碳納米管屬于一維納米材料，具有高強(qiáng)度和高導(dǎo)電導(dǎo)熱性的優(yōu)秀性能，其下游應(yīng)用主要涵蓋新能源汽車產(chǎn)業(yè)、3C數(shù)碼產(chǎn)業(yè)、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)、電力基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域。碳納米管的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用需求最主要來(lái)自鋰電池和導(dǎo)電塑料領(lǐng)域，其中來(lái)自鋰電池的需求超過(guò)80%。那么碳納米管為什么能被譽(yù)為“崛起的千億級(jí)新材料”呢？文本將帶您詳細(xì)了解。
01碳納米管概述
碳納米管（Carbonnanotube，CNTs）是一種典型的一維納米材料，是材料科學(xué)領(lǐng)域多年的研究熱點(diǎn)之一。碳納米管是晶形碳的一種同位素異形體，從結(jié)構(gòu)上為蜂巢狀的一維納米空心管，其中C-C原子以sp2雜化構(gòu)成共價(jià)鍵。根據(jù)碳納米管的管壁數(shù)，可分為單壁碳納米管（SWCNT）和多壁碳納米管（MWCNT），而根據(jù)碳納米管的結(jié)構(gòu)特征又可分為扶手椅形、鋸齒形和螺旋型三種，其中螺旋型碳納米管具有手性，而鋸齒形和扶手椅型碳納米管沒有手性。
圖：?jiǎn)伪谔技{米管和多壁碳納米管的結(jié)構(gòu)示意圖
碳納米管重量輕，六邊形結(jié)構(gòu)連接完美，具有許多優(yōu)異的力學(xué)性能、導(dǎo)電性能和化學(xué)性能。具體而言，碳納米管的電導(dǎo)率高達(dá)108 S?m-1，是銅金屬的一萬(wàn)倍；常溫下熱導(dǎo)率通常在3000 W?(m?K)-1以上，遠(yuǎn)超其它金屬材料；碳納米管密度僅為鋼的1/6，但抗拉強(qiáng)度卻是鋼的100倍，最高可達(dá)200Gpa；彈性模量達(dá)1.34Tpa，與金剛石相當(dāng)，是鋼的5倍。除此之外，碳納米管還具有彈性高、比表面積大、穩(wěn)定性好和抗疲勞性能等。近些年隨著對(duì)碳納米管的深入研究，其廣闊的應(yīng)用前景也不斷地展現(xiàn)出來(lái)。
02碳納米管的性能優(yōu)勢(shì)
最高的比強(qiáng)度：連接碳納米管中碳原子的共價(jià)鍵是自然界最穩(wěn)定的化學(xué)鍵。碳納米管有極高的抗拉強(qiáng)度和彈性模量，與此同時(shí)，碳納米管的密度卻只有鋼的1/6，是目前可以制備出的具有最高比強(qiáng)度的材料。
強(qiáng)柔韌性：碳納米管強(qiáng)度高卻不脆。彎曲碳納米管或在軸向?qū)ζ涫┘訅毫r(shí)，即使外力超過(guò)Euler強(qiáng)度極限或彎曲強(qiáng)度，碳納米管也不會(huì)斷裂，而是首先發(fā)生大角度彎曲，當(dāng)外力釋放后，碳納米管又恢復(fù)原狀。
良好的導(dǎo)電性：碳納米管的結(jié)構(gòu)與石墨的片層結(jié)構(gòu)相同，具有良好的導(dǎo)電性。碳納米管的電阻和其長(zhǎng)度及直徑無(wú)關(guān)，電子通過(guò)碳納米管時(shí)不會(huì)產(chǎn)生熱量加熱碳納米管。電子在碳納米管中的傳輸就像光信號(hào)在光學(xué)纖維電纜中傳輸一樣，能量損失微小，是優(yōu)良的電池導(dǎo)電劑。
儲(chǔ)氫性能良好：碳納米管本身具有高比表面積，再經(jīng)過(guò)處理后具有優(yōu)異的儲(chǔ)氫能力。
優(yōu)越的嵌鋰特性：碳納米管的中空管腔、管與管之間的間隙、管壁中層與層之間的空隙及管結(jié)構(gòu)中的各種缺陷，為鋰離子提供了豐富的存儲(chǔ)空間和運(yùn)輸通道。
化學(xué)穩(wěn)定性：碳納米管化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有耐酸性和耐堿性。在高分子復(fù)合材料中添加碳納米管可以提高材料本身的阻酸抗氧化性能。
03碳納米管制備
電弧法：電弧法是最早用于制備碳納米管的方法，也是最主要的方法。其主要求是：在真空容器中充滿一定壓力的惰性氣體或氫氣，以摻有催化劑（金屬銳、鉆、鐵等）的石墨為了電極，在電弧放電的過(guò)程中陽(yáng)極石墨被蒸發(fā)消耗時(shí)，在陰極石墨上沉積碳納米管，從而生產(chǎn)出碳納米管。電弧放電法制備單壁納米碳管具有設(shè)備簡(jiǎn)潔、原料易得、本錢低的優(yōu)勢(shì)，一直受到科學(xué)工作者的關(guān)注。電弧法的特點(diǎn)是簡(jiǎn)潔快速制得的碳納米管管直結(jié)晶度高，但產(chǎn)量不高，而且由于電弧溫度高達(dá)3000—3700C，形成的碳納米管會(huì)被燒結(jié)成束，束中還存在很多非晶碳雜質(zhì)，造成較多的缺陷，電弧法目前主要用于生產(chǎn)單壁碳納米管。
激光蒸發(fā)法：其原理是利用激光束照射至含有金屬的石墨靶上，將其蒸發(fā)，同時(shí)結(jié)合一定的反響氣體，在基底和反響腔壁上沉積出碳納米管。碳納米管的生長(zhǎng)主要受到激光強(qiáng)度、生長(zhǎng)腔的壓強(qiáng)以及氣體流速等因素的影響，此法得到的大多是單壁碳納米管，水平高，但產(chǎn)量較低。激光燒蝕法合成的單壁納米碳管純度高，但所用設(shè)備比較昂貴，合成單壁納米碳管的量極其有限且容易纏結(jié)，因而難以推廣。
催化熱解法( CVD ) ：也叫做化學(xué)氣相沉積法，含有碳的氣體流經(jīng)催化劑納米顆粒外表時(shí)分解產(chǎn)生碳原子，在催化劑外表生成碳納米管。催化熱解法亦以催化劑存在方式的不同被分為了基體法和浮游法等?；w法利用石墨或陶瓷等作載體，將催化劑附著于其上，高溫下通入含碳?xì)怏w使之分解并在催化劑顆粒上長(zhǎng)出碳納米管。浮游法就是直接加熱催化劑前驅(qū)體使其成氣態(tài)，同時(shí)與氣態(tài)氫一起被引入反響室，在不同溫區(qū)各自分解，分解的催化劑原子逐漸聚集成納米級(jí)顆粒，浮游在反響空間分解的碳原子在催化劑顆粒上析出，形成碳納米管。載體的類型、催化劑的種類和制備方法、反響氣體種類，以及流量和反響溫度等對(duì)碳納米管生長(zhǎng)有較大影響，此方法的反響過(guò)程易于控制反響溫度相對(duì)較低，產(chǎn)品純度較高、本錢低、產(chǎn)量高、適合性強(qiáng)，現(xiàn)被廣泛用于碳納米管的制備。
超級(jí)電容器：碳納米管用作電雙層電容器電極材料。電雙層電容器既可用作電容器也可以作為一種能量存儲(chǔ) 裝置。超級(jí)電容器可大電流充放電，幾乎沒有充放電過(guò)電壓，循環(huán)壽命可達(dá)上萬(wàn)次，工作溫度范圍很寬。電雙層電容器在聲頻、視頻設(shè)備、調(diào)諧器、電話機(jī)和傳真機(jī)等通訊設(shè)備及各種家用電器中均可得到廣泛的應(yīng)用。作為了電雙層電容器的電極材料，要求該材料結(jié)晶度高、導(dǎo)電性好、比外表積大、微孔大小集中在一定的范圍內(nèi)。而目前一般用多孔炭作電極材料，不但微孔分布寬（國(guó)存儲(chǔ)能量有奉獻(xiàn)的孔不到30%），而且結(jié)晶度低、導(dǎo)電性差，導(dǎo)致容量小沒有適宜的電極材料，這是限制電雙層電容器在更廣闊范圍內(nèi)使用的一個(gè)重要原因。碳納米管比外表積大、結(jié)晶度高、導(dǎo)電性好，微孔大小可通過(guò)合成工藝加以控制，因而是一種理想的電雙層電容器電極材料。
此外，研究者還利用電解法、太陽(yáng)能法、微波等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法、球磨法、火焰法和爆炸法等成功制備了碳納米管，但這些方法并不是主流方法。
04碳納米管的應(yīng)用
超級(jí)電容器：碳納米管用作電雙層電容器電極材料。電雙層電容器既可用作電容器也可以作為一種能量存儲(chǔ) 裝置。超級(jí)電容器可大電流充放電，幾乎沒有充放電過(guò)電壓，循環(huán)壽命可達(dá)上萬(wàn)次，工作溫度范圍很寬。電雙層電容器在聲頻、視頻設(shè)備、調(diào)諧器、電話機(jī)和傳真機(jī)等通訊設(shè)備及各種家用電器中均可得到廣泛的應(yīng)用。作為了電雙層電容器的電極材料，要求該材料結(jié)晶度高、導(dǎo)電性好、比外表積大、微孔大小集中在一定的范圍內(nèi)。而目前一般用多孔炭作電極材料，不但微孔分布寬（國(guó)存儲(chǔ)能量有奉獻(xiàn)的孔不到30%），而且結(jié)晶度低、導(dǎo)電性差，導(dǎo)致容量小沒有適宜的電極材料，這是限制電雙層電容器在更廣闊范圍內(nèi)使用的一個(gè)重要原因。碳納米管比外表積大、結(jié)晶度高、導(dǎo)電性好，微孔大小可通過(guò)合成工藝加以控制，因而是一種理想的電雙層電容器電極材料。
催化劑載體：碳納米管材料比外表積大，外表原子比率大（約占總原子數(shù)的50%）。使體系的電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)明顯改變表現(xiàn)出特別的電子效應(yīng)和外表效應(yīng)，如氣體通過(guò)碳納米管的擴(kuò)散速度為了通過(guò)常規(guī)催化劑顆粒的上千倍，負(fù)載催化劑后可極大提升催化劑的活性。選擇性碳納米管作為納米材料家族的新成員，其特別的結(jié)構(gòu)和外表特性、優(yōu)異的儲(chǔ)氫水平和金屬及半導(dǎo)體導(dǎo)電性，使其在加氫、脫氫和擇型催化等反響中具有很大的應(yīng)用潛力。碳納米管一旦在催化上獲得應(yīng)用，可望極大提升反響的活性和選擇性，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
儲(chǔ)氫材料 ：吸附是氣體吸附質(zhì)在固體吸附劑外表發(fā)生的行為，其發(fā)生的過(guò)程與吸附劑固體外表特征密切相關(guān)。對(duì)于納米粒子的吸附機(jī)理，目前普遍認(rèn)為納米碳管的吸附作用主要是由于納米粒子碳管的外表羥基作用。納米碳管外表存在的羥基能夠和某些陽(yáng)離子鍵合，從而到達(dá)表觀上對(duì)金屬離子或有機(jī)物產(chǎn)生吸附作用。
碳納米管在復(fù)合材料中的應(yīng)用 ：碳納米管除具有一般納米粒子的尺寸效應(yīng)外，還具有力學(xué)強(qiáng)度大、柔韌性好、電導(dǎo)率高等獨(dú)特的性質(zhì)，成為了聚合物復(fù)合材料理想的增加體，在化工、機(jī)械、電子、航空、航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。但由于碳納米管易聚集成束或纏繞，而且與其他納米粒子相比，其外表是相對(duì)“惰性”的，在常見的有機(jī)溶劑或聚合物材料中的分散度低，這極大地制約了其廣泛應(yīng)用。因此，對(duì)碳納米管的外表進(jìn)行改性已成為了聚合物/碳納米管復(fù)合材料的鉆研熱點(diǎn)之一。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)碳納米管外表改性的鉆研主要是在其外表引入共價(jià)鍵和非共價(jià)鍵基團(tuán)，例如采用外表化學(xué)反響改性、外表活性劑改性等，或采用聚合物分子對(duì)碳納米管進(jìn)行包覆改性等方法。近年來(lái)，還指出了紫外線照射、等離子射線改性等處理方法外表改性的碳納米管，用丁聚合物復(fù)合材料可以顯著改善材料的力學(xué)性能、電性能和熱性能等。
