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碳納米管薄膜

鎖定
碳納米管薄膜是經過物理或化學方法,填充自由排列的碳納米管陣列形成的二維碳納米管網絡結構。碳納米管薄膜具有很好的力學性能,電學性能和獨特的導熱性能,化學性質穩定,是未來可預知的將被廣泛使用的新興材料之一。 [2] 
碳納米管薄膜應用於導電塑料、半導體器件、輕質高強複合材料、寬頻段輕質電磁屏蔽、衝擊防護、智能器件等領域 [1] 
中文名
碳納米管薄膜
外文名
Carbon nanotube films
密    度
1.33 至 1.40 g/cm³ [3] 
水溶性
不溶於水 [3] 
危險性描述
該產品無危害 [3] 
成    分
C [3] 
外    觀
黑色/透明 [3] 
應    用
柔性電極、智能穿戴、高温加熱 [3] 

碳納米管薄膜發展歷史

1991年,日本物理學家飯島澄男在電弧法制備的碳材料中觀察到了碳納米管 [1] 
1972年,通過對苯等蒸發碳氫化合物的熱分解的平均­,成功生長出碳纖維,為FCCVD方法的發展奠定了基礎。 [2] 
1998年,為了實現高質量單、低成本的大規模合成,Cheng及其同事首次報道了一種採用改進的FCCVD工藝的新型合成方法。 [2] 
2016年,中科院蘇州納米所先進材料部李清文團隊首次利用共軛小分子4HP實現高純度半導體性碳納米管的高效分離,並且這種共軛小分子具有光降解性可用於製備表面“乾淨”的碳管薄膜。 [2] 
隨着碳納米管的發現,FCCVD方法得到了用於合成碳納米管的方法。CNT組裝的結構控制和連續製備是FCCVD法合成CNT的主要發展方向。 [2]  FCCVD工藝已發展成為大規模製備CNT薄膜和纖維的重要技術,並在一些應用領域取得了工業生產成果。 [2]  [4] 
基於該團隊的技術,蘇州捷迪納米科技有限公司實現了碳納米管薄膜的產業化,產能達10萬平方米/年,成功開拓了該產品在高端户外保暖服以及醫療康復等方面的應用。 [1] 

碳納米管薄膜結構特徵

碳納米管(Carbon nanotube,CNT),是由石墨片捲曲而形成的無縫中空管體。 [3]  碳納米管中的碳原子以sp2方式進行雜化成鍵,以六元環為基本結構單元,這使得碳納米管具有很高的楊氏模量,是具有高斷裂強度的材料,在彎曲情況下不容易損壞。 [3]  碳納米管薄膜是由單個碳納米管形成的宏觀薄膜結構,性能與碳納米管構型、取向、缺陷程度、長徑比等相關。 [3] 

碳納米管薄膜理化性質

力學性能
FCCVD方法制備的碳納米管薄膜拉伸強度達到了9.6Gpa,彈性模量20Gpa。 [4] 
高温穩定性
加熱方式為面加熱,能量利用率較傳統加熱方式更高。 [4] 

碳納米管薄膜製備方法

碳納米管薄膜製備方法包括濕處理和幹處理。 [3] 
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,在用去離子水沖洗後,得到乾淨的碳納米管薄膜。
浸塗法:浸塗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,一段時間後將其從溶液中拿出,待乾燥後自然成膜從而得到連續的碳納米管薄膜。
電化學沉積法:通過電場實現了排列規則的碳納米管薄膜的製備。
自組裝法: 自組裝是指基本結構單元(單根碳納米管)自發形成有序結構的一種技術。
幹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。
化學氣相沉積法:從漂浮的催化劑化學氣相沉積(FCCVD)體系中沉積CNT薄膜。 [4] 

碳納米管薄膜應用領域

智能穿戴
碳納米管薄膜具備優異的電熱轉化特性,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。 [4] 
透明導電薄膜
單壁碳納米管(SWCNT)相互搭接形成的二維網絡結構具有柔韌、透明、導電等特點,製備的透明的碳納米管薄膜可以用於觸控屏、平板顯示器、光伏電池、有機發光二極管等電子和光電子器件。 [4] 
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複合,製備出電阻隨壓力線性變化的柔性壓力傳感器。 [4] 
輕質屏蔽薄膜
柔性輕量化、厚度最小、機械性能優異、可靠性優異的高性能電磁干擾屏蔽材料是第五代(5G)通信領域的高度要求,但製造難度極高。碳納米管薄膜具有優異的機械性能和超高的屏蔽效能,是製備輕質屏蔽膜的理想材料。 [4] 
其他
碳納米管薄膜在軍工、化工、複合材料、航空航天、電子器件等領域,都展示非常大的應用潛力。 [4] 
參考資料