碳納米管薄膜定義

碳納米管薄膜是經(jīng)過物理或化學(xué)方法，填充自由排列的碳納米管陣列形成的二維碳納米管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。碳納米管薄膜具有很好的力學(xué)性能，電學(xué)性能和獨(dú)特的導(dǎo)熱性能，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，是未來可預(yù)知的將被廣泛使用的新興材料之一。

     國內(nèi)可以大批量制備碳納米管薄膜的捷迪納米科技有限公司，已將碳納米管薄膜應(yīng)用于智能穿戴行業(yè)。

性能表格

目錄

1  發(fā)現(xiàn)歷史

2  結(jié)構(gòu)特征

3  理化性質(zhì)

4  制備方法

5  主要應(yīng)用

發(fā)現(xiàn)歷史

1991年，日本NEC公司的飯島澄男(Iijima) 用高分辨透射電鏡觀察到了碳納米管并在Nature雜志上進(jìn)行了報(bào)道。

1972年，通過對苯等蒸發(fā)碳?xì)浠衔锏臒岱纸獾钠骄?，成功生長出碳纖維，為FCCVD方法的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

1998年，為了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量單、低成本的大規(guī)模合成，Cheng及其同事首次報(bào)道了一種采用改進(jìn)的FCCVD工藝的新型合成方法。

2005年，Baughman研究組在Science雜志上報(bào)道了從碳納米管垂直陣列中連續(xù)地抽出碳納米管透明薄膜，薄膜長度可達(dá)米級。

2016年 中科院蘇州納米所先進(jìn)材料部李清文團(tuán)隊(duì)首次利用共軛小分子4HP實(shí)現(xiàn)高純度半導(dǎo)體性碳納米管的高效分離，并且這種共軛小分子具有光降解性可用于制備表面“干凈”的碳管薄膜。

隨著碳納米管的發(fā)現(xiàn)，FCCVD方法得到了用于合成碳納米管的方法。CNT組裝的結(jié)構(gòu)控制和連續(xù)制備是FCCVD法合成CNT的主要發(fā)展方向。經(jīng)過20多年的快速發(fā)展，F(xiàn)CCVD工藝已發(fā)展成為大規(guī)模制備CNT薄膜和纖維的重要技術(shù)，并在一些應(yīng)用領(lǐng)域取得了工業(yè)生產(chǎn)成果。

結(jié)構(gòu)特征

   碳納米管(Carbon nanotube，CNT)，是由石墨片卷曲而形成的無縫中空管體。碳納米管中的碳原子以sp2方式進(jìn)行雜化成鍵，以六元環(huán)為基本結(jié)構(gòu)單元，這使得碳納米管具有很高的楊氏模量，是具有高斷裂強(qiáng)度的材料，在彎曲情況下不容易損壞。碳納米管薄膜是由單個(gè)碳納米管形成的宏觀薄膜結(jié)構(gòu)，性能與碳納米管構(gòu)型、取向、缺陷程度、長徑比等相關(guān)。

理化性質(zhì)

力學(xué)性能

FCCVD方法制備的碳納米管薄膜拉伸強(qiáng)度達(dá)到了9.6Gpa，彈性模量20Gpa。同時(shí)保持非常好的柔韌性，可10萬次彎折。

電學(xué)性能

濕法制備的碳納米管薄膜方塊電阻約為130 ?·sq?1，透光率為69%，并且通過控制浸漬的次數(shù)，可以很容易地調(diào)整薄膜的透明度和薄膜阻。另采用噴涂法可制備出導(dǎo)電率達(dá)到2100 S·cm?1的碳納米管薄膜。

載流容量

碳納米管薄膜的載流容量可以最高可以達(dá)到1GA/cm2，銅線在1000kA/cm2時(shí)即燒毀，因而可以適配非常高的電壓。

高溫穩(wěn)定性

碳納米管薄膜真空中可穩(wěn)定至2800℃，空氣中可穩(wěn)定至650℃，加熱方式為面加熱，能量利用率較傳統(tǒng)加熱方式更高。

制備方法

碳納米管薄膜制備方法包括濕處理和干處理。

濕法處理方法一般涉及表面活性劑吸附和超聲分散、超離心等高能過程，更進(jìn)一步劃分為以下：

真空過濾法

通過超聲獲得在水中均勻分散的碳納米管溶液，再通過真空抽濾的方法使碳納米管沉積在濾膜上形成薄膜，在用去離子水沖洗后，得到干凈的碳納米管薄膜。

浸涂法

浸涂法是將基底浸入碳納米管分散液中使碳納米管吸附在基底上，一段時(shí)間后將其從溶液中拿出，待干燥后自然成膜從而得到連續(xù)的碳納米管薄膜。

電化學(xué)沉積法

通過電場實(shí)現(xiàn)了排列規(guī)則的碳納米管薄膜的制備

自組裝法  
  自組裝是指基本結(jié)構(gòu)單元(單根碳納米管)自發(fā)形成有序結(jié)構(gòu)的一種技術(shù)。

干法制備碳納米管薄膜，主要包括兩種方法：

抽膜法

從碳納米管垂直陣列的基體中直接抽取、拉絲形成碳納米管薄膜。

化學(xué)氣相沉積法

從漂浮的催化劑化學(xué)氣相沉積(FCCVD)體系中沉積CNT薄膜。

主要應(yīng)用

智能穿戴

碳納米管薄膜具備優(yōu)異的電熱轉(zhuǎn)化特性，且輕薄、柔軟、耐水洗，與織物有非常好的相容性，是可穿戴加熱的理想材料。

2022年冬奧智能加熱服裝關(guān)鍵技術(shù)研討會在北京服裝學(xué)院召開，交流了“國內(nèi)智能加熱技術(shù)”研究進(jìn)展的情況。

透明導(dǎo)電薄膜

單壁碳納米管（SWCNT）相互搭接形成的二維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有柔韌、透明、導(dǎo)電等特點(diǎn)，制備的透明的碳納米管薄膜可以用于觸控屏、平板顯示器、光伏電池、有機(jī)發(fā)光二極管等電子和光電子器件。

柔性壓力傳感器

碳納米管薄膜或粉體與高彈性的高分子材料復(fù)合，制備出電阻隨壓力線性變化的柔性壓力傳感器。

輕質(zhì)屏蔽薄膜

柔性輕量化、厚度最小、機(jī)械性能優(yōu)異、可靠性優(yōu)異的高性能電磁干擾屏蔽材料是第五代(5G)通信領(lǐng)域的高度要求，但制造難度極高。碳納米管薄膜具有優(yōu)異的機(jī)械性能和超高的屏蔽效能，是制備輕質(zhì)屏蔽膜的理想材料。

其他

碳納米管薄膜在軍工、化工、復(fù)合材料、航空航天、電子器件等領(lǐng)域，都展示非常大的應(yīng)用潛力。