碳納米管為什麼比鋼鐵硬

『壹』 碳納米管的性質

由於碳納米管中碳原子採取SP2雜化，相比SP3雜化，SP2雜化中S軌道成分比較大，使碳納米管具有高模量和高強度。
碳納米管具有良好的力學性能，CNTs抗拉強度達到50～200GPa,是鋼的100倍,密度卻只有鋼的1/6，至少比常規石墨纖維高一個數量級；它的彈性模量可達1TPa，與金剛石的彈性模量相當，約為鋼的5倍。對於具有理想結構的單層壁的碳納米管，其抗拉強度約800GPa。碳納米管的結構雖然與高分子材料的結構相似，但其結構卻比高分子材料穩定得多。碳納米管是目前可制備出的具有最高比強度的材料。若將以其他工程材料為基體與碳納米管製成復合材料, 可使復合材料表現出良好的強度、彈性、抗疲勞性及各向同性，給復合材料的性能帶來極大的改善。
碳納米管的硬度與金剛石相當，卻擁有良好的柔韌性，可以拉伸。在工業上常用的增強型纖維中，決定強度的一個關鍵因素是長徑比，即長度和直徑之比。材料工程師希望得到的長徑比至少是20:1，而碳納米管的長徑比一般在1000:1以上，是理想的高強度纖維材料。2000年10月，美國賓州州立大學的研究人員稱，碳納米管的強度比同體積鋼的強度高100倍，重量卻只有後者的1/6到1/7。碳納米管因而被稱「超級纖維」。
莫斯科大學的研究人員曾將碳納米管置於1011 MPa的水壓下（相當於水下10000米深的壓強），由於巨大的壓力，碳納米管被壓扁。撤去壓力後，碳納米管像彈簧一樣立即恢復了形狀，表現出良好的韌性。這啟示人們可以利用碳納米管製造輕薄的彈簧，用在汽車、火車上作為減震裝置，能夠大大減輕重量。
此外，碳納米管的熔點是已知材料中最高的。 碳納米管上碳原子的P電子形成大范圍的離域π鍵，由於共軛效應顯著，碳納米管具有一些特殊的電學性質。
碳納米管具有良好的導電性能，由於碳納米管的結構與石墨的片層結構相同，所以具有很好的電學性能。理論預測其導電性能取決於其管徑和管壁的螺旋角。當CNTs的管徑大於6nm時，導電性能下降；當管徑小於6nm時，CNTs可以被看成具有良好導電性能的一維量子導線。有報道說Huang通過計算認為直徑為0.7nm的碳納米管具有超導性，盡管其超導轉變溫度只有1.5×10-4K，但是預示著碳納米管在超導領域的應用前景。
常用矢量Ch表示碳納米管上原子排列的方向，其中Ch=na1+ma2，記為（n，m）。a1和a2分別表示兩個基矢。（n，m）與碳納米管的導電性能密切相關。對於一個給定（n，m）的納米管，如果有2n+m=3q（q為整數），則這個方向上表現出金屬性，是良好的導體，否則表現為半導體。對於n=m的方向，碳納米管表現出良好的導電性，電導率通常可達銅的1萬倍。 電弧放電法是生產碳納米管的主要方法。1991年日本物理學家飯島澄男就是從電弧放電法生產的碳纖維中首次發現碳納米管的。電弧放電法的具體過程是：將石墨電極置於充滿氦氣或氬氣的反應容器中，在兩極之間激發出電弧，此時溫度可以達到4000度左右。在這種條件下，石墨會蒸發，生成的產物有富勒烯（C60）、無定型碳和單壁或多壁的碳納米管。通過控制催化劑和容器中的氫氣含量，可以調節幾種產物的相對產量。使用這一方法制備碳納米管技術上比較簡單，但是生成的碳納米管與C60等產物混雜在一起，很難得到純度較高的碳納米管，並且得到的往往都是多層碳納米管，而實際研究中人們往往需要的是單層的碳納米管。此外該方法反應消耗能量太大。有些研究人員發現，如果採用熔融的氯化鋰作為陽極，可以有效地降低反應中消耗的能量，產物純化也比較容易。
發展出了化學氣相沉積法，或稱為碳氫氣體熱解法，在一定程度上克服了電弧放電法的缺陷。這種方法是讓氣態烴通過附著有催化劑微粒的模板，在800~1200度的條件下，氣態烴可以分解生成碳納米管。這種方法突出的優點是殘余反應物為氣體，可以離開反應體系，得到純度比較高的碳納米管，同時溫度亦不需要很高，相對而言節省了能量。但是製得的碳納米管管徑不整齊，形狀不規則，並且在制備過程中必須要用到催化劑。這種方法的主要研究方向是希望通過控制模板上催化劑的排列方式來控制生成的碳納米管的結構，已經取得了一定進展。 在碳納米管制備方法中，聚合反應合成法一般指利用模板復制擴增的方法。
碳納米管的一般制備過程與有機合成反映類似，其副反應復雜多樣，很難保證同一爐碳納米管均為扶手椅式納米管或鋸齒形納米管。科學家發現，在強酸、超聲波作用下，碳納米管可以先斷裂為幾段，再在一定納米尺度催化劑顆粒作用下增殖延伸，而延伸後所得的碳納米管與模板的捲曲方式相同。
於是科學家設想，如果通過這種類似於DNA擴增的方式對碳納米管進行增殖，那麼只需找到少量的扶手椅式納米管或鋸齒形納米管，便可在短時間內復制、擴增出數量幾百萬倍於模板數量的、同類型的碳納米管。這可能會成為制備高純度碳納米管的新方式。 催化裂解法是在600~1000℃的溫度及催化劑的作用下，使含碳氣體原料（如一氧化碳、甲烷、乙烯、丙烯和苯等）分解來制備碳納米管的一種方法。此方法在較高溫度下使含碳化合物裂解為碳原子，碳原子在過渡金屬-催化劑作用下，附著在催化劑微粒表面上形成為碳納米管。催化裂解法中所使用的催化劑活性組分多為第八族過渡金屬或其合金，少量加入Cu、Zn、Mg等可調節活性金屬能量狀態，改變其化學吸附與分解含碳氣體的能力。催化劑前體對形成金屬單質的活性有影響，金屬氧化物、硫化物、碳化物及有機金屬化合物也被使用過。

『貳』 比鋼鐵還硬的材料

1. 碳納米管的硬度超過了鋼鐵。
2. 碳納米管由碳原子構成的圓柱形納米結構，其分子結構賦予了它出色的力學、電學和熱學性能。
3. 在硬度上，碳納米管展現出極高的強度和硬度，遠超傳統鋼鐵材料。
4. 碳納米管的硬度主要來源於其分子結構中碳-碳鍵的強度，這些鍵是已知自然界中最強的化學鍵之一。
5. 與鋼鐵相比，其硬度主要受限於金屬鍵的強度，使碳納米管在硬度上占據顯著優勢。
6. 除了硬度，碳納米管還具備低密度、高彈性模量和高韌性等特點，這些特性使其在眾多領域具有巨大的應用潛力。
7. 例如，在航空航天領域，碳納米管可用於製造輕質且強度極高的復合材料，進而提升飛行器的性能。
8. 總體而言，碳納米管作為一種革命性材料，其卓越的硬度和其他特性預示著其在未來科技領域有著廣闊的應用前景。

『叄』 為什麼碳納米管比鋼鐵硬卻很輕

碳納米管具有典型的層狀中空結構特徵,構成碳納米管的層片之間存在一定的夾角碳納米管的管身是准圓管結構，並且大多數由五邊形截面所組成。管身由六邊形碳環微結構單元組成, 端帽部分由含五邊形的碳環組成的多邊形結構，或者稱為多邊錐形多壁結構。是一種具有特殊結構（徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級、管子兩端基本上都封口）的一維量子材料。它主要由呈六邊形排列的碳原子構成數層到數十層的同軸圓管。層與層之間保持固定的距離，約為0.34nm，直徑一般為2～20nm。由於其獨特的結構，碳納米管的研究具有重大的理論意義和潛在的應用價值，如：其獨特的結構是理想的一維模型材料;巨大的長徑比使其有望用作堅韌的碳纖維，其強度為鋼的100倍，重量則只有鋼的1/6;同時它還有望用作為分子導線，納米半導體材料，催化劑載體，分子吸收劑和近場發射材料等。
編輯於 2021-03-25
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為什麼碳納米管比鋼鐵還結實百倍呢？
因為太納米管看河鋼棍兒比在哪裡使用了你鋼管容易銹，所以她就不不容易比那個差多了，那個碳納米管你用的地方它不容易壞呀。
128贊·1,582瀏覽2020-03-02
碳納米管天梯為什麼會比鋼鐵堅固？
碳納米管t為什麼比鋼鐵堅固？看看鈦納米管那麼說合成的唄，比他鐵還
15贊·424瀏覽2020-03-17
什麼材料的強度比鋼高很多但是重量很輕？
碳納米管與金剛石、石墨、富勒烯一樣，是碳的一種同素異形體。 碳納米管是在1991年1月由日本築波NEC實驗室的物理學家飯島澄男使用高解析度分析電鏡從電弧法生產的碳纖維中發現的[1]。它是一種管狀的碳分子，管上每個碳原子採取SP2雜化，相互之間以碳-碳σ鍵結合起來，形成由六邊形組成的蜂窩狀結構作為碳納米管的骨架。每個碳原子上未參與雜化的一對p電子相互之間形成跨越整個碳納米管的共軛π電子雲。按照管子的層數不同，分為單壁碳納米管和多壁碳納米管。管子的半徑方向非常細，只有納米尺度，幾萬根碳納米管並起來也只有一根頭發絲寬，碳納米管的名稱也因此而來。而在軸向則可長達數十到數百微米。
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石墨，C60，金剛石，碳納米管，這四種物質都很軟，可作滑潤劑，這句話對不對？
這句話是錯誤的。 石墨，層狀結構，層與層之間是pi-pi作用，結合力弱，非常適合做潤滑劑。 C60，又名足球烯，球狀結構，球與球之間作用更弱，理論上適合做超級潤滑劑。 金剛石，原子晶體結構，非常硬，常用金剛石切割金屬，不適合做潤滑劑。 碳納米管，管狀結構，微觀碳納米管非常硬，但是目前合成的長度比較短小，一般就是微米級別，可以做潤滑劑。如果將來做的非常長，就不適合了