碳纳米管的应用前景

前景很好，特别是复合材料这块！

碳纳米管本身我就不介绍了。推荐关于碳纳米管的两本书：

朱宏伟等著 《碳纳米管》 机械工业出版社 2003.1

成会明.纳米碳管.北京:化学工业出版社

当然，由于碳纳米管的研究还是一个新兴的学科，所以图书良莠不齐，也比较多。但是碳纳米管的最新动态主要还得看相关论文，特别是外文论文。

网上也有很多资料（太多，百度也可以搜到，不一一列举）：

Iijima S. Helical microtubules of graphitic carbon. Nature

邱桂花等 聚合物－碳纳米管复合材料研究进展 高分子材料科学与工程

王 彪等 碳纳米管/ 聚合物纳米复合材料研究进展 高分子通报

李学峰等 聚合物碳纳米管的研究进展 合成材料于老化应用

孟 涛等 碳纳米管在聚合物基复合材料中的应用 华北工学院学报

李 伟等 碳纳米管在高分子材料力学和电学改性中的应用进展 工程塑料应用

高晓晴等 碳纳米管/碳复合材料的研究 宇航材料工艺

惠聪网化工行业频道 聚合物纳米复合材料发展现状

肖素芳等 碳纳米管的功能化研究进展 分析化学评述与进展

潘春旭 碳纳米管简介

碳纳米管是最典型的一维纳米材料，具有极大的纵横比，其强度和纵横比是传统碳纤维的1O倍以上。理论上碳纳米管制备超强力学性能的复合材料是完全可行的。同时由于碳纳米管的长度为微米级，对复合材料的加工性能没有任何影响，用碳纳米管增强的聚合物复合材料可以用传统的塑料加工技术形成各种形状。实验发现碳纳米管的电导率可以高达1000～2000 S／cm，能够通过大的电流密度106 A／cm2，极大地改善聚合物复合材料的导电性能。由于碳纳米管大的纵横比及相互之间形成的网络结构，在较低体积比时碳纳米管就可以极大地提高聚合物的电导率，而不影响聚合物的其他性能。

在隐身材料中的应用

碳纳米管对红外和电磁波有隐身作用：纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率；纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3～4个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多。碳纳米管具有弹性高、密度低、绝热性好、强度高、隐身性优越、红外吸收性好、疏水性强等优点，它可以与普通纤维混纺来制成防弹保暖隐身的军用装备。

在能源材料中的应用

储氢材料：按5人座的轿车行使500公里计算，需要3.1Kg的氢气，以正常的油箱体积计算，氢气的存储密度应有6.5%，目前的储氢材料都不能满足这一要求。碳纳米管由于其管道结构及多壁碳管之间的类石墨层空隙，使其成为最有潜力的储氢材料，国外学者证明在室温和不到1bar的压力下，单壁碳管可以吸附氢气5%-10%。

根据理论推算和近期反复验证，普遍认为碳纳米管的可逆储/放氢量在5%左右，即使5%，也是迄今为止最好的储氢材料。

石墨烯自问世以来，尽管引发无数热议，但仍然是诸多领域研发者的重点关注对象，其中包括锂电行业。目前石墨烯在锂电池中主要被用作导电剂。

在锂电池的制作细分工艺上，导电剂的加入通常首先考虑的是电池材料活性物质本身的特性，直接作用是增加导电性能。值得注意的是，导电性能会直接影响电池的放电平台、容量发挥、循环稳定、内阻、高倍率性能等。

当前锂电池使用较广泛的导电剂可分为导电炭黑、导电石墨和新型导电剂等三大类，其中新型导电剂包括碳纳米管、石墨烯等。

一位业内人士表示，从锂电池导电剂的研究发展历程来看，正在经历石墨——碳纳米管——石墨烯三个过程，这表明导电剂的颗粒粒子越来越小。这源于锂电池对容量、循环性能要求越来越高，材料的导电性极大影响着这些因素，加入颗粒粒子越小的导电剂是解决这一难题的最直接方法。

那么碳纳米管和石墨烯这两类新型导电剂谁更具优势?高工锂电网将从性能、发展瓶颈、价格成本等多角度来综合比较分析。

到底谁会更胜一筹?

首先来了解什么是碳纳米管和石墨烯。

碳纳米管是由一层石墨层卷起来的直径只有几纳米的微管，也可由不同直径的微管同轴地套构在一起形成管束。按照层数来分类，可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管石墨烯是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体，也分为单层石墨烯和石墨烯微片(多层结构)。

从本质上看，碳纳米管和石墨烯都属于石墨类材料，只不过碳原子的排列组合不同，形成螺旋状的碳纳米管和片状的石墨烯，所以它们都具备石墨的一些相同特性，比如导电性。

具体而言，碳纳米管由于尺寸小，比表面积大，表面的键态和颗粒内部不同，表面原子配位不全等导致活性位置增加，成为理想的材料添加剂。但石墨烯电极拥有更小的极片电阻，可以做到更大的压实密度。

导电剂通常要在最少量添加的情况下，实现最优的导电性能。目前，市场化应用的碳纳米管和石墨烯都是以预分散导电浆料的方式提供。从导电性能上看，有业内人士认为，作为第三代导电剂，石墨烯的导电性无疑会高于其他产品。

青岛昊鑫新能源科技公司(下称“昊鑫能源”)沈杰博士表示，石墨烯的导电性好，碳纳米管的优点是它在电解液中的吸液能力更强。

而另一位业内人士表示更看好碳纳米管导电剂在锂电池中的应用，因为纯石墨烯的离子导电性没有碳纳米管好，加入纯石墨烯导电剂的电子会在循环几十周后跳出来，这一点会影响电池的循环稳定。

对此，深圳市比克动力电池有限公司(下称“比克电池”)基础研发部柳青博士表示认同，碳纳米管的电子导电性和离子导电性都比较好，这更有利于提升电池的循环性。

从导电机理分析，石墨烯通过点面接触来导电，碳纳米管则经由点线接触传输。一般而言，接触的面积越大导电性能就会越好。有业内人士认为，片层较厚的石墨烯会阻碍锂离子的扩散而降低极片的离子电导率，6-9层最为适宜。

其实都存在发展瓶颈

事实上，尽管各有优势，碳纳米管和石墨烯这两款导电剂都存在发展瓶颈。

目前业界对石墨烯的一点共识就是，真正意义上的石墨烯制作成本高，难以实现产业化。而对碳纳米管来说，最大的难题则是分散。相较之下，碳纳米管的分散“难关”比石墨烯的“难产”更容易攻克，碳纳米管在导电剂上的应用也更为成熟。

据了解，OCSiAl目前已实现单壁碳纳米管的大规模生产应用，这是一家专业从事单壁碳纳米管研发生产的跨国公司。

该公司香港总裁Grigory Gurevich 自豪地表示，OCSiAl是国际性的大公司，在全球拥有很多的资源，包括几百甚至上千的合作伙伴，这些合作伙伴都有世界知名的实验室、大学及科研院所，共同研发添加剂的分散和应用。OCSiAl的产品分散好,很容易添加到材料上,客户不需要重新分散也无需改变原工艺流程。

值得注意的是，尽管业界一直对石墨烯产业化感到渺茫，但近日高工锂电网经多方调查了解，确认昊鑫能源已经实现类石墨烯的产业化生产。与市场上几十甚至上百层的石墨微片相比，昊鑫能源批量生产的石墨烯导电剂产品能够做到2-10层。

两者价格下降空间都很大

正所谓“不管是黑猫还是白猫，只要抓到老鼠就是好猫”，从企业盈利的角度来说，碳纳米管和石墨烯的购买成本是其考虑衡量的一个重要因素。这两款产品谁能够做到成本更低，无疑会增添竞争优势。

目前市场上碳纳米管和石墨烯两款产品售价相差不大，但不同型号的导电剂价格会有很大差异。据了解，常规的碳纳米管导电剂的价格是700-800元/kg。

Grigory Gurevich表示，作为产品推广，第一点就是价格要有吸引力。以往的添加剂在价格上甚至超过了基质本身。与其他公司相比，OCSiAl的产品不仅价格低，而且更加有效率和吸引力，因为其添加量与其他添加剂相比要低得多，从0.001%到0.1%。

据昊鑫新能源相关负责人透露，公司生产的类石墨烯产品产能已经接近200吨，比亚迪和国轩高科都已成为这款产品的使用客户，而且公司计划明年将把产能扩大至1000吨。

高工锂电网从比亚迪处了解到，昊鑫能源的这款导电剂比市面上同类产品导电性能要好，价格上也比较有优势。

上述昊鑫新能源负责人介绍，与市面上的导电剂相比，公司的产品价格与其差不多，但导电性能好很多，即使在减少添加量的情况下也能达到导电效果，例如在添加量为碳纳米管25%的条件下就能实现相同导电性能。

高工产研锂电研究所(GGII)认为，目前碳纳米管和石墨烯均做成导电浆料，价格比普通炭黑SP贵很多。炭黑是非常成熟的导电剂，价格比较稳定。但碳纳米管和石墨烯价格下降空间较大，石墨烯价格下降速度更快，应用前景很大。至于在锂电池的应用上，两款导电剂不同的用法会产生各异的效果，孰优孰劣很难判定。

1. 什么是碳纳米管？ 1991年日本NEC公司的饭岛纯雄(Sumio Iijima)首次利用电子显

微镜观察到中空的碳纤维，直径一般在几纳米到几十个纳米之间，长度为数微米，甚至

毫米，称为“碳纳米管”。理论分析和实验观察认为它是一种由六角网状的石墨烯片卷

成的具有螺旋周期管状结构。正是由于饭岛的发现才真正引发了碳纳米管研究的热潮和

近十年来碳纳米管科学和技术的飞速发展。 按照石墨烯片的层数，可分为：

1) 单壁碳纳米管（Single-walled nanotubes, SWNTs）：由一层石墨烯片组成。单壁管

典型的直径和长度分别为0.75～3nm和1～50μm。又称富勒管(Fullerenes tubes)。

2) 多壁碳纳米管（Multi-walled nanotubes, MWNTs）：含有多层石墨烯片。形状象个

同轴电缆。其层数从2～50不等，层间距为0.34±0.01nm，与石墨层间距(0.34nm)相当。

多壁管的典型直径和长度分别为2～30nm和0.1～50μm。 多壁管在开始形成的时候，层与

层之间很容易成为陷阱中心而捕获各种缺陷，因而多壁管的管壁上通常布满小洞样的缺陷

。与多壁管相比，单壁管是由单层圆柱型石墨层构成，其直径大小的分布范围小，缺陷少

，具有更高的均匀一致性。无论是多壁管还是单壁管都具有很高的长径比，一般为100～

1000，最高可达1000～10000，完全可以认为是一维分子。

2. 碳纳米管的独特性质

1) 力学性能 碳纳米管的抗拉强度达到50～200GPa,是钢的100倍,密度却只有钢的1/6，

至少比常规石墨纤维高一个数量级。它是最强的纤维，在强度与重量之比方面，这种

纤维是最理想的。如果用碳纳米管做成绳索，是迄今唯一可从月球挂到地球表面而不会

被自身重量拉折的绳索，如果用它做成地球——月球载人电梯，人们来往月球和地球献

方便了。用这种轻而柔软、结实的材料做防弹背心那就更加理想了。 除此以外，它的

高弹性和弯曲刚性估计可以由超过兆兆帕的杨氏模量的热振幅测量证实。对于具有理想

结构的单层壁的碳纳米管，其抗拉强度约800GPa；对于多层壁，理论计算太复杂，难于

给出一确定的值。碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似，但其结构却比高分子

材料稳定得多。

在大气氧化条件下，碳纳米管在973K的温度下失重很少，结构基本没有发生变化。碳纳

米管在酸、碱的长时间浸泡下，结构基本不发生破坏。 人们还预言，碳纳米管只会在

非常高的应变（15％—20％）状况才会破坏。在动力学模拟中，它们的行为象“超级细

绳”。纳米管能抗扭转力引起的畸变，在许多情况下，纳米管可以在卸载时恢复原来的

截面，不象石墨纤维，压缩时易破坏。压缩的纳米管形成波峰状的纽结，卸载后，能弹

性地松弛。纳米管的这种特性使其在诸如高强度复合材科的制造中和纺织原料的纺织中

具有极大的吸引力。碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。若将碳纳米管

与其他工程材料制成复合材料,可对基体起到强化作用。

2) 电学性能 由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。

理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。当CNTs的管径大于6mm时，导电性能

下降；当管径小于6mm时，CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。

3) 热学性能 一维管具有非常大的长径比，因而大量热是沿着长度方向传递的，通过合

适的取向，这种管子可以合成高各向异性材料。虽然在管轴平行方向的热交换性能很高

，但在其垂直方向的热交换性能较低。纳米管的横向尺寸比多数在室温至150oC电介质

的品格振动波长大一个量级，这使得弥散的纳米管在散布声子界面的形成中是有效的，

同时降低了导热性能。适当排列碳纳米管可得到非常高的各向异性热传导材料。

4) 储氢性能 碳纳米管的中空结构,以及较石墨(0.335nm)略大的层间距(0.343nm)，是否

具有更加优良的储氢性能，也成为科学家们关注的焦点。1997年，A. C. Dillon对单壁碳

纳米管(SWNT)的储氢性能做了研究，SWNT在0℃时,储氢量达到了5%。DeLuchi指出:一辆

燃料机车行驶500km,消耗约31kg的氢气，以现有的油箱来推算，需要氢气储存的重量和

体积能量密度达到65%和62kg/m3。这两个结果大大增加了人们对碳纳米管储氢应用前景

的希望。

3. 碳纳米管的应用前景

1) 超级电容器 碳纳米管用作电双层电容器电极材料。电双层电容器即可用作电容器也

可作为一种能量存储装置。超级电容器可大电流充放电，几乎没有充放电过电压，循环

寿命可达上万次，工作温度范围很宽。电双层电容在声频 -视频设备、调谐器、电话机

和传真机等通讯设备及各种家用电器中可得到广泛应用。 作为电双层电容电极材料，要

求材料结晶度高、导电性好、比表面积大，微孔大小集中在一定的范围内。而目前一般

用多孔炭作电极材料，不但微孔分布宽 (对存储能量有贡献的孔不到30%)，而且结晶度

低、导电性差、导致容量小。没有合适的材料是限制电双层电容在更广阔范围内使用的

一个重要原因。 碳纳米管比表面积大、结晶度高、导电性好，微孔大小可通过合成工艺

加以控制，因而是一种理想的电双层电容器电极材料。由于碳纳米管具有开放的多孔结

构，并能在与电解质的交界面形成双电层，从而聚集大量电荷，功率密度可达8000W/kg。

其在不同频率下测得的电容容量分别为102F/g(1Hz)和49F/g(100Hz)。碳纳米管超级电

容器是已知的最大容量的电容器，存在着巨大的商业价值。

2) 碳纳米管复合材料 基于纳米碳管的优良力学性能可将其作为结构复合材料的增强剂。

研究表明，环氧树脂和纳米碳管之间可形成数百MPa的界面强度。除做结构复合材料的增

强剂外，纳米碳管还可做为功能增强剂填充到聚合物中，提高其导电性、散热能力等如：

在共轭发光聚合物中添加纳米碳管后，不但其导电率大大提高，强度也得到了改善。同

时，由于纳米碳管在纳米尺度散热，避免了局部形成的热积累，可防止共轭聚合物中链的

断裂，从而抑制聚合物的光褪色作用。 导电塑料(聚脂)。

将碳纳米管均匀地扩散到塑料中，可获得强度更高并具有导电性能的塑料，可用于静电

喷涂和静电消除材料，目前高档汽车的塑料零件由于采用了这种材料，可用普通塑料取

代原用的工程塑料，简化制造工艺，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，是静电喷涂塑料 (聚脂 )的发展方向。同时由于碳纳米管复合材

料具有良好的导电性能，不会象绝缘塑料产生静电堆积，因此是用于静电消除、晶片加

工、磁盘制造及洁净空间等领域的理想材料。碳纳米管还有静电屏蔽功能，由于电子设

备外壳可消除外部静电对设备的干扰，保证电子设备正常工作。

3) 电磁干扰屏蔽材料及隐形材料 由于特殊的结构和介电性质,碳纳米管表现出较强的

宽带微波吸收性能,它同时还具有质量轻、导电性可调变、高温抗氧化性能强和稳定性

好等特点,是一种有前途的理想微波吸收剂,可用于隐形材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波

材料。碳纳米管对红外和电磁波有隐身作用的主要原因有两点:一方面由于纳米微粒尺

寸远小于红外及雷达波波长,因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多

,这就大大减少波的反射率,使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱,从而

达到隐身的作用另一方面,纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3～4个数量级,对红

外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多,这就使得红外探测器及雷达得到的反射信

号强度大大降低,因此很难发现被探测目标,起到了隐身作用。由于发射到该材料表面的

电磁波被吸收,不产生反射,因此而达到隐形效果。

4) 储氢材料 碳纳米管经过处理后具有优异的储氢性能,理论上单壁碳纳米管的储氢能力

在10%以上,目前中国科学家制备的碳纳米管储氢材料的储氢能力达到4%以上,至少是稀土

的2倍。根据实验结果推测,室温常压下,约2/3的氢能从这些可被多次利用的纳料材料中释

放。储存和凝聚大量的氢气可做成燃料电池驱动汽车。

5) 锂离子电池 碳纳米管可用于锂离子电池负极材料。碳纳米管的层间距为0.34nm,略大

于石墨的层间距0.335nm,这有利于Li+的嵌入与迁出,它特殊的圆筒状构型不仅可使Li+从

外壁和内壁两方面嵌入,又可防止因溶剂化Li+嵌入引起的石墨层剥离而造成负极材料的损

坏。碳纳米管掺杂石墨时可提高石墨负极的导电性,消除极化。 实验表明,用碳纳米管作

为添加剂或单独用作锂离子电池的负极材料均可显著提高负极材料的嵌Li+容量和稳定性

。碳纳米管比表面积大,结晶度高,导电性好,微孔大小可通过合成工艺加以控制,因而有可

能成为一种理想的电极材料。在锂离子电池中加入碳纳米管,也可有效提高电池的储氢能力

,从而大大提高锂离子电池的性能。根据实验,多壁碳纳米管锂电池放电能力达到 385

mA·h/g,单壁管则高达640mA·h/g,而石墨的理论放电极限为372 mA·h/g。

6) 场发射管(平板显示器) 在硅片上镀上催化剂,在特定条件下使碳纳米管在硅片上垂直

生长,形成阵列式结构,用于制造超高清晰度平板显示器,清晰度可达数万线。同时也可使

碳纳米管在镍、玻璃、钛、铬、石墨、钨等材料上形成阵列式结构,制造各种用途的场发

射管。