材料選用、設計與前沿

奈米碳管

奈米碳管是把一張一個原子厚的碳薄片,捲成無縫的管子——直徑只有幾奈米,卻可以很長。想像把鐵絲網捲成吸管,只是這裡的「鐵絲」是一個個鎖在六邊形網格裡的碳原子。

結構上它就是捲起來的石墨烯薄片:管壁是排成六邊形的碳,每個鍵都是共價鍵。一根無缺陷的管抗拉強度可逼近 100 GPa(是鋼的許多倍),楊氏模數約 1 TPa,而且依薄片捲起的確切角度(掌性/chirality)不同,它可以表現得像金屬或像半導體。管有單壁與多壁(管中還套著管)之分。

為什麼重要:奈米碳管是已知最強的纖維之一,又能導電。但要誠實:單一支管很驚人,真實的繩束或複合材料卻遠遠達不到——缺陷、排列不齊,加上管與管之間載荷傳遞很差(它們會互相滑開),會讓可用強度掉好幾個數量級。成本,以及要讓它們均勻分散,至今仍是難題。

想像把一張一個原子厚的碳薄片,捲成一根直徑 2 奈米、卻長達數微米的管子。每個碳都以共價鍵連到三個鄰居,所以拉這根管子就是直接拉那些鍵:一根無缺陷的管抗拉強度可逼近 100 GPa,約是高強度鋼的 50 倍,密度卻只有約六分之一。

一張無縫捲起的碳薄片,是已知最強的纖維之一——以單管而論。

那個亮眼的強度是就一根完美單管而言;在真實的繩束或複合材料裡,缺陷、排列不齊,加上管與管之間容易滑動,會讓可用強度掉好幾個數量級。

又稱
CNT碳奈米管