1 研究背景

复合材料作为新材料中的一员，能够结合两种或多种不同材料各自的特点，因而在能源短缺的现代社会中起着举足轻重的作用。复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的材料（基体和增强体）组成，能够满足单一材料所不能实现的工艺要求，研究复合材料具有重要的意义。材料中连续相一般称为基体主要起起支撑保护作用，以一定形态分散于基体中且具备特定功能的称为增强体，起着材料的增强作用。同时，伴随着纳米材料的迅速发展，纳米复合材料作为一种新材料，尤其是碳纳米管，在诸多领域起着独特的作用。

碳纳米管^[1]碳纳米管又叫巴基管，是日本科学家 Iijima^[32]在 1991 年发现的一种纳米管状纤维。碳纳米管以 SP2 杂化为主，化学性能稳定，物理强度大，比表面积相对高，孔洞丰富均匀，质量密度低，良好的热导率以及电导率^[2]。碳纳米管有单壁与多壁碳纳米管之分，本文主要介绍多壁碳纳米管在超级电容器中的应用。碳纳米管作为一种一维纳米材料，具有轻质高强的特点，六边形结构连接完美，因其具有优异的力学、电化学性能而受到科学工作者的广泛关注。它既可作为高附加值的功能材料使用，也可作为复合材料的增强体^[1]。

在碳纳米管的相关研究已取得突破性进展的今天，国内科技界应该予以足够的关注，加大研究与开发的力度，使碳纳米管及其复合材料能尽早应用于我国国民经济的各部门，提高国民生产力。

2 碳纳米管的结构与性能

碳纳米管是由单层或多层石墨片围绕同一中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管结构，两端通常被由五元环和七元环参与形成的半球形大富勒烯分子封住，每层纳米管的管壁是一个由碳原子通过 sp2杂化与周围 3 个碳原子完全键合后所构成的六边形网络平面所围成的圆柱面 ( 图 1)^[2]。CNT 根据管状物的石墨片层数可以分为单壁碳纳米管 ( single-walled carbon nanotubes，SWNTs) 和多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotubes，MWNTs)^[1-2]。

碳纳米管具有许多优异的性质，例如其直径大小分布范围小、缺陷少，具有更高的均匀一致性，是理想的分子纤维． SWNT 的管径一般为0. 7～3. 0 nm，长度为1～50 m，是一种理想的纳米通道，可用作储氢材料、半导体及场发射材料等^[3]。

碳纳米管是优良的一维介质，其主要成键结构是管壁上sp2杂化的碳六边形石墨烯网络结构，π电子能在其上高速传递，而且由于碳纳米管的特殊管状结构，管壁上的石墨片经过了一定角度的弯曲，导致量子限域和σ-π再杂化，其中3个σ键稍微偏离平面，而离域的π轨道则更加偏离管的外侧，这使得π电子能集中在碳纳米管管壁外表面上( 轴向) 高速流动，但在径向上，由于层与层之间存在较大空隙，电子的运动受限，因此它们的波矢是沿轴向的，这种特殊的结构使得碳纳米管具有优异的电学性能，可用于量子导线和晶体管等^[3-4]。

此外，碳纳米管比表面积大，结晶度高，导电性好，微孔大小可通过合成工艺加以控制，交互缠绕可形成纳米尺度的网状结构，因而是一种理想的电双层电容器电极材料。由于碳纳米管具有开放的多孔结构，并能在与电解质的交界面形成双电层，从而聚集大量电荷，因而具有很高的容量和循环寿命，功率密度可达 8 000 W/kg。其在不同频率下测得的电容容量分别为102 F/g ( 1 Hz) 和49 F/g ( 100Hz)^［29］。碳纳米管超级电容器是已知的最大容量的电容器，存在巨大的商业价值。^[1-4]