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2024-03-19

纳米世界的碳材料——碳纳米管

作者:    点击:110




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Carbon nanotubes

碳纳米管介绍

碳纳米管是一种典型的一维纳米材料,是材料科学领域多年的研究热点之一。


碳纳米管是晶形碳的一种同位素异形体,从结构上为蜂巢状的一维纳米空心管,其中C-C原子以sp2杂化构成共价键。


根据碳纳米管的管壁数,可分为单壁碳纳米管(SWCNT)和多壁碳纳米管(MWCNT),而根据碳纳米管的结构特征又可分为扶手椅形、锯齿形和螺旋型三种,其中螺旋型碳纳米管具有手性,而锯齿形和扶手椅型碳纳米管没有手性。


▲单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的结构示意图

图片来源:艾邦高分子


碳纳米管重量轻,六边形结构连接完美,具有许多优异的力学性能、导电性能和化学性能。


碳纳米管的电导率高达108 S•m-1,是铜金属的一万倍;常温下热导率通常在3000 W•(m•K)-1以上,远超其它金属材料;


碳纳米管密度仅为钢的1/6,但抗拉强度却是钢的100倍,最高可达200Gpa;


弹性模量达1.34Tpa,与金刚石相当,是钢的5倍。


除此之外,碳纳米管还具有弹性高、比表面积大、稳定性好和抗疲劳性能等。近些年随着对碳纳米管的深入研究,其广阔的应用前景也不断地展现出来。




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Carbon nanotubes

碳纳米管的应用场景




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集成电路

很多人认为微电子工业在走到7纳米技术节点之后可能面临不得不放弃继续使用硅材料作为晶体管导电沟通,随之出现了光子、量子、类脑计算等技术。当然,用碳纳米管做材料替换掉传统的硅片,也是其中一个路径。


在2011年12月中旬的IEE电子设备会议上,IBM的科学家向全世界展示了全球第一个小于10纳米的晶体管,并在随后的2012年1月公布了具体尺寸——9纳米。


与目前的硅晶体管不同的是,IBM采用的是碳纳米管材料,并成功在单个芯片上集成了上万个晶体管。虽与传统的硅材料在晶体管数量上暂时还有差距,但其较小的体积和较轻的质量优势明显。


2016年11月,IBM公开了碳纳米管的生产技术。利用这项技术可以制造出有史以来性能最强大的微型晶片,为微芯片皮下注射和可折叠电脑提供了可能。



02

储存/硬盘

现有的电脑在断电后会丢失未存储内容,而硬盘读取速度则太慢。将来,基于碳纳米管的存储器——非易失性随机访问存储器(NRAM)将解决这个问题。


它的结构在显微镜下才能看到,管径只有人类头发丝的五万分之一。除了存储容量巨大,读写速度快(为普通闪存的1000倍),内容不丢失的优势,它的功耗更低,更具可靠性和耐用性,生产成本也更低。



03

电池

现有电池的配方当中含有高达96%—98%的活性物质。因此,通过碳纳米管技术改善活性物质,进而增强电池能量密度成为了可能。


近来表现最突出的是单壁碳纳米管(SWCNT),一种特殊的导电添加剂。它能在低浓度时就形成导电网络,区区0.001%的浓度即可增加导电性,具有在未来5到10年内将现有电池的能量密度增加60%的潜力。



04

医疗

牛津大学的研究团队首次将X射线荧光光谱分析(XRF)中的造影剂封进比头发还细5万倍的碳纳米管当中进行成像。


运用碳纳米管技术的造影剂将不再对人体产生伤害,造影成像也更为清晰。



05

生物传感器

来自麻省理工学院的工程师设计了一种新型传感器,首次实现对由单个细胞分泌的单个蛋白分子的检测。


这些传感器由经过化学改性的碳纳米管组成,当激光照射时,碳纳米管会自发地发出荧光。


研究人员在碳纳米管上涂覆DNA、蛋白质或者其他可以结合特定靶标的分子。当这些分子与靶向结合时,人们能够观测到碳纳米管的荧光变化。



06

导电塑料

碳纳米管能够被均匀地扩散到塑料中,可获得强度更高并具备导电性能的材料。


这一技术可用于静电喷涂和静电消除材料等领域——高档汽车塑料零件在采用这种材料后,可以用普通塑料取代原有的工程塑料,简化了制造工艺,降低了成本,并获得形状更复杂、强度更高、表面更美观的塑料零部件。



07

纳米机器人

由于碳纳米管的体积非常小,医生可以向人体血液里注射纳米碳管机器人来治疗心脏病。


一个皮下注射器能够装入上百万个这样的机器人。它们会自动识别沉积在动脉血管壁上的胆固醇或者病毒等目标物,将其打碎或者消灭,使之成为废物通过肾脏排出,起到治愈的作用。




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Carbon nanotubes

碳纳米管龙头企业


近几年,随着国内对碳纳米管研究的不断深入,天奈科技、三顺纳米、德方纳米、集越纳米、青岛昊鑫等主流碳纳米管企业已经可较好解决碳纳米管分散问题。




01

天奈科技

江苏天奈科技股份公司致力于碳纳米管、石墨烯的研发、生产及应用性开发和销售的高新技术企业,商业化应用领域已包括锂电池、导电高分子复合材料、抗静电涂料、轮胎橡胶增强等。


天奈科技持有纳米碳管制备的国际专利,现建有年产量达1000吨碳纳米管及10000吨导电浆料生产线,是全球最大的碳纳米管生产基地。




02

三顺纳米

三顺纳米致力于开发、生产高性能碳纳米管(CNTs),产品应用于锂离子电池导电剂、工程塑料、透明导电膜、场发射等。


目前,三顺纳米正在积极投建“新增年产能10000吨碳纳米管导电浆料”项目。




03

 德方纳米

深圳市德方纳米科技股份有限公司是我国第一家将纳米技术应用到制备电池正极材料的企业,公司主营产品有纳米磷酸铁锂、碳纳米管导电液及碳纳米管等。


多壁碳纳米管是公司主要生产和销售的产品,其具有金属性碳纳米管含量高、直径长短可控、导电性好、可分散性良好等特性,应用于锂离子电池后可有效提高电池的循环寿命和大倍率充放电性能。




04

集越纳米

惠州集越纳米材料技术有限责任公司是一家致力于纳米材料的研发,生产,应用及销售的高新技术企业。集越纳米拥有自主研发的用CVD法制备的碳纳米管技术及纯化技术,拥有两个生产基地、7个系列产品。


公司目前市场90%集中在高端数码领域,但未来动力电池领域的市场占比会持续提升。集越纳米目前正在扩充产能,现有产能750吨/月左右,年底产能将达到1000吨/月。




05

道氏技术

广东道氏技术股份有限公司2016年开始布局新能源领域上游资源及锂电正极核心材料三元前驱体、锂电导电材料石墨烯和碳纳米管导电剂等关键材料,形成了“锂电材料+碳材料+陶瓷材料”的产业布局,实现了产业联动融合。




06

青岛昊鑫

青岛昊鑫新能源科技有限公司现为道氏技术控股公司,主营石墨烯和碳纳米管两大导电剂,现有三大生产基地,建成石墨烯、碳纳米管年产千吨以及导电浆料年产2万余吨的现代化生产线。产品广泛应用于动力、数码、储能等锂电子电池中。


青岛昊鑫开发的高导电性碳纳米管导电浆料应用于锂离子电池三元正极材料,具有优异的导电性能,少量添加可以显著降低极片内阻,提高电池比容量以及倍率性能。青岛昊鑫采用新型高效分散设备,显著提高分散效率。

备注:文章转载自Carbontech、艾邦高分子、恒丰晟泰,如有侵权,请联系小编删除。


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