自1991年被发现至今，碳纳米管因其具有优良的力学性能、独特的电学性能而受到全世界研究人员的广泛关注，并在纳米电子器件、材料增韧等各方面取得一系列重要进展。

图1 碳纳米管（图片来源：搜狐网）

此后，氮化硼纳米管被发现，两者结构相似，且均具有极高的弹性模量和强度，但电子特性却大相径庭，使其在不同的领域均有用武之地。

图2 氮化硼纳米管（图片来源：搜狐网）

为了更好地了解两种纳米管，本文主要通过电学、力学的角度对两种纳米管的性能及其应用进行综述。

结构相似的双胞胎

单壁碳纳米管是一种理想的一维结构，可以看作是一层石墨片卷曲而成的无缝中空管。按照单层卷曲方向（手性数C（n，m））的不同，单壁碳纳米管可以分成不同的手性，即扶手椅型（m=n）、锯齿型（m=0）、螺旋型（m≠n且m≠0）。

氮化硼纳米管可以看作碳纳米管中各个原子的位置保持不变，而“C-C”原子对被“B-N”取代而成，原子间距几乎没有改变。它也可以看作是由单层地氮化硼片层卷曲而成的无缝管状结构，其手性地定义和卷曲的方法也均与碳纳米管接近。

图3 碳纳米管和氮化硼纳米管的原子结构示意图（图片来源：北科光大网）

力学性质及其应用

南京航天航空大学的沈海军教授采用分子动力学方法，模拟了(10,10)碳纳米管和氮纳米管及其纳米豆荚的轴向拉伸与压缩，并给出了两种纳米管的力学性能参数表格，如表1所示。通过表1可以直观地看出，实验中的碳管的拉伸强度达到74.4GPa，BN管拉伸强度19.5GPa，均远远高于一般钢材（普通碳素钢Q235的拉伸强度仅仅在373～461MPa之间）。拉伸时，实验中碳管的失效应变达到17.9％，表现出很好的塑性，而BN管的塑性相对较差。压缩方面，两种纳米管的压缩强度大，但是压缩失效应变较小。弹性模量方面，碳管和BN管均在0.7TPa左右，远大于钢材200GPa左右的弹性模量，与金刚石的弹性模量相当。

表1 碳管和BN管的力学性能对比

需要说明的是，碳纳米管和氮化硼纳米管中存在很多缺陷，由于测量依据和实验方法不同，造成两种纳米管的力学性能在不同文献中有较大出入。但是，可以肯定的是，两种纳米管的力学性能优良，弹性模量很高，为普通钢材的3～5倍，接近金刚石；拉伸变形时表现出很好的塑性，在高应变量时，仍表现出很好的韧性；拉伸压缩破坏应力为普通钢材的数十倍。

两种纳米管高强度、高弹性模量和高韧性使其均可应用于高强度纤维材料。此外，值得一提的是，由于氮化硼纳米管中的硼-氢键是饱和的，所以它不容易和其它的分子发生反应，化学稳定性要比碳纳米管好。碳纳米管在空气氛围下，450~500℃就开始氧化，而氮化硼纳米管到950℃才开始氧化为B₂O₃。由于氮化硼拥有优良力学性能的同时，化学性质稳定，使其还能应用于苛刻环境下的涂料等。

例如，美国国家航空暨太空总署（NASA）与美国宾汉顿大学成功研制出氮化硼散热涂料成功应用于超音速飞机“协和号”，以支持其2474公里的时速。研究表明，氮化硼纳米管可承受900℃的高温，让飞机以时速6400公里飞行。

图2 超音速飞机“协和号”，其表面材制能承受高达127℃的摩擦高温

电学性质及其应用

由于原子结构非常特殊，碳纳米管具有奇特的电学性质，不同手性的碳纳米管具有不同的导电性。所有的扶手椅型单臂碳纳米管都是金属性的，而对于其它的（n，m）型单臂碳纳米管，当n-m为3的整数倍时，是能隙很小的半导体，其它的则均是间隙较大的半导体，且能隙与管径成反比。

碳纳米管把石墨的半金属性质与能级和电子波的量子规律有机地结合起来，在碳纳米管周围传播的电子只有特定波长的被保留下来，其它的则可能完全抵消，并且电子只能在单层石墨片中沿碳纳米管的轴向运动，径向运动受到限制，小直径碳纳米管的量子效应尤其明显，实验中已经发现单臂碳纳米管是真正的量子导线。由于其优异的电学性质，碳纳米管可以用来制作各种纳米电子器件，如纳米开关、场效应管、纳米逻辑电路等。

美国威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员开发出的新型高性能碳纳米管晶体管成功突破纯度和阵列控制两大难题，在开关速度上获得了比普通晶体管快1000倍。这是由于当碳纳米管作为一种半导体材料，电子在碳纳米管内的移动比硅晶体管快得多。此外，碳纳米管六边形网格，可以用来制造柔性显示器和电子设备，经得起拉伸和弯曲，让电子设备能够集成到衣服或其它可穿戴设备上。

虽然氮化硼纳米管结构上与碳纳米管极其相似，但是在电学性质上具有很大差异。研究表明，不论氮化硼纳米管直径、管壁层数和手性如何变化，其能级间隙均约为5.5电子伏特，呈现出半导体性质，并且它的能级间隙可以通过几何变形或者施加外加电场的方式来调节，因此氮化硼纳米管既可以作为绝缘材料，比如纳米导线的绝缘外壳，也可以用作纳米电子器件。

美国密歇根理工大学物理学家叶玉金团队将石墨烯和氮化硅结合，在单分子层石墨烯表面蚀刻出许多小针孔，然后往针孔内引入氮化硼碳纳米管，融合后的混合材料看起来像一层树皮上长着不规则的稀薄头发。由于石墨烯薄层导电快，而纳米管内的原子结构会阻止电子流动，混合材料因此具有了能间差，这些能隙差成为调控并组织电子流动的关键，两种材料之间的接触点被称为“异质结”，这些异质结就是数字开关。这种新型电子开关具有更高的转换系数，其开关速度比现有的石墨烯转换器高几个数量级，这将加快电子产品和计算机的开发步伐。

小结

综合两种纳米管相似的力学性能、迥异的电学性能，我们可以得出以下结论：

1. 氮化硼纳米管不论直径、管壁层数和手性如何变化，都有着大体一致的带隙宽度(约为5.5电子伏特)，呈现出半导体性质；碳纳米管带隙宽度会敏感地随着纳米管直径和手性发生变化，呈现出金属性质或半导体性质。

2. 两种纳米管独特的电学性质使其在纳米电子元件领域都有用武之地，而氮化硼纳米管还可作为绝缘材料。

3. 两种纳米管均具有高弹性模量、高强度、高韧性，都可以用于制造刀具和模具，还可作为纳米结构的陶瓷、高强度纤维材料等。此外，碳纳米管力学性能稍优于氮化硼纳米管，而氮化硼纳米管化学稳定性更好，还可应用于特殊环境下复合材料增强相、涂料等。

参考文献

氮化硼纳米管惨杂碳原子的电子性能研究；昆明理工大学，霍萌。

氮化硼纳米管的化学气相制备研究；上海大学，王良杰。

碳和氮化硼纳米管的物理力学性能和器件原理；南京航天航空大学，戴意涛。

碳纳米管的电学性质；重庆大学，饶早英，王蜀霞，牛君杰，杨云青，胡慧君。

碳纳米管的电学和力学理论研究；西安交通大学，刘兴辉，朱长纯，李玉魁。

By：火宣