第一情报 ---材料工业

碳纳米管的发展趋势与展望

供稿人:卞志昕  供稿时间:2016-7-4   关键字:碳纳米管  

1990 年初,国际上开始对碳纳米管(CNT)进行广泛的研究。在此之前,在1980年代,第一次出现工业合成的多壁碳纳米管(MWNT),而早在1950年曾有文献记载观察到中空的碳纳米纤维。但与CNT相关的工业规模生产还是兴盛于以往的十年里。从2006年起,全世界的CNT生产能力至少增长了10倍,而每年发表与CNT有关的文章和专利的数目都在持续地增长。

图  CNT 研究和商业化的趋势

今天生产的CNT大量用于制造复合材料和薄膜,这些产品依赖的是性能有限的CNT无序体系结构。有序体系结构CNT如竖直定向的碳管簇,碳丝束或碳薄片状产品都能在单个CNT的基础上扩大了原有的性质而具有了新的功能,包括形状恢复、干粘合、高阻尼、赫兹极化、大冲程驱动、几近理想的黑体吸收和热声学的声发射等。

但是CNT宏观结构如丝束和碳薄片的机械性质、热性质和电性质与单个CNT相比还差得很明显。

与此同时,巨大的生产量标志着CNT粉末已经深入到许多商业化的应用中,现在已进入到产品寿命周期的增长阶段。

当今大多数应用CNT的产品是将CNT粉末分散在聚合物基质中或沉积成薄膜。这些产品的商业化,要点是将CNT的加工与现有的制造方法结合成一体。管簇和碳丝束这些有序的CNT材料已经填补了CNT纳米尺度的性质和作为工程材料长尺度间的沟壑。然而必须进一步了解CNT丝束和薄片的热导和机械强度等性质为什么比单个的CNT来得低。另一方面,在大基质上布局单个CNT获得有平版精准度的理想结构,这在电子器件和传感器针尖方面是一突破。

根据新闻报道,许多公司在CNT不同的应用上进行过投资,这些应用包括透明导体、热界面、防弹衣、风涡轮机叶。而透露的技术信息少之又少,在产品商业化后仍对技术细节进行保密,这成了成功预测市场的挑战。所以纳米管产能和销量的上升,恰恰反映了CNT应用的不断涌现。

工业上的进一步发展要求CNT制造和应用符合健康和安全的标准,同时要改善生产过程中可执行的量化表征方法。例如,国家标准和技术局(National Institute of Standards and Technology)于2011年制定了SWNT 的参照资料;电气与电子工程师协会(IEEE )制定了在洁净室内CNT加工标准;2010年中国政府颁布MWNT标准和操作标准。拜耳特别制定了其CNT职业暴露极限为0.05 mg m-3.。这些努力促使CNT制造和应用的谨慎发展,尤其是CNT的生产操作会生成空气中的颗粒物。

随着大量的CNT材料进入消费市场,有必要建立相关的处置和再利用机制。CNT可能会进入城市的废物料里,如果不去焚烧,在周转的过程中会引起交叉污染。工业界、学术界和政府需合作调查CNT在整个寿命周期中对环境和社会的影响。

最后,对CNT的持续研究和开发将对碳烯的兴起是一种互补。碳烯合成和表征的快速变革,如CVD法和Raman光谱技术都借用了CNT研究中的发现。有发展前景的材料和碳的同素异形体相组合如3D CNT-碳烯网可用于热界面,抗疲劳的碳烯涂层CNT气凝胶。CNT的科学和应用,从表面化学到大规模的生产,将对以后的纳米技术前沿和相关的商业化产品做贡献。

 

参考文献:

Volder M F L D, Tawfick S H, Baughman R H, et al. Carbon nanotubes: present and future commercial applications.[J]. Science, 2013, 339(6119):535-539.

 


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