解讀!碳納米管國內外企業5大應用領域!

碳納米管（Carbon nanotubes，CNTs），又稱巴基管（Buckytube），屬於富勒烯系（fullerene），於1991年由NEC（日本電氣）筑波研究所的主任研究員飯島澄男（Iijima S.）在使用高分辨透射電鏡觀察石墨電極放電製備C60的球狀碳分子產物時意外發現。碳納米管可以被看做是石墨烯片按照一定的角度捲曲而成的納米級無縫管狀物，根據層數不同可分為多壁碳納米管（Multi-walled carbon nanotubes，MWNTs）和單壁碳納米管（Single-walled carbon nanotubes，SWNTs）。

碳納米管由於具有獨特的金屬或半導體導電性、優秀的力學性能、機械強度、吸附能力、場致電子發射性能和寬帶電磁波吸收等性能，在電子信息技術、生物醫藥、航空航天、能源存儲與轉化、催化及環境科學等領域具有廣闊的應用前景。碳納米管在被發現之後立即受到了物理、化學和材料科學界專家的高度關注。

企業應用現狀

1.電子器件

碳納米管具有優異的力學性能和電學性能，在電子器件領域深受歡迎。

Nantero公司將碳納米管應用在存儲器領域，開發了納米隨機存儲器，這是一種非易失性存儲器技術，通過碳納米管的小尺寸獲得很高的存儲密度。此前，日本富士通半導體和三重富士通半導體宣布已經與美國Nantero公司達成協議，授權該公司使用碳納米管非易失性隨機訪問內存，基於55納米工藝技術進行聯合開發以發布該產品。

IBM公司利用其碳納米管生產技術可以開發具有優異性能的微晶片技術。據悉，這種新型碳納米管微晶片具有非常快的運算速度，可以使計算機運算速度達到矽晶片的1000倍以上。

日本瑞翁公司利用超級生長法成功開發出了碳納米管-橡膠複合片狀系統熱界面材料。與現有熱界面材料相比，熱阻值更加優異且性能與可靠性更強，可作為解決伺服器或功率器件熱問題的關鍵材料。

日本富士通研究所開發了碳納米管半導體晶片電路技術。利用該項技術可起到降低電流電阻、防止電路斷路的作用，這將會極大的提高晶片的整體性能。

我國在碳納米管觸控屏領域已經取得產業化，此前，天津富納源創科技有限公司通過與清華大學的合作，成功產業化全球首個碳納米管觸控屏，並為華為等手機廠商配套。碳納米管觸控屏與傳統ITO技術相比具有廉價、柔性、工藝簡單以及低能耗、低汙染等優點。

2.新能源材料

導電添加劑是碳納米管一項非常重要的用途。德國朗盛公司和OCSiAl公司合作開發了碳納米管導電添加劑，據悉，這種導電添加劑使用方便，可為水性塗料、電池等提供導電錶面，同時不影響這些材料的其他關鍵性能。

同時，碳納米管具有優異的電學性能，在電池領域也應用廣泛。比如，OCSiAl公司的單壁碳納米管可提高鉛酸電池的整體性能，通過添加TUBALL碳納米管，可在高放電倍率下提高電池容量，延長電池的循環壽命。

為提高鋰電池的快速充放電性能，日本鍾化公司與愛知工業大學的研究團隊將碳納米管混入被稱為TOT的有機分子中作為電池的電極使用。這種方法增加了電子的數量並提高了導電速度。組裝為紐扣電池進行測試，充電時間可達到30秒，循環5000次性能無明顯下降。

日本MTES公司聯合世界級碳納米管制造商比利時Nanocyl SA公司，共同開發新型鎂電極電機技術，以及運用薄膜碳納米管空氣電極的高氧自由度電池型發電系統。可以用於IoT、電動汽車、應急電源等各領域的電源裝置。

日本積水化學公司利用碳納米管熱電材料，開發了碳納米管溫差發電產品，與傳統有機系產品相比，其性能大幅提升。該產品將會應用於電池和光伏系統難以應對的高溫環境以及全天候監控設備的傳感器電源。

國內方面，百應公司將碳納米管應用於氫燃料電池領域，通過與美國佛羅裡達州立大學合作開發了碳納米管電極製作技術，開發氫燃料電池膜電極。通過多層碳納米管陰極/陽極專利技術，可製備小於400平方公分的任何尺寸膜電極（空氣電極/燃料電極）。外圍消息顯示，百應的高功率膜電極，用較少的膜電極面積可以取得同等功率。減少了膜電極的面積，同時減少了燃料電池堆的材料、重量和體積，從而降低了系統成本。

3.複合材料

利用碳納米管以提高複合材料的力學性能是比較常見的一種應用方式。

OCSiAl公司開發的TUBALL單壁碳納米管並不僅僅是一種導電添加劑，同時也可以起到增強複合材料基體的作用。在TUBALL單壁碳納米管在「增強塑料國際會議和展示」上吸引了很多複合材料製造企業的興趣。當碳納米管嵌入材料時，在單壁碳納米管僅為0.01 wt.%的超低負載水平下，可顯著改善材料的性能。單壁碳納米管的添加可提供優異的導電性並起到增強網絡的作用，確保材料具有導電性的同時提高材料的機械性能。

除增強高分子材料外，瑞士Art Carbon公司的碳納米管專利應用則主要集中於建築材料領域。通過碳納米管的添加可增加建築材料的抗壓強度、改善固化過程並縮短固化時間。

4.航空航天材料

在航空領域也會發現碳納米管的身影，美國NASA開發了超高強度、輕質碳納米管基航空結構材料。外太空探索需要全新的交通車輛、棲息地、電力系統和勘探系統，這些都需要新型材料的支持，並且這些材料甚至會比目前所使用的最先進的系統更輕、具有更大的強度。NASA通過與工業合作夥伴以及科研院所合作，將實驗室的先進技術轉化為先進的生產設施，製備足夠數量的先進材料用於NASA的航天任務。

此外，碳納米管還可以加工為碳納米管晶片，應用於納米衛星等航天設備上。NASA研究團隊還開發了專門用於CubeSat（立方衛星）望遠鏡的輕量型鏡片，這是首個使用環氧樹脂和碳納米管組成的鏡片。在CubeSat望遠鏡上使用碳納米管鏡片可以帶來多種好處，除了更輕、更穩定並且易於重複生產之外，碳納米管鏡片的一個重要優點是無需拋光，拋光是一個費時費力的加工方法，並且通常很浪費成本，但是傳統鏡片卻無法擺脫這種工藝。通過這種新型納米管鏡片可以為一系列CubeSat科研活動提供廉價的空間望遠鏡。

5.其它功能材料

美國特斯拉納米塗料公司曾對外宣布，針對碳納米管防腐塗料開發了具有突破性的溼碰溼（Wet-on-Wet）工藝。這種技術叫做「2×1 Wet Edge」，具有優異的防腐性能，可大幅節省時間和生產成本。這種碳納米管防腐塗料可應用於石油工業、天然氣工業和其他具有惡劣腐蝕性環境的工業。此外，美國陸軍已將特斯拉產品列入其技術解決方案體系。

不難發現，碳納米管在電子器件、新能源材料以及複合材料領域的應用非常廣泛。近年來，世界各國大力發展新能源材料，碳納米管因其優異的電學性能經常被添加到新能源材料中以提高材料的電學性能。因此，在電池電極和導電添加劑等領域碳納米管應用較多，同時碳納米管特殊的中空結構和高比表面積也使其在儲氫領域具有很大的應用潛力。

採用碳納米管增強複合材料主要是想利用其良好的力學性能。常見的複合方式有碳納米管/聚合物複合材料、碳納米管/金屬基複合材料、碳納米管/陶瓷基複合材料等。通過添加碳納米管可以顯著提高材料的抗壓、抗拉、耐磨等性能。

在電子領域採用碳納米管主要是由於矽基微電子學發展至今，商用電晶體特徵尺寸已經達到了原子尺度，物理極限凸顯，很難繼續發展。通過引入碳納米管到矽基集成電路中或者建立碳納米管電子學是解決上述問題的方法之一。但是有研究指出，不同的幾何結構會影響碳納米管的禁帶寬度，碳納米管在電子器件領域能走多遠仍需經受考驗。

碳納米管高校應用研究

即將發布解讀

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▏本文作者：材料委天津院

▏本文責編：王寧寧

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