自碳納米管被發(fā)現30年來(lái)，我國研究水平基本上與世界先進(jìn)水平并駕齊驅?zhuān)⒃诓糠诸I(lǐng)域處于世界領(lǐng)先。碳納米管導電劑一改我國鋰電池企業(yè)導電劑依賴(lài)進(jìn)口的局面;碳納米管薄膜成功用于高端戶(hù)外保暖服以及醫療康復等產(chǎn)業(yè);基于半導體型碳納米管的集成電路和顯示器背板驅動(dòng)器件也被開(kāi)發(fā)出來(lái)……
近日，國內最大的碳納米管生產(chǎn)企業(yè)——江蘇天奈科技股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)天奈科技)發(fā)布公告稱(chēng)，預計2021年上半年實(shí)現凈利潤1.1億—1.5億元，同比增加235.41%—357.37%。業(yè)績(jì)高速增長(cháng)歸功于該公司開(kāi)發(fā)的碳納米管導電劑，一改我國鋰電池企業(yè)導電劑依賴(lài)進(jìn)口的局面。
自被發(fā)現以來(lái)，碳納米管就在全球范圍內掀起一股研究熱潮。近年來(lái)，全球加速挖掘碳納米管技術(shù)落地的途徑，相關(guān)技術(shù)突破成果不斷。
一根長(cháng)度米級、直徑納米級的管
作為最重要的生命元素，“碳”一直在生命演化和能源提供方面扮演著(zhù)舉足輕重的角色。1985年，“足球”結構的C60一經(jīng)發(fā)現即吸引了全世界的目光。1991年，日本物理學(xué)家飯島澄男在電弧法制備的碳材料中觀(guān)察到了碳納米管，從此開(kāi)啟了碳納米管研究的熱潮。
“從結構上來(lái)說(shuō)，碳納米管可以形象地看做是由單層或者多層石墨烯無(wú)縫卷曲而成的中空管狀結構。”中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)蘇州納米所)研究員李清文告訴科技日報記者。
碳納米管就像一根細長(cháng)的頭發(fā)絲，它的長(cháng)度可以達到米級，而直徑卻可以小到納米尺度。這么細長(cháng)的納米管狀結構是怎么制備出來(lái)的呢?
飯島澄男首次發(fā)現的碳納米管是通過(guò)電弧放電法制得的?，F在，碳納米管已經(jīng)發(fā)展出激光燒蝕法、化學(xué)氣相沉積法(CVD)、固相熱解法等多種制備方法。其中，CVD法因成本低廉、可控性好、易于規?；苽涠粡V泛采用。
李清文介紹說(shuō)，用CVD制備碳納米管時(shí)，碳原子在催化劑表面吸附、擴散、溶解并達到飽和后析出形成碳納米管。催化劑作為碳納米管成核生長(cháng)的位點(diǎn)，對于碳納米管的直徑、壁數、手性起著(zhù)決定性作用。催化劑結構設計以及生長(cháng)條件調控是實(shí)現碳納米管可控生長(cháng)的重要途徑。
作為納米碳材料家族的重要一員，碳納米管以其優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)和熱學(xué)特性被譽(yù)為“萬(wàn)能基材”，在結構功能一體化復合材料、電池電極、集成電路、傳感器件、電加熱器件等領(lǐng)域具有巨大的應用前景。
1996年諾貝爾化學(xué)獎得主、富勒烯的發(fā)現者斯莫利認為，碳納米管是人們所能制造出來(lái)的最強、最剛、最硬的材料，同時(shí)也是最好的熱和電的導體。
“碳納米管強度是同體積鋼的100倍，重量卻只有鋼的1/6—1/7。”李清文解釋說(shuō)，碳納米管的長(cháng)徑比達106以上，因而又被稱(chēng)作超級纖維。
碳納米管的奇特之處還在于其特殊的電學(xué)性質(zhì)，根據其結構不同，碳納米管可展現出金屬性和半導體性，為開(kāi)發(fā)新型電子器件奠定了基礎。
我國研究達到世界先進(jìn)水平
碳納米管的研究至今已有30年，李清文認為，我國科學(xué)家在碳納米管方面的研究水平基本上與世界先進(jìn)水平并駕齊驅?zhuān)⒃诓糠诸I(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平。
在碳納米管基礎研究方面，北京大學(xué)張錦團隊、李彥團隊在導電性可控碳納米管合成、單手性碳納米管合成與分離等方面做出了重要貢獻。北京大學(xué)彭練矛團隊在碳納米管電子器件方面取得了重大進(jìn)展。在碳納米管應用方面，清華大學(xué)魏飛團隊在碳納米管宏量制備、高強碳納米管纖維、碳納米管導電添加劑等方面業(yè)績(jì)不菲。
作為我國納米材料研究的國家隊，蘇州納米所從2007年起，一直圍繞碳納米管可控制備和前沿應用開(kāi)展研究工作，發(fā)表高水平論文300余篇，在電子級單壁碳納米管分離、碳納米管纖維與薄膜的規模制備、碳納米管復合材料以及能源器件應用方面取得多項重大成果。
2013年，以平行排列的單壁碳納米管為主要元器件的世界上最小“計算機”誕生。近兩年，碳納米管電子器件的性能及尺寸一次次被突破。
如何獲得高純度、高質(zhì)量的半導體型單壁碳納米管是實(shí)現電子級應用的前提。
李清文告訴記者，她帶領(lǐng)的團隊于2018年實(shí)現了純度大于99.99%的半導體型單壁碳納米管的高濃度分離，以及部分單手性碳納米管的高效篩選。在此基礎上，他們與國內其他高校院所合作，共同實(shí)現了基于半導體型碳納米管的集成電路和顯示器背板驅動(dòng)器件的開(kāi)發(fā)。
被稱(chēng)作超級纖維的碳納米管，制成纖維與薄膜后，與傳統高性能纖維和薄膜材料相比，具有優(yōu)異的柔韌性、導電和導熱性能。
經(jīng)過(guò)多年研究，目前李清文團隊已經(jīng)實(shí)現了千米級連續碳納米管纖維連續制備，突破了萬(wàn)平方米級碳納米管薄膜的干法規?；苽浼夹g(shù)。
同時(shí)，蘇州納米所科研人員采用高取向碳納米管薄膜開(kāi)發(fā)了碳納米管含量高達60%以上的新型碳納米管復合材料，其強度為碳纖維復合材料的兩倍以上;開(kāi)發(fā)了碳納米管薄膜的電熱固化復合材料新工藝，有望為復合材料在線(xiàn)修復、機翼除冰帶來(lái)新的設計策略。
碳納米管研究成果加速落地
被稱(chēng)為“黑金”的碳納米管，曾被科學(xué)家預言，有望成為“徹底改變21世紀”的神奇材料之一。
作為目前中國碳納米管的龍頭企業(yè)，天奈科技成功開(kāi)發(fā)了一種獨特的催化反應工藝，實(shí)現了碳納米管的連續化生產(chǎn)，生產(chǎn)能力可達千噸級。近兩年，天奈科技的碳納米管導電劑產(chǎn)品出貨量和銷(xiāo)售額均居行業(yè)首位，一改我國鋰電池企業(yè)導電劑依賴(lài)進(jìn)口的局面。
鋰電池導電劑的利用，只是碳納米管產(chǎn)業(yè)化的冰山一角。
作為國家戰略新興材料，碳納米管材料在導電塑料、輕質(zhì)高強復合材料、寬頻段輕質(zhì)電磁屏蔽、沖擊防護、智能材料、電子器件等方面也具有廣泛的應用。其中基于碳納米管的加熱膜、導電塑料、復合材料等材料的市場(chǎng)前景也越來(lái)越好。
“我們在加強前沿探索的同時(shí)，積極開(kāi)展碳納米管的應用研發(fā)，發(fā)展出輕量化碳納米管/金屬復合導線(xiàn)技術(shù)，以及衛星用輕質(zhì)電纜。開(kāi)發(fā)的碳納米管加熱保暖服裝已獲得多家國際品牌使用，成為冬奧會(huì )產(chǎn)品之一。”李清文說(shuō)?；谠搱F隊的技術(shù)，蘇州捷迪納米科技有限公司實(shí)現了碳納米管薄膜的產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)能達10萬(wàn)平方米/年，成功開(kāi)拓了該產(chǎn)品在高端戶(hù)外保暖服以及醫療康復等方面的應用。
“碳納米管作為一種新興材料，未來(lái)還可能拓展應用于導電塑料、半導體器件、輕質(zhì)高強復合材料、寬頻段輕質(zhì)電磁屏蔽、沖擊防護、智能器件等領(lǐng)域，并有望給這些領(lǐng)域帶來(lái)變革性的發(fā)展。”李清文說(shuō)。
