納米碳管在現代汽車工業上的應用

摘 要：納米碳管具有獨特的結構和優異的物理與力學性能，在現代工業中擁有廣闊的應用前景，在汽車上的應用也倍受關注。本文對納米碳管在汽車上已有的應用及潛在的應用進行了綜述，包括汽車新能源動力系統、輕量化結構材料、多功能復合材料等，希望能夠給汽車新技術的開發和新材料的利用提供參考。

關鍵詞：納米碳管；汽車；應用

1 納米碳管的結構與性能特點

納米碳管是指由類似石墨的六邊形網格組成的管狀物，可以看作是石墨片層繞中心軸按一定的螺旋角卷曲而成。管子一般由單層或多層組成，相應的納米碳管就稱為單壁納米碳管（SWNT）和多壁納米碳管（MWNT）。納米碳管的直徑在幾微米到幾十納米之間，長度可達數微米，因此有較大的管徑比。研究表明：納米碳管的晶體結構為密排六方（hcp），a=0.24568nm，C=0.6852nm，c/a=2.786，與石墨相比，a值稍小而c值稍大，預示著同一層碳管內原子間有更強的鍵合力，納米碳管有極高的同軸向強度。多壁納米碳管存在三種類型的結構，分別稱為單臂納米管、鋸齒形納米管和手性形納米管。[2]

納米碳管以其特殊的結構，優異的性能，極其廣泛的應用范圍和極具潛力的應用價值，吸引了全世界科學家的關注。納米碳管，在力學性能方面具有極高的強度、彈性模量和韌性等性能；在電學性能方面具有獨特的導電性、很高的熱穩定性、本征遷移率和優異的磁性能等性能；在磁場發射性能方面具有極好的場致電子發射性能；在光學性能方面具有不同于常規材料的光學性能。[1-2]

2 納米碳管在汽車新能源動力系統上的應用

鋰離子電池電極材料

目前，鋰離子電池正朝高能量密度方向發展，最終為電動汽車配套，并真正成為工業應用的非化石發電的綠色可持續能源。開發鋰離子電池主要任務之一是尋找一種合適電極材料，使電池具有足夠高的鋰嵌入量和很好的鋰脫嵌可逆性，以保證電池的高電壓、大容量和長循環壽命的要求。納米碳管的特殊結構使它可能成為一種優良的鋰離子電池負極材料。大的層間距使鋰離子更容易嵌入脫出，管狀結構在反復充放電過程中不會崩塌，但是納米碳管作為鋰離子電池的負極材料首次效率太低。李志杰等將納米碳管部分地摻入石墨材料中用作鋰離子電極材料，二者形成許多納米級微孔，為鋰離子提供了更多的嵌入脫出空間，使可逆容量得以提高，而且納米碳管可以起到橋梁的作用，增強了材料的導電性。這種電極材料的首次可逆容量為341.8mA·h/g，循環10次后可逆容量保持率為94.5%。[6-7]

3 在輕量化材料中的應用

汽車輕量化是解決汽車工業發展所遇到的能耗、排放和環保的三大問題的在效方法和手段，同時輕量化還能對改善汽車的動力性、一個國家能源戰略、汽車工業可持續發展等具有重要影響，而汽車輕量化的實施是和輕量化材料的使用性能和應該研究成果密切相關的，高強度鋼、超高強度鋼、鋁合金、鎂合金、塑料和復合材料在汽車工業中的應用不斷上升。近年來以聚合物為基體的復合材料已在汽車結構材料中得到應用，減輕了汽車自重。納米碳管具有優良的力學性能，被認為是理想的復合材料的增強材料。據報導，用熔融混合法制備多壁納米碳管-尼龍6復合材料，在加入2wt%的多壁納米碳管時，尼龍6的彈性模量和屈服強度分別提高了214%和162%。采用密煉共混制得納米碳管-ABS復合材料，其力學性能隨著納米碳管含量的增加而增加，當納米碳管在復合材料中的含量達到12wt%時，拉伸強度由45.00MPa提高到69.96MPa。楊氏模量由1.35GPa提高到1.93GPa，分別比純ABS樹脂的拉伸強度和楊氏模量提高了43.6%和43.0%。Qian等，用溶液共混法制備了聚苯乙烯-納米碳管的復合材料，納米碳管的添加量為1wt%時，復合材料的彈性模量提高36%～42%，拉伸強度提高25%。納米碳管作為一種高強、低密度又有很好韌性的超級纖維，用做復合材料的增強相，將來會在汽車輕量化中發揮重要作用。[8-9]

4 結束語

納米碳管在現代汽車工業上的應用前景一片光明，汽車技術的發展有賴于新材料的應用和新技術的發展，納米材料的發展為現代汽車技術進步提供了有力的支持，納米碳管是最具開發價值的納米材料之一，它有許多獨特的性質，隨著研究的不斷深入，應用技術的不斷完善，將在汽車技術的進步中發揮重要作用。

參考文獻：

[1] 姜靖雯，彭峰.碳納米管應用研究現狀與進展[J].材料科學與工程學報，2003，21（3）：464-468.

[6] 翟秀靜，張愛黎，符巖，等.碳納米管用于鋰離子電池負極材料的嵌鋰機理研究[J].功能材料，2004，35（5）；621-623.

[7] Frackowiak E，Gautier S，Gaucher H，et al.Electrochemical Storage of Lithium in Multiwalled Carbon Nanotubes[J]. Carbon，1999，37（1）；61-69.

[8] Liu T X，Phang IY，Shen L，et a1. Morphology and Mechanical Properties of Multiwalled Carbon Nanotubes Reinforced Nylon-6 Composites[J]. Macromolecules，2004，37（19）：7214-7222.

[9] Qian D，Dickey E C. Load Transfer and Deformation Mechanisms in Carbon Nanotube-polystyrene composites[J]. Applied Physics Letters，2000，76（20）：2868-2870.

[12] 王浪云，涂江平，楊友志.多壁碳納米管-Cu復合材料的摩擦磨損特性[J].中國有色金屬學報，2001，l1（3）：367-371.

[13] 丁志鵬，張孝彬，許國良，等.碳納米管-鋁基復合材料的制備及摩擦性能研究[J].浙江大學學報（工學版），2005，39（11）：1811-l815.

作者簡介：

熊純輝（1984-），男，湖南，漢族，職稱：初級講師，學歷：學士，單位：湖南省汽車工程職業學院，研究方向：從事汽修教學工作。