中國粉體網訊 碳納米管（CNTs）是1991年被發現的一種新式碳結構，可以看成是由石墨烯片層卷成的無縫、中空管體。碳納米管自從被報道以來，引起了學術界及工業界的廣泛關注和興趣。
碳納米管一般可以分為單壁碳納米管、雙壁碳納米管和多壁碳納米管，如下圖
(a)單壁碳納米管 (b)雙壁碳納米管 (c)多壁碳納米管
不同層數碳納米管結構示意圖
碳納米管的性能
（1）力學性能
碳納米管最為突出的特性是其優異的力學性能，主要表現在強度、剛度、韌性等方面。
（2）熱學性能
碳納米管擁有準一維導熱性。
（3）電化學性能
碳納米管其獨特的結構特點導致其具有優異的導電能力，它不單單可以呈現出半導體的特性，而且可以呈現出導體性，乃至金屬性等特征。
（4）光學性能
碳納米管具有不同于常規晶態與非晶態的光學特性，既包含線性光學性質，又具有非線性光學性質，其中碳納米管的非線性光學性質已被廣泛研究。
（5）磁學性能
碳在常溫下是一種抗磁性物質，但不同情況下碳納米管卻表現出不一樣的磁性能。
碳納米管的制備
（1）電弧放電法
電弧放電法是以真空腔內的石墨棒作為陰陽極，以惰性氣體或者氫氣作為保護氣體，接著通入直流電流，這樣會使石墨極間產生電弧放電效應，在這個放電的過程中，放電反應會使陽極石墨棒慢慢減少，從而可以在其陰極產生碳納米管。
電弧法制備碳納米管的裝置圖
優點：
產生碳納米管的速率快；
實驗過程中所需要的工藝參數設定簡單；
生長得到的碳納米管管直以及結晶度良好。
缺點：
電弧法來生長的碳納米管的溫度要求較高，生長碳納米管所需的設備十分復雜，并且生長出來的碳納米管有比較明顯的缺陷。容易和生長過程中催生出來的副產物，比如無定型碳、石墨顆粒、富勒烯等雜質燒結于一體，不利于分離和提純。
制備成本較高。不利于規模化、工業化生產。
(2)化學氣相沉積法
化學氣相沉積法是一種大規模生產碳納米管的最簡單的方法。
化學氣相沉積法的生產原理含碳氣體（一般氣體為CH4）在高溫和催化劑的作用下產生碳原子，并形成碳納米管。
電化學法制備碳納米管的裝置圖
優點：
易于控制，管長，產率高，純度高，而且通過催化劑顆粒的尺寸來控制碳納米管的尺寸，生產成本低，適用性強。
缺點：
化學氣相沉積法制備出來的碳納米管長度長，并且直徑不均勻；石墨化度低，拉伸強度小于通過電弧放電制備的碳納米管強度。
(3)激光蒸發法
激光蒸發法是基于石墨電弧法發展出來的一種制備方法。
原理是在催化環境下，通過高能量密度的激光照射石墨耙，在這個過程中石墨會產生氣態碳，進而在撞擊的過程中形成碳納米管。
激光蒸發法制備碳納米管的裝置圖
優點:
SWCNTs的產率隨著激光脈沖時間間隔的縮短而增加，并且單壁碳納米管的管徑也可由調節激光脈沖的功率控制。
缺點：
制備碳納米管的純度較低、生產效率低、產物容易發生纏結，并且生產經費昂貴。
（4）催化裂解法
在600~1000℃的溫度及催化劑作用下，使含碳化合物裂解為碳原子，然后在過渡金屬-催化劑作用下，附著在催化劑微粒表面上形成為碳納米管。
除此之外還包含熱解聚合物法、固相熱解法等方法。
研究進展
根據其形貌差異，碳納米管可分為聚團狀碳納米管、垂直陣列狀碳納米管及水平陣列狀碳納米管三種類型。相比于前兩種類型，水平陣列狀碳納米管具有完美結構、超低缺陷程度、厘米級以上長度及優異理化性能。
目前，實現水平陣列狀碳納米管的結構可控制備及性能調控是近近十幾年來碳納米管研究領域的熱點和難點。另外，國內外一些先進學者也在碳納米管制備上進行更多研究。
（1）Feldman等人利用電解堿金屬鹵化物的方法制備了直徑為30~50nm的多壁納米碳管。
（2）南加州煤氣公司（SoCalGas）也在去年宣布，公司正與一支研發團隊開展合作，采用了一款新工藝，將天然氣轉化為氫氣、碳纖維及碳納米管。該合作旨在采用新催化劑，研發先進的甲烷重整工藝，用于制造碳納米管。
新催化劑系統將促進碳納米管成型的“基底生長”而非“頂端生長”。基底生長成形可實現催化劑的再生，并創建一款純度較高的結晶碳產品。此外，可優化反應條件，調整碳納米管的直徑及長度。
（3）清華大學的魏飛教授團隊在水平陣列狀碳納米管的生長機理、結構可控制備、性能表征以及應用探索等方面開展了大量的研究，并取得一系列重要突破。
目前，該團隊已經制備出單根長度達到半米以上的碳納米管，此類超長碳納米管具有完美的結構和優異的性能。另外，其團隊首次發現宏觀尺度超潤滑現象，并實現單根碳納米管宏觀尺度光學可視化及可控操縱。
水平陣列狀碳納米管的結構可控制備
