纳米碳管在现代汽车工业上的应用

摘 要：纳米碳管具有独特的结构和优异的物理与力学性能，在现代工业中拥有广阔的应用前景，在汽车上的应用也倍受关注。本文对纳米碳管在汽车上已有的应用及潜在的应用进行了综述，包括汽车新能源动力系统、轻量化结构材料、多功能复合材料等，希望能够给汽车新技术的开发和新材料的利用提供参考。

关键词：纳米碳管；汽车；应用

1 纳米碳管的结构与性能特点

纳米碳管是指由类似石墨的六边形网格组成的管状物，可以看作是石墨片层绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成。管子一般由单层或多层组成，相应的纳米碳管就称为单壁纳米碳管（SWNT）和多壁纳米碳管（MWNT）。纳米碳管的直径在几微米到几十纳米之间，长度可达数微米，因此有较大的管径比。研究表明：纳米碳管的晶体结构为密排六方（hcp），a=0.24568nm，C=0.6852nm，c/a=2.786，与石墨相比，a值稍小而c值稍大，预示着同一层碳管内原子间有更强的键合力，纳米碳管有极高的同轴向强度。多壁纳米碳管存在三种类型的结构，分别称为单臂纳米管、锯齿形纳米管和手性形纳米管。[2]

纳米碳管以其特殊的结构，优异的性能，极其广泛的应用范围和极具潜力的应用价值，吸引了全世界科学家的关注。纳米碳管，在力学性能方面具有极高的强度、弹性模量和韧性等性能；在电学性能方面具有独特的导电性、很高的热稳定性、本征迁移率和优异的磁性能等性能；在磁场发射性能方面具有极好的场致电子发射性能；在光学性能方面具有不同于常规材料的光学性能。[1-2]

2 纳米碳管在汽车新能源动力系统上的应用

锂离子电池电极材料

目前，锂离子电池正朝高能量密度方向发展，最终为电动汽车配套，并真正成为工业应用的非化石发电的绿色可持续能源。开发锂离子电池主要任务之一是寻找一种合适电极材料，使电池具有足够高的锂嵌入量和很好的锂脱嵌可逆性，以保证电池的高电压、大容量和长循环寿命的要求。纳米碳管的特殊结构使它可能成为一种优良的锂离子电池负极材料。大的层间距使锂离子更容易嵌入脱出，管状结构在反复充放电过程中不会崩塌，但是纳米碳管作为锂离子电池的负极材料首次效率太低。李志杰等将纳米碳管部分地掺入石墨材料中用作锂离子电极材料，二者形成许多纳米级微孔，为锂离子提供了更多的嵌入脱出空间，使可逆容量得以提高，而且纳米碳管可以起到桥梁的作用，增强了材料的导电性。这种电极材料的首次可逆容量为341.8mA·h/g，循环10次后可逆容量保持率为94.5%。[6-7]

3 在轻量化材料中的应用

汽车轻量化是解决汽车工业发展所遇到的能耗、排放和环保的三大问题的在效方法和手段，同时轻量化还能对改善汽车的动力性、一个国家能源战略、汽车工业可持续发展等具有重要影响，而汽车轻量化的实施是和轻量化材料的使用性能和应该研究成果密切相关的，高强度钢、超高强度钢、铝合金、镁合金、塑料和复合材料在汽车工业中的应用不断上升。近年来以聚合物為基体的复合材料已在汽车结构材料中得到应用，减轻了汽车自重。纳米碳管具有优良的力学性能，被认为是理想的复合材料的增强材料。据报导，用熔融混合法制备多壁纳米碳管-尼龙6复合材料，在加入2wt%的多壁纳米碳管时，尼龙6的弹性模量和屈服强度分别提高了214%和162%。采用密炼共混制得纳米碳管-ABS复合材料，其力学性能随着纳米碳管含量的增加而增加，当纳米碳管在复合材料中的含量达到12wt%时，拉伸强度由45.00MPa提高到69.96MPa。杨氏模量由1.35GPa提高到1.93GPa，分别比纯ABS树脂的拉伸强度和杨氏模量提高了43.6%和43.0%。Qian等，用溶液共混法制备了聚苯乙烯-纳米碳管的复合材料，纳米碳管的添加量为1wt%时，复合材料的弹性模量提高36%～42%，拉伸强度提高25%。纳米碳管作为一种高强、低密度又有很好韧性的超级纤维，用做复合材料的增强相，将来会在汽车轻量化中发挥重要作用。[8-9]

4 结束语

纳米碳管在现代汽车工业上的应用前景一片光明，汽车技术的发展有赖于新材料的应用和新技术的发展，纳米材料的发展为现代汽车技术进步提供了有力的支持，纳米碳管是最具开发价值的纳米材料之一，它有许多独特的性质，随着研究的不断深入，应用技术的不断完善，将在汽车技术的进步中发挥重要作用。

参考文献：

[1] 姜靖雯，彭峰.碳纳米管应用研究现状与进展[J].材料科学与工程学报，2003，21（3）：464-468.

[6] 翟秀静，张爱黎，符岩，等.碳纳米管用于锂离子电池负极材料的嵌锂机理研究[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，杨友志.多壁碳纳米管-Cu复合材料的摩擦磨损特性[J].中国有色金属学报，2001，l1（3）：367-371.

[13] 丁志鹏，张孝彬，许国良，等.碳纳米管-铝基复合材料的制备及摩擦性能研究[J].浙江大学学报（工学版），2005，39（11）：1811-l815.

作者简介：

熊纯辉（1984-），男，湖南，汉族，职称：初级讲师，学历：学士，单位：湖南省汽车工程职业学院，研究方向：从事汽修教学工作。