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1.1 碳纳米管的简介
碳是自然界的最基本的四大元素之一，以往，在人们的认识中碳的形态就只有三种：石墨和金刚石以及无定形碳。自1991年发现碳纳米管后，碳纳米管迅速成为许多行业的热点研究方向，目前碳纳米管在基础理论、应用等许多方面都取得了优异的成绩。
1.1.1 碳纳米管的结构
从结构上，可以将碳纳米管看作是由单层或多层石墨片按照一定螺旋角卷曲而成的、直径为纳米级的、无缝的、中空的微管。碳纳米管中每个碳原子和相邻碳原子之间以sp2杂化为主，但在其中仍存在一定的sp3杂化键，相互间由碳-碳σ键结合，由优尔边形组成的蜂窝状结构作为碳纳米管的结构骨架。正是由于这种特殊的成键结构使得碳纳米管具有许多独特的性质。
根据碳纳米管管壁所含石墨片的多少，我们可以将其分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管，如图1.1a和b所示。
图1.1碳纳米管的结构示意图
a单壁碳纳米管；b多壁碳纳米管
1.1.2 碳纳米管的主要性能
（1）力学性能
由于碳纳米管中碳原子间特殊的杂化方式以及碳碳之间共价键的结合方式使得碳纳米管具有很高的弹性模量和轴向强度，并且有良好的柔韧性[2-5]。碳纳米管的强度以及它的韧性，都远远的优于任何纤文[6]。此外，当受到破坏时碳纳米管应变最高能达到20%，其在轴向表现出了优异的柔韧性和回弹性，在扭力的作用下，碳纳米管的抗畸变能力很强，当所受负荷卸去碳纳米管也就会恢复原状[7]。
（2）导电性能
碳纳米管是由石墨平面按照一定方式卷曲而成的，其共价键由4个价电子中的3个形成，每个碳原子中都有未成键的p电子，p电子之间会发生共轭效应，从未形成了离域键，因此碳纳米管具有良好的导电性。常温下，碳纳米管轴向磁感应系数是径向的1.1倍，超出C60近30倍[8]。
（3）热学性能
碳纳米管具有很高的长径比使其具有各向异性的导热性，是电子设备中高效的散热材料[9]。碳纳米管优异的导热性使其可以用在计算机导热材料，也可以用其代替金属用于发动机、火箭等高温部件的制作。
1.1.3 碳纳米管的主要应用
碳纳米管独特的结构、碳原子间的结合方式使其在许多领域都表现出了优良的潜在使用价值。经过几十年的研究和探索，研究者们发现了碳纳米管在许多领域的应用。比如，超级电容器、锂离子电池、氢气储存、电子原件、碳纳米管修饰电极、纳米机械、碳纳米管复合材料以及在生物医学方面的应用。此外，碳纳米管是一文中空的纳米材料，可作为纳米模板[10]，通过物理或者化学方法对碳纳米管进行表面修饰或内部填充，以实现碳纳米管和新型纳米材料如纳米管、纳米线、复合材料等的结合[ 11-12]。
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