碳纖維和碳納米管（Carbon NanoTube，CNT）都具有碳系的類似結(jié)構(gòu)，不過(guò)，就目前具體用途和應(yīng)用領(lǐng)域而言，兩者是存在顯著不同的。
在本文中將會(huì)介紹碳纖維與CNT的結(jié)構(gòu)、性能與應(yīng)用的區(qū)別，重點(diǎn)介紹了為何CNT無(wú)法用于連續(xù)的增強(qiáng)材料。
1、碳纖維和碳納米管特性對(duì)比
表1對(duì)比分析了碳纖維和CNT主要結(jié)構(gòu)、制備工藝及應(yīng)用。從微觀結(jié)構(gòu)上，碳纖維具有石墨結(jié)構(gòu)，而碳納米管CNT是將這種石墨結(jié)構(gòu)彎曲閉合從而形成一種直徑為納米級(jí)的圓柱形材料。
CNT的密度是鋁的一半，而強(qiáng)度大約是鋼的20倍。另外，它具備銅的1000倍以上的電流密度耐受性。CNT有單層的和多層的，現(xiàn)在生產(chǎn)的幾乎都是多層的。
無(wú)論是實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)的初始時(shí)間還是在生產(chǎn)量方面，碳纖維都算是CNT的前輩，它通常作為塑料等基體的增強(qiáng)材料被廣泛應(yīng)用。
與之相比，CNT大多用作添加劑以充分利用其優(yōu)異的導(dǎo)電性，它可以作為鋰離子電池等導(dǎo)電助劑使用。目前，CNT還無(wú)法作為增強(qiáng)材料使用。
2、為何CNT不能用于增強(qiáng)材料
從微觀結(jié)構(gòu)上，CNT與碳纖維均是由石墨結(jié)構(gòu)組成，這種結(jié)構(gòu)賦予兩者優(yōu)異的力學(xué)性能和其他性能，但是為什么CNT不能作為增強(qiáng)材料使用呢？
其主要原因在于兩者的長(zhǎng)度不同。碳纖維生產(chǎn)的長(zhǎng)度沒(méi)有上限，長(zhǎng)度數(shù)百米的碳纖維制造起來(lái)也很容易。
與之相比，CNT的長(zhǎng)度通常為幾十微米左右，即使比較長(zhǎng)的CNT最多也才數(shù)百微米左右，由于長(zhǎng)度不到1mm，所以不能作為通常的增強(qiáng)纖維使用。
3、提高CNT長(zhǎng)度的新技術(shù)
為了提高CNT的生產(chǎn)長(zhǎng)度，住友電工等開發(fā)了一種新技術(shù)，使得上述狀況得到改善。
通過(guò)住友電工與筑波大學(xué)的共同研究發(fā)現(xiàn)，能夠形成長(zhǎng)度為幾厘米、遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)現(xiàn)有產(chǎn)品長(zhǎng)度的CNT，目前該公司正在推進(jìn)長(zhǎng)CNT的實(shí)用化研究。
住友電工的CNT同樣采用了CVD（化學(xué)氣相法），屬于現(xiàn)有制備工藝的范疇。那么，它又與傳統(tǒng)方法有什么不同呢？該公司公開的工藝方法如下圖所示。
從圖中由左向右，作為原料的甲烷氣體與作為載體氣體的氫氣一起流動(dòng)，在催化劑鐵納米粒子的存在下放置在約1000℃的高溫下，從右側(cè)的出口到回收CNT的點(diǎn)與以往的方法則共通。
但是，該公司在加熱爐內(nèi)設(shè)置了陶瓷蜂窩，可使原料流通過(guò)該蜂窩，即控制原料流通過(guò)狹窄的空間。這一點(diǎn)與以往的方法不同，從而實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)CNT的制備。
至于其原因，該公司解釋為“由于與催化劑納米粒子一起成長(zhǎng)中的CNT隨高速的氣體流動(dòng)，沿著狹小的通道成長(zhǎng)，在流動(dòng)方向和垂直方向存在的大的氣體的速度差可以賦予拉伸應(yīng)力”。另外，該公司與筑波大學(xué)共同申請(qǐng)了關(guān)于該CNT的制備方法的專利。
4、CNT纖維性能
住友電工獲得了長(zhǎng)CNT，作為其集合線（在上圖中，通過(guò)蜂窩形成的纖維的集合體）的拉伸強(qiáng)度以良好的再現(xiàn)性突破到了6GPa以上，而目前市售碳纖維的拉伸強(qiáng)度在3-7GPa的范圍內(nèi)，這種長(zhǎng)CNT性能已經(jīng)與之相接近。
另外，與彎曲容易斷裂的碳纖維不同，這種長(zhǎng)CNT不發(fā)生彎曲斷裂，也可以像釣魚線結(jié)一樣。在碳纖維無(wú)法覆蓋的領(lǐng)域，它也有可能作為增強(qiáng)材料發(fā)揮作用。
