納米碳管在現(xiàn)代汽車工業(yè)上的應(yīng)用

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

關(guān)鍵詞：納米碳管；汽車；應(yīng)用

1 納米碳管的結(jié)構(gòu)與性能特點

納米碳管是指由類似石墨的六邊形網(wǎng)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(yīng)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(shù)微米，因此有較大的管徑比。研究表明：納米碳管的晶體結(jié)構(gòu)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(yù)示著同一層碳管內(nèi)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，優(yōu)異的性能，極其廣泛的應(yīng)用范圍和極具潛力的應(yīng)用價值，吸引了全世界科學家的關(guān)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(wěn)定性、本征遷移率和優(yōu)異的磁性能等性能；在磁場發(fā)射性能方面具有極好的場致電子發(fā)射性能；在光學性能方面具有不同于常規(guī)材料的光學性能。[1-2]

2 納米碳管在汽車新能源動力系統(tǒng)上的應(yīng)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(fā)展，最終為電動汽車配套，并真正成為工業(yè)應(yīng)用的非化石發(fā)電的綠色可持續(xù)能源。開發(fā)鋰離子電池主要任務(wù)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(huán)壽命的要求。納米碳管的特殊結(jié)構(gòu)使它可能成為一種優(yōu)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(jié)構(gòu)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(huán)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(yīng)用

汽車輕量化是解決汽車工業(yè)發(fā)展所遇到的能耗、排放和環(huán)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(zhàn)略、汽車工業(yè)可持續(xù)發(fā)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(yīng)該研究成果密切相關(guān)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(yè)中的應(yīng)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(jié)構(gòu)材料中得到應(yīng)用，減輕了汽車自重。納米碳管具有優(yōu)良的力學性能，被認為是理想的復合材料的增強材料。據(jù)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(fā)揮重要作用。[8-9]

4 結(jié)束語

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

參考文獻：

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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(yè)學院，研究方向：從事汽修教學工作。