需综合使用化学处理、物理分离等方法来进行多步纯化。

1.3 碳纳米管的结构及其性能

碳纳米管可以看成是石墨薄片沿固定矢量 (手性矢量Ch) 方向卷曲360°而形成的封闭管[37]。一般单壁碳纳米管的直径在0.4~2nm之间, 多壁碳纳米管的直径也不会超过50nm, 且其层与层之间保持固定的距离 (约0.34nm) , 比石墨的层片间距较大, 反映出层与层之间具有同石墨类似的范氏力[38], 碳纳米管的结构模型如图1所示。由于sp2杂化形成的C=C共价键是自然界最强的价键之一, 因而赋予了碳纳米管极高的强度、韧性及弹性模量, 使得其拥有优异的力学性能。碳原子之间的sp2杂化还使得每个碳原子有1个未成对电子位于垂直于层片的π轨道上, 因此碳纳米管具有优良的导电性能。此外, 碳纳米管特殊的结构还赋予了它良好的热导性、吸波性等。

2 碳纳米管在水泥基体中的分散性及分散方法

碳纳米管拥有良好的力学、电学和物理化学性能, 且具有质轻、高强、高韧性等优点。将其应用于水泥基材料, 可以打破传统水泥基材料的局限, 扩展水泥基材料的应用领域。但碳纳米管作为准一维的纤维材料, 表面缺陷少, 管与管之间具有很强的范德华力和非常高的长径比, 且碳纳米管一般都呈束状缠绕, 导致其在水及各种溶剂中的离解度很低。如果直接加入水泥基体中, 由于团聚的碳纳米管容易引起应力集中, 不但起不到相应的增强效果, 相反会使水泥基体的性能降低。因此, 实现碳纳米管在水泥基材料中的均勾分散是实现高性能多功能碳纳米管水泥基复合材料的关键。目前, 国内外主要采用机械搅拌分散、超声波分散、电场诱导分散、共价化学修饰或/与表面活性剂 (SAA) 非共价修饰等方法来克服碳纳米管间的范德华力, 以此实现碳纳米管在水泥基体中的分散[39,40,41,42,43,44]。

2.1 机械搅拌分散

机械搅拌是指借助液力剪切与机械混合作用实现物料的乳化、分散、破碎、溶解、均质等效果。目前, 较常用的机械搅拌设备包括各种类型搅拌机、匀质机及剪切磨, 机械搅拌的方式包括干、湿式与间歇、连续式多种模式组合[45]。机械搅拌法在一定程度上可以降低碳纳米管的团聚作用, 使部分碳纳米管溶解分散于水泥基中。但其分散效果不明显, 且会对碳纳米管内部结构产生相应的破坏, 使其长度严重减小。故机械搅拌法需结合其他分散方法配合使用。

2.2 超声处理分散

碳纳米管内部通常存在一些小洞样缺陷, 这些小缺陷在较高能量密度超声波的冲击下会发生断裂, 从而形成短纤维, 然后分散于介质中[46,47,48,49,50], 该方法称为超声处理分散法。通常情况下超声分散法的作用可分为两方面:一是通过溶液中产生的微小气泡瞬间爆炸, 产生巨大能量冲击波使团簇在一起的碳纳米管撕裂分开;二是通过溶液层空化作用产生的局部高温将碳纳米管连接打开。超声分散法在对碳纳米管分散的同时还将其内部悬键打开, 有利于碳纳米管表面化学修饰。此外, 超声波功率对于碳纳米管在水泥基体中的分散也至关重要。超声波功率太小将达不到预定的分散效果, 功率太大则可能会对碳纳米管的长径比及内部结构产生影响。

2.3 电场诱导分散

在掺有碳纳米管的有机溶剂薄层中, 埋入金属薄板或网格片作为两端电极, 施加一定的直流或交流电场, 使得碳纳米管电偶极化, 成为电偶极子, 进而受电场力作用产生规则运动并趋向于沿电场线方向排布, 在基体中形成良好的导电网络结构, 制备出具有良好传导性能的碳纳米管水泥基复合材料[51], 从而实现碳纳米管在水泥基体中的分散效果。DC电场的电压施加范围一般为50~1000V;AC电场的电压施加范围一般为25~1000V, AC频率为50~1000Hz, 且相对于DC电场, AC电场对导电纤维的定向排列诱发效果更明显[52,53,54]。

2.4 表面修饰分散

对碳纳米管的表面修饰分散主要有以下两种方法:共价化学修饰, 即通过碳纳米管表面进行氧化或引入有机官能基团来对其表面进行修饰, 以此将碳纳米管表面或末端共价化学键打开, 使其顶端含有一定数量的活性基团[55], 从而改善纳米管的亲水性并将其均匀分散于水泥基体中, 表面修饰前后碳纳米管分散情况如图2所示;表面活性剂 (SAA) 非共价修饰, 其主要是利用表面活性剂吸附于碳纳米管表面, 从而使其获得一定的亲水性。表面活性剂分为离子型与非离子型两种, 且表面活性剂非共价修饰法在有效分散碳纳米管的同时不会对碳纳米管的性能产生负面影响[56]。

2.5 多种分散方法综合使用

由于上述分散方法均存在相应的局限性及缺陷, 采用单一的分散方法不能做到使碳纳米管完全分散于水泥基体的效果, 并且还可能对碳纳米管内部结构产生破坏, 故需要采用多种方法综合使用进行分散。多种方法综合使用一方面可以提高碳纳米管在水泥基体中分散效率, 另一方面在一定程度上提高了其在基体中分散的程度。目前国内外学者对碳纳米管在水泥基体中的综合分散提出了许多可行的方案, 如表面改性的同时采用球磨、超声处理, 强酸氧化后采用超声处理等[57,58,59]。这些多种分散方法综合协同使用的案例获得了较好的分散效果, 如表1所示。

3 碳纳米管水泥基复合材料的物理性能

3.1 碳纳米管水泥基复合材料的导电性、机敏性

碳纳米管是由极细小的圆筒状石墨片构成的中空碳笼管, 故其拥有如同石墨般良好的导电性能, 在一定条件下, 碳纳米管的电导率可达到1000S/cm以上, 能够通过的电流密度更是达到106A/cm2, 若将碳纳米管加入到水泥基材料中可显著改善其导电性能。碳纳米管导电性还与其直径、螺旋角及层间作用力有一定的关系, 不同尺寸的情况下其存在导体、半导体、绝缘体3种状态。此外, 碳纳米管的导电性能在外力作用下会发生显著变化, 且其导电性改变的过程是可以逆转的, 撤除外力后, 碳纳米管的电导率又将恢复到无应变状态时的值, 即碳纳米管具有非常显著的机敏性[60]。若将碳纳米管应用于水泥基材料中则可以利用碳纳米管的这种机敏性来感知水泥基材料内部应力、应变和损伤变化的程度。

Xun Yu和E.Kwon[61]采用不同的改性方法和多壁碳纳米管掺量来进行碳纳米管水泥基压阻性能测实验, 实验结果表明:较高掺量的多壁碳纳米管能明显提高水泥基复合材料对应力响应的感应灵敏度;酸化处理改性后碳纳米管水泥基复合材料具有较高的压阻响应和信噪比;通过表面活性剂处理后多壁碳纳米管水泥基的压阻性能反而降低。

罗建林、段忠东[14,15]采用表面活性剂和超声分散法组成的混合分散方法制备水泥基复合材料, 并研究了多壁碳纳米管掺量对水泥基复合材料导电性的影响, 实验结果显示:在水泥基中加入少量的多壁碳纳米管, 水泥基复合材料将拥有一定的导电性和压敏性能, 且其体积电阻率随多壁碳纳米管质量分数的增多而降低。不同碳纳米管掺量的水泥基体积电阻率变化如图3所示。

本课题组[18,19]通过试验分析发现将少量碳纳米管分散掺入水泥净浆中能形成良好的导电网络体系, 显著提高其导电性能和机敏性;碳纳米管经过浓硝酸和浓硫酸组成的混合液表面改性后, 将其加入水泥基体中形成的复合水泥基材料导电性较之未改性前反而降低, 但其机敏性相对于未改性前表现得更加明显。CNTs-水泥浆中掺入少量的丁苯橡胶乳液 (SBR) 后, 碳纳米管可均匀分散在SBR中而形成良好的导电体系, 且其导电性、机敏性能随着SBR掺量的增加而增大。但当SBR掺量大于15%后, 由于SBR本身具有成膜和引气作用, 导致水泥砂浆孔隙率显著增加, 其导电性和机敏性能反而降低, 如图4所示。

3.2 碳纳米管水泥基复合材料的热导性能

Berber等[62]综合了平衡、非平衡分子动力学模拟模型, 通过准确的碳势, 计算得到 (10, 10) 型碳纳米管的热导率高达6600 W/ (m·K) , 完全比得上单层的石墨或金刚石, 因此, 碳纳米管被认为是极好的一维导热纤维材料。碳纳米管优异的内部结构部不但给它带来了良好的导电性, 同样也使其拥有超越其他纤维材料的热导性能。将其应用于水泥基复合材料中, 能使混凝土建筑物具有对内部温度和周围环境温度监控的能力。

Yakovlev等[63]研究了碳纳米管对免蒸压泡沫水泥混凝土热导性的影响, 实验结果表明:在水泥中掺入0.05%的碳纳米管, 使混凝土的热导率降低12%~20%。

3.3 碳纳米管水泥基复合材料的吸波性能

碳纳米管拥有很大的比表面积、长径比以及良好的导电能力, 符合吸波材料密度低、厚度小和吸收性能强等要求, 故可将其用作电阻损耗型吸波剂。电磁波射入水泥基复合材料时会与碳纳米管中的电偶极子发生谐振而形成感应电流, 从而对电磁波进行衰减。此外, 碳纳米管在水泥基中能与水泥水化产物结合形成网状导电结构, 入射的电磁波进入其中会形成窝状感应电流, 从而通过电阻热损耗将入射的电磁波转化为热能进行消耗。

郭志强[64]的研究表明:在水泥基中掺入一定量的多壁碳纳米管可以显著提高其吸波性能。在水泥基中掺入0.6%质量分数的多壁碳纳米管能在很大程度上吸收和反射2~8GHz范围内的电磁波, 另对于8~18GHz范围内的电磁波, 其反射率在-8~10dB之间呈现稳定变化趋势, 由此证明碳纳米管的掺入使得水泥基材料对于宽频波段的吸收具有良好的改善作用。在水泥基中掺入多壁碳纳米管/二氧化锰复合吸波剂, 其吸波性能得到明显增强;相对于单独掺入0.6%多壁碳纳米管的水泥基吸波材料, 多壁碳纳米管/铁氧体水泥基复合材料反射率峰值明显降低, 但反射率变化幅度明显变大。在多壁碳纳米管水泥基中掺入橡胶后能显著拓展其吸波频段的宽度。掺入0.9%质量分数的碳纳米管和8%质量分数的橡胶粉后, 水泥基复合材料在2~8GHz频率范围内的反射率峰值明显降低, 峰值数量增加, 且水泥基复合材料的吸波性能明显高于单掺多壁碳纳米管和单掺橡胶时的水泥基复合材料。

4 碳纳米管水泥基复合材料的力学性能及其微观结构

碳纳米管独特的内部结构赋予了它几乎完美的力学性能, 其抗拉、抗弯强度超过50GPa、10GPa, 约为钢强度百倍以上, 而密度却只有其几分之一。此外, 碳纳米管还因为sp、sp2、sp3杂化几率不同而表现出良好的弹性变形能力, 其弹性应变可达5%~12%, 超过钢约60倍, 且优于任何当前已知的纤维材料。目前, 碳纳米管广泛应用于增强金属材料和陶瓷材料等。若将碳纳米管作为复合材料增强体加入到水泥基材料中, 必能使混凝土具有良好的力学性能, 同时它还能在混凝土受力破坏过程中吸收大量的能量, 起到延缓甚至阻止混凝土裂缝的产生、扩展的作用。

A.Chaipanich等[9]通过实验对碳纳米管增强粉煤灰水泥浆力学性能进行了相关研究, 研究结果表明:将1%质量分数的碳纳米管加入到20%掺量粉煤灰的水泥中可使其抗压强度增大到51.8 MPa。此外, 当水泥基中多壁碳纳米管掺量增加时, 水泥基复合材料总孔隙率降低, 且孔隙中的介孔数量减少。

王宝民等[65]研究发现:随着碳纳米管掺入量的增加, 水泥净浆的力学性能呈现出先增大后减小的趋势;碳纳米管水泥浆的强度随着龄期的增加呈现出增大的趋势;在碳纳米管掺量不变的情况下, 增大水泥净浆的水灰比, 其力学性能先增大后减小, 且碳纳米管水泥浆的强度均高于空白水泥净浆;水灰比选用0.35, 多壁碳纳米管为0.08% (质量分数) 的水泥净浆试件的28d抗折强度较之空白水泥净浆提高了43.6%, 其抗压强度最大值为15.8 MPa, 当多壁碳纳米管为0.10% (质量分数) 时, 其抗压强度最大值达到84.5MPa, 较之空白试件提高了9.2%;但当多壁碳纳米管的掺量达到最大值0.15% (质量分数) 时, 水泥净浆的抗压和抗折强度并未增大, 反而呈现出减小的趋势。碳纳米管掺量对水泥基力学性能的影响如图5、图6所示。

本课题组[19,20]研究了掺入碳纳米管后水泥砂浆的力学性能及其微观结构, 掺入少量的碳纳米管能明显改善水泥砂浆的空隙结构, 并减少其孔隙率, 且碳纳米管与水泥砂浆能很好地粘结, 故在水泥砂浆中掺入少量的碳纳米管能显著提高其力学性能;用扫描显微镜 (SEM) 观察碳纳米改性的水泥基材料, 发现复合材料水泥的水化后产物将碳纳米管包裹于其中, 使水泥砂浆与碳纳米管之间形成密实的网状结构, 如图7所示, 表面改性后的碳纳米管水泥基复合材料具有更好的孔隙结构。

5 碳纳米管在水泥基复合材料应用研究中存在的问题

碳纳米管具有良好的力学性能及优异的物理化学性能, 是现阶段已发现的其他纤维材料所不能比拟的。将碳纳米管应用于水泥基复合材料具有非常广阔的应用前景及经济效益。但目前国内外学者对于碳纳米管水泥基复合材料的研究还属于初级阶段, 仍存在许多待解决的问题, 表2中详细列举了碳纳米管水泥基复合材料现阶段应用研究存在的问题。

要解决这些问题, 需要与材料研究人员及化学领域专家进行深入的合作交流, 一方面突破碳纳米管的制备、量产及分散技术, 另一方面还需深入研究其作用机理及耐久性等问题, 以此来实现碳纳米管水泥基复合材料在混凝土领域的广泛使用。

6 结语与展望

随着纳米材料科技的飞速发展, 碳纳米管及其复合材料的研究将成为国内外材料研究领域的热点。碳纳米管的掺入一方面能提高水泥基材料的力学性能, 降低其混凝土内部变形及裂缝的开展。另一方面可显著增强水泥基的物理性能 (导电性、机敏性、导热性等) , 使水泥基复合材料向高性能和多功能方向发展。

目前, 国内外对于碳纳米管在水泥基中的应用研究已取得了一定的成果, 但由于碳纳米管在水泥基中的分散方法还不够完善, 尚缺乏对左右机理的深入研究, 碳纳米管水泥基材料尚难以用于实际工程。