自1991年被發現至今，碳納米管因其具有優良的力學性能、獨特的電學性能而受到全世界研究人員的廣泛關注，并在納米電子器件、材料增韌等各方面取得一系列重要進展。

圖1 碳納米管（圖片來源：搜狐網）

此后，氮化硼納米管被發現，兩者結構相似，且均具有極高的彈性模量和強度，但電子特性卻大相徑庭，使其在不同的領域均有用武之地。

圖2 氮化硼納米管（圖片來源：搜狐網）

為了更好地了解兩種納米管，本文主要通過電學、力學的角度對兩種納米管的性能及其應用進行綜述。

結構相似的雙胞胎

單壁碳納米管是一種理想的一維結構，可以看作是一層石墨片卷曲而成的無縫中空管。按照單層卷曲方向（手性數C（n，m））的不同，單壁碳納米管可以分成不同的手性，即扶手椅型（m=n）、鋸齒型（m=0）、螺旋型（m≠n且m≠0）。

氮化硼納米管可以看作碳納米管中各個原子的位置保持不變，而“C-C”原子對被“B-N”取代而成，原子間距幾乎沒有改變。它也可以看作是由單層地氮化硼片層卷曲而成的無縫管狀結構，其手性地定義和卷曲的方法也均與碳納米管接近。

圖3 碳納米管和氮化硼納米管的原子結構示意圖（圖片來源：北科光大網）

力學性質及其應用

南京航天航空大學的沈海軍教授采用分子動力學方法，模擬了(10,10)碳納米管和氮納米管及其納米豆莢的軸向拉伸與壓縮，并給出了兩種納米管的力學性能參數表格，如表1所示。通過表1可以直觀地看出，實驗中的碳管的拉伸強度達到74.4GPa，BN管拉伸強度19.5GPa，均遠遠高于一般鋼材（普通碳素鋼Q235的拉伸強度僅僅在373～461MPa之間）。拉伸時，實驗中碳管的失效應變達到17.9％，表現出很好的塑性，而BN管的塑性相對較差。壓縮方面，兩種納米管的壓縮強度大，但是壓縮失效應變較小。彈性模量方面，碳管和BN管均在0.7TPa左右，遠大于鋼材200GPa左右的彈性模量，與金剛石的彈性模量相當。

表1 碳管和BN管的力學性能對比

需要說明的是，碳納米管和氮化硼納米管中存在很多缺陷，由于測量依據和實驗方法不同，造成兩種納米管的力學性能在不同文獻中有較大出入。但是，可以肯定的是，兩種納米管的力學性能優良，彈性模量很高，為普通鋼材的3～5倍，接近金剛石；拉伸變形時表現出很好的塑性，在高應變量時，仍表現出很好的韌性；拉伸壓縮破壞應力為普通鋼材的數十倍。

兩種納米管高強度、高彈性模量和高韌性使其均可應用于高強度纖維材料。此外，值得一提的是，由于氮化硼納米管中的硼-氫鍵是飽和的，所以它不容易和其它的分子發生反應，化學穩定性要比碳納米管好。碳納米管在空氣氛圍下，450~500℃就開始氧化，而氮化硼納米管到950℃才開始氧化為B₂O₃。由于氮化硼擁有優良力學性能的同時，化學性質穩定，使其還能應用于苛刻環境下的涂料等。

例如，美國國家航空暨太空總署（NASA）與美國賓漢頓大學成功研制出氮化硼散熱涂料成功應用于超音速飛機“協和號”，以支持其2474公里的時速。研究表明，氮化硼納米管可承受900℃的高溫，讓飛機以時速6400公里飛行。

圖2 超音速飛機“協和號”，其表面材制能承受高達127℃的摩擦高溫

電學性質及其應用

由于原子結構非常特殊，碳納米管具有奇特的電學性質，不同手性的碳納米管具有不同的導電性。所有的扶手椅型單臂碳納米管都是金屬性的，而對于其它的（n，m）型單臂碳納米管，當n-m為3的整數倍時，是能隙很小的半導體，其它的則均是間隙較大的半導體，且能隙與管徑成反比。

碳納米管把石墨的半金屬性質與能級和電子波的量子規律有機地結合起來，在碳納米管周圍傳播的電子只有特定波長的被保留下來，其它的則可能完全抵消，并且電子只能在單層石墨片中沿碳納米管的軸向運動，徑向運動受到限制，小直徑碳納米管的量子效應尤其明顯，實驗中已經發現單臂碳納米管是真正的量子導線。由于其優異的電學性質，碳納米管可以用來制作各種納米電子器件，如納米開關、場效應管、納米邏輯電路等。

美國威斯康星大學麥迪遜分校的研究人員開發出的新型高性能碳納米管晶體管成功突破純度和陣列控制兩大難題，在開關速度上獲得了比普通晶體管快1000倍。這是由于當碳納米管作為一種半導體材料，電子在碳納米管內的移動比硅晶體管快得多。此外，碳納米管六邊形網格，可以用來制造柔性顯示器和電子設備，經得起拉伸和彎曲，讓電子設備能夠集成到衣服或其它可穿戴設備上。

雖然氮化硼納米管結構上與碳納米管極其相似，但是在電學性質上具有很大差異。研究表明，不論氮化硼納米管直徑、管壁層數和手性如何變化，其能級間隙均約為5.5電子伏特，呈現出半導體性質，并且它的能級間隙可以通過幾何變形或者施加外加電場的方式來調節，因此氮化硼納米管既可以作為絕緣材料，比如納米導線的絕緣外殼，也可以用作納米電子器件。

美國密歇根理工大學物理學家葉玉金團隊將石墨烯和氮化硅結合，在單分子層石墨烯表面蝕刻出許多小針孔，然后往針孔內引入氮化硼碳納米管，融合后的混合材料看起來像一層樹皮上長著不規則的稀薄頭發。由于石墨烯薄層導電快，而納米管內的原子結構會阻止電子流動，混合材料因此具有了能間差，這些能隙差成為調控并組織電子流動的關鍵，兩種材料之間的接觸點被稱為“異質結”，這些異質結就是數字開關。這種新型電子開關具有更高的轉換系數，其開關速度比現有的石墨烯轉換器高幾個數量級，這將加快電子產品和計算機的開發步伐。

小結

綜合兩種納米管相似的力學性能、迥異的電學性能，我們可以得出以下結論：

1. 氮化硼納米管不論直徑、管壁層數和手性如何變化，都有著大體一致的帶隙寬度(約為5.5電子伏特)，呈現出半導體性質；碳納米管帶隙寬度會敏感地隨著納米管直徑和手性發生變化，呈現出金屬性質或半導體性質。

2. 兩種納米管獨特的電學性質使其在納米電子元件領域都有用武之地，而氮化硼納米管還可作為絕緣材料。

3. 兩種納米管均具有高彈性模量、高強度、高韌性，都可以用于制造刀具和模具，還可作為納米結構的陶瓷、高強度纖維材料等。此外，碳納米管力學性能稍優于氮化硼納米管，而氮化硼納米管化學穩定性更好，還可應用于特殊環境下復合材料增強相、涂料等。

參考文獻

氮化硼納米管慘雜碳原子的電子性能研究；昆明理工大學，霍萌。

氮化硼納米管的化學氣相制備研究；上海大學，王良杰。

碳和氮化硼納米管的物理力學性能和器件原理；南京航天航空大學，戴意濤。

碳納米管的電學性質；重慶大學，饒早英，王蜀霞，牛君杰，楊云青，胡慧君。

碳納米管的電學和力學理論研究；西安交通大學，劉興輝，朱長純，李玉魁。

By：火宣