碳元素的革命已经发生——碳原子可以被诱导形成多种表面结构,使材料具有独特性能。纳米管是这种创新的先锋,而且处于下一代合成材料多功能元件开发的项端——

为何我们需要合成材料?

合成材料由2种或者2种以上的材料组成,能将单一材料所缺乏的性能按需加以组合。例如,纤维增强合成材料的结构,通常包括一种软基质物质(一般为聚合物),内含一种较硬的能承载负荷的纤维或颗粒状填充物。若是高强度合成材料,其纤维应该坚硬和具有较高的长宽比。这样,当合成材料处于机械压力下时,有利于将负荷从基质材料转移到填充物上,就如钢筋能增强水泥一样。

与其他增强纤维相比,碳纳米管有什么独特性能?

在于细微的体积与独特的物理性能的结合。纳米管只有分子大小,由卷曲的中空圆柱体的完美的石墨层构成。纳米管有两种类型:单壁型(直径约0.5~2纳米)和多壁型(直径2~50纳米)。在许多方面,纳米管与用作合成基质材料的聚合物链相像——两者都有共价链结构,以及相似的机械韧性,使纳米管完全不同于传统的碳素和玻璃纤维。碳素和玻璃纤维的体积较大(直径范围处在微米级别),而且质地较脆。纳米管的机械特性(如强度)远远优于其他纤维材料,然而这种强度是与较低的质量密度结合在一起的,因而特别轻。此外,纳米管可以和金属一样有效地沿着其狭长的轴线导热和导电——是对传统纤维材料的一个重大改进。

纳米管是怎样影响合成材料性能的?

塑料合成材料中的纳米管具有增强硬度、强度和韧度以及提供电和热的传导性之类的特性。鉴于目前纳米管只能在毫米以下长度范围生产(属于短纤维类型),在不远的将来,它们在合成材料中的主要作用仍然作为基质改良材料以及提供多功能的属性。不过,一旦纳米管能有效地在可见范围上组装,它们将成为连绵状碳素纤维的有力竞争者。碳素纤维通常被编织或堆积形成结构性合成材料中的承载负荷成分,用于建筑和工程之中。

纳米管合成材料易制作吗?

不容易制作。最大挑战是纳米管在基质中难以充分地扩散,因为纳米管倾向于聚集成束。若不施加很高的剪切力,如用聚合物加以有效混合,这些集束会一直保持不变。这样的混合往往会损伤纳米管的结构,减弱其性能;另一个问题是聚合物与纳米管的混合物呈高粘度状态(由于纳米管表面积大的缘故)。这类合成材料流动性差,难以铸造成型,因而产生了诸多工程难题,包括纳米管在大多数溶剂和聚合物中难以溶解。虽然如此,科学家目前已经成功采用了多种方法使纳米管和聚合物紧密结合,这些方法包括干粉末状混合、熔融混合、纳米管表面单体聚合以及表面活性剂辅助混合等。

纳米管的微小体积会影响合成材料的性能吗?

当然会。填充物的增强效应会随着纤维变小而显著改进,因为基质相互作用的表面积增大了。例如,直径约10纳米的纳米管与基质材料的接触面几乎比直径10微米的同体积的纤维大1000倍。这种密切接触可以影响聚合物基质的多种性能及其形态,甚至结晶状态。因此,生成的合成材料比单独填充物的材料更为坚固耐用。此外,具有几万比1(长宽比)的纳米管可以极细微的体积渗透形成纳米管间的联接通道,从而增加材料的强度并使其具有导电性能。

为何纳米管合成材料尚未广泛推广应用?

因为仍有一些制造中的难题有待克服。在尝试制作这些合成材料的初期,由于纳米管和其四周的基质间形成的接触面不良,其产品缺乏光泽,在聚合物和纳米管之间缺乏能有效转移负荷的成熟技术。这类困难在碳素纤维合成材料的早期就已出现。然而对纳米管来说问题更加突出,既由于其表面原子般地光滑(导致在基质中粘着力低下),又由于这么细微的填充物粒子的接触面庞大的缘故。

还有其他方面的问题吗?

另一个难题是基质内纳米管的扩散——纳米管大量地聚集易使合成材料产生裂缝,而不是增强(由弱键结合构成的许多平行排列的纳米管聚合形成成束的结构)。在压力下,纳米管会相互间滑动,从主体材料中分离而削弱合成材料的性能(检测聚合物纳米管合成材料的表面裂缝有助于确定材料中是否出现了适宜的负荷转移)。若基质——填充物的界面接触较强,纳米管受压后会断裂。但是对于较差的接触面,纳米管会由于界面滑移而被挤出基质材料。

有什么措施可以增强纳米管的界面性能?

已有几种方法可以改善纳米管表面的化学性质。一种方法是用共价键附着化学基团,但这种方法会在纳米管晶格中(承重结构)产生缺陷而降低纳米管的电和热的传导性,削弱其机械性能。另一种方法是用非共价键的相互作用来包裹表面活性剂或纳米管周围的聚合物,或是把芳香族化学结构吸附到边壁上。这种改造表面的方法比共价键方法温和,通常不会对纳米管构造和传导性造成破坏,不过近乎完美的纳米管结构使改造过程更具挑战性。然而近期该领域的研究工作显示,改造纳米管表面较改造碳素纤维方法更为明确和可以控制。

界面滑移有可能利用吗?

虽然界面剪切力对韧度和强度不利,但由于纳米管滑移中聚合物界面会产生摩擦和能量消耗,界面剪切力有可能产生高机械阻力(界面处的粘着行为导致这种效应)。这类阻力对许多商业应用至关重要。需要重申的是,基质材料中良好的纳米管扩散是最大限度地扩大这种效应的首要条件。

有可能让纳米管在合成材料内有序排列吗?

当然有可能。利用磁场现已能将合成材料中的纳米管有序排列。不过,由于需要高强度磁场,这种方法并不特别有用。定向分布纳米管的最好方法是置纳米管于剪切力之下,如采用挤压逐出分离法,让合成材料中无序排列的纳米管混合物转向有序状态,能够增强材料在受压时的性能,以及改善合成材料对热和电的传导性(纳米管内的传导呈定向性,能很好地沿狭长的轴线传导),这样的定向排列还能最大限度地减少所需的纳米管数量。也许,最引人瞩目的是把排列有序的纳米管并入“三维空间”合成材料中。传统的纤维增强合成材料是由平面分布的纤维堆成的嵌板构成,尽管这些材料有优越的平面特性,但是厚度方向的性能却相当差;而交织层纳米管阵列的堆积嵌板呈垂直排列,可增强沿厚度方向的性能。这类阵列通过锁合相邻纤维堆积嵌板,可以起到类似尼龙搭扣那样的作用。

纳米管合成材料除了将强度与传导性结合外,还有其他作用吗?

除了上述作用外,它们还可以用作各种多功能合成材料的填充物。通过对纳米管-聚合物界面进行适当的改造,合成材料的强度和阻尼特性就会增强。如在给塑料中加入纳米管可以保护微电子装置免遭电磁的干扰。实验显示,纳米管的微波吸收能力可被用来加热住宅,包括在空间探索方面的应用。此外,向纳米管施加机械力可调节其电传导性,可在由纳米管制作的传感器等材料中得到利用,用于实时监测压力分布和控制合成材料的结构。最后,轻薄的纳米管压层还有可能在透明的传导合成材料中得到应用。

如何看待纳米管合成材料的应用前景?

目前最广泛地应用是在静电放电元件方面,这些元件中的多壁纳米管能增强塑料的导电性。如网球拍的制造商宣称将采用纳米管合成材料制作产品。短期内,纳米管合成材料的最大亮点无疑是可以减少附加成本的高价值用途,如航天业(需要重量轻、强度高、抗高温的合成材料)以及能源工业(用于大型石油钻探平台的纳米管增强橡胶密封装置)。具有航天业所需特性的合成材料已在研制中。一旦纳米管生产成本与碳素纤维相当(甚至与更低廉的增强材料碳黑相当),纳米管填充橡胶轮胎之类的商品就能变成现实。随着诸多难题的解决,合成材料的商业开发最终将会成功,这也是纳米管合成材料最激动人心的时刻。