奈米多層碳管

奈米碳管是一個奈米級管狀物質，結構如圖2-6，具有特殊的物性 及化性，並以純碳的形式存在。這十多年來，日本、美國許多研究奈米 科學及碳材料的學術界、工業界，已經開始探討它的物質特性、應用性，

研發出奈米碳管的相關元件，及奈米碳管所衍生出來的新材料。

圖2-6 奈米碳管結構分析圖（資料來源／明鑫科技）

奈米碳管有許多新的特性，如：質量輕、高強度、高韌性、高表面 積、高熱傳導性，因此，有了許多新的應用，例如平面顯示器目前已進 入試做階段。飯島澄男更大膽評估，2005 到 2010 年期間就可製造出省 電、厚度僅數公釐的大畫面顯示器。此外，奈米碳管也可作為飛機、太 空梭的新複合材料，或者是製造氫汽車的燃料電池；以目前的發展情勢 來看，奈米碳管雖然還在實驗室階段，不過未來將是一項使用性極高的 新材料。

過去，矽材料取代了鐵；未來奈米碳管的優勢將有可能取代矽材 料，成為尖端產業的骨幹材料。專家預言，未來奈米碳管市場值可達 1000 億美元。美國最大創投雜誌《Red Herring》預估，要實現這樣的 美夢，看來還要花好幾年時間，不過腳步已經不遠了。

2-1-6-1 奈米碳管的特性

奈米碳管具有獨特機械、電子、光電、熱傳導和化學等特性。就 機械性質而言，奈米碳管是一個非常強韌的物質，它的機械強度非常 好而且在反覆彎曲後也不容易斷裂；以單壁奈米碳管為例，它的強度 約為鋼的10-100 倍，但是重量卻只有鋼的 1/6，是一種輕且機械強度 非常好的材料。奈米碳管的導電特性，是依據碳管的結構參數不同，

讓它具有導電性或是半導體的特性，若讓電子產生量子效應現象，可 做成量子導線，比一般的材料更能承受較大的電流強度。另外，量子 現象可以使奈米碳管在極小的電壓下激發出電子（場發射電子），所 以可以做為平面場發射顯示器（Field Emission Display）的電極材料。

在熱性質方面，它也具備良好的傳熱特性，可以做為很好的導熱、散 熱材料，而且熱穩定性高，在真空下奈米碳管可承受約2800^oC 的溫 度，在一般大氣下（含21％氧氣），也可維持約在 750^oC 溫度下，不 被燃燒分解。

2-1-6-2 奈米碳管在複合材料上的應用

許多研究者已將奈米碳管和高分子、金屬或陶磁材料混合製成重 量輕且高強度的新式複合材料，未來這些材料可以使用在太空梭、汽

車等高科技產品的應用上。雖然碳管有優越的機械特性，可是高純度 奈米碳管的平滑表面，使得它無法與其它物質很密切的接合，以高分 子為例，所做出之複合材料在兩物質的接著處就特別脆弱，若施與外 力，材料就很容易剝落，研究人員利用混入碳的不純物，使其具有較 好的接著性；或者利用電漿法、氧化法、超臨界反應法在其管壁上試 著加上一些官能基，使其能夠和高分子接著良好。此外，複合材料要 求大量的奈米碳管，廉價的量產技術也是左右複合材料應用成否的因 素。另外，利用奈米碳管作為樹脂的填充材料，則可以製作成導電高 分子，這也是在光電材料上很好的應用。奈米碳管是以奈米的尺寸存 在，若平均分散在單位面積上將會有很大的表面積，研究人員就以這 個特性，讓奈米碳管成為一個很好的吸附材料，特別是在氫的吸附方 面，將大量的氫吸附在奈米碳管的管壁上，可以做為燃料電池所需的 儲氫材料，以增加單位面積的儲氫量；再者，將作為催化劑的奈米碳 管當成燃料電池的電極，將使電池發揮更大的效能，成為次世代新的 乾淨能源。