碳纳米管及其宏观体材料

2023-02-27 15:44 碳垣科技

碳纳米管,又名巴基管,是一种具有特殊结构(径向尺寸为纳米量级,轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口)的一维量子材料。1985 年,足球结构的C60 一经发现即吸引了全世界的目光,Kroto H. W.Smalley R. E.、和Curl R. F.亦因共同发现C60 并确认和证实其结构而获得1996 年诺贝尔化学奖。在富勒烯研究推动下,1991 年一种更加奇特的碳结构——碳纳米管被日本电子公司(NEC)的饭岛博士发现。

它主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离,约0.34nm,直径一般为220nm。碳纳米管不总是笔直的,而是局部区域出现凸凹现象,这是由于在六边形编织过程中出现了五边形和七边形。除六边形外,五边形和七边形在碳纳米管中也扮演重要角色。根据碳六边形沿轴向的不同取向可以将其分成锯齿形、扶手椅型和螺旋型三种。其中螺旋型的碳纳米管具有手性,而锯齿形和扶手椅型碳纳米管没有手性。


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单壁和多壁碳纳米管结构示意图


碳纳米管根据其制备工艺的不同,可得到不同类型的宏观体材料,主要包括碳纳米管薄膜、纤维、气凝胶和粉末。不同类型的碳纳米管宏观材料可在不同领域表现出各具特色的应用。

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碳纳米管宏观材料


碳纳米管纤维本征优越性能使其有着广阔的应用前景。经过多年的努力,碳纳米管纤维已实现了工业化生产,这为碳纳米管纤维在电子器件、储能、健康管理、军事及航空航天等领域的实际应用打下了坚实的基础。与碳纤维相比,碳纳米管纤维将可呈现更优良的性能。研究表明,除了具有碳纤维的基本性质以外,碳纳米管的密度更轻,仅有钢的1/6;力学性能更强,因具有一维纳米结构,其力学强度比碳纤维至少高一个数量级,可达150 GPa,弹性模量可达1 TPa。因此,以碳纳米管为基础材料制备碳纳米管纤维已被视为未来高性能纤维发展的重要方向。近来的研究成果也已证明,将碳纳米管高取向地组装成的宏观尺度的碳纳米管纤维材料的抗拉强度可达10 GPa,已成为目前“轻、强、高塑性”的纤维材料,这一材料的研制将会极大推动超细纤维及新一代结构功能复合材料领域的发展。

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碳纳米管纤维及其基于碳纳米管纤维的电池制备示意图


碳纳米管薄膜具备优异的电热转化特性,且轻薄、柔软、耐水洗,与织物有非常好的相容性,是可穿戴加热的理想材料。单壁碳纳米管(SWCNT)相互搭接形成的二维网络结构具有柔韧、透明、导电等特点,制备的透明的碳纳米管薄膜可以用于触控屏、平板显示器、光伏电池、有机发光二极管等电子和光电子器件。碳纳米管薄膜还可以应用于柔性压力传感器。另外,柔性轻量化、厚度小、机械性能优异、可靠性优异的高性能电磁干扰屏蔽材料是第五代(5G)通信领域的高度要求,但制造难度极高,碳纳米管薄膜具有优异的机械性能和超高的屏蔽效能,是制备轻质屏蔽膜的理想材料。


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碳纳米管电热膜、透明膜及其有机发光二极管方向的应用



碳纳米管气凝胶由于其多孔结构在保温隔热材料、吸附、催化、储氢、超级电容器等领域存在巨大的应用潜力。碳纳米管粉末最为突出的应用是作为导电剂应用,其作为一种新型导电剂材料,比传统导电剂能更好地提高正极活性物质的导电性。通常而言,炭黑导电剂在正极材料中的添加量通常为3%左右,而碳纳米管新型导电剂的添加量可降低至0.5%~1.0%左右,提升正极活性物质填充量和锂离子电池能量密度。

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中国动力锂电池碳纳米管导电浆料产值分析及预测