聚焦新材料⑤

    自碳纳米管被发现30年来，我国研究水平基本上与世界先进水平并驾齐驱，并在部分领域处于世界领先。碳纳米管导电剂一改我国锂电池企业导电剂依赖进口的局面；碳纳米管薄膜成功用于高端户外保暖服以及医疗康复等产业；基于半导体型碳纳米管的集成电路和显示器背板驱动器件也被开发出来……

    近日，国内最大的碳纳米管生产企业——江苏天奈科技股份有限公司（以下简称天奈科技）发布公告称，预计2021年上半年实现净利润1.1亿—1.5亿元，同比增加235.41%—357.37%。业绩高速增长归功于该公司开发的碳纳米管导电剂，一改我国锂电池企业导电剂依赖进口的局面。

    自被发现以来，碳纳米管就在全球范围内掀起一股研究热潮。近年来，全球加速挖掘碳纳米管技术落地的途径，相关技术突破成果不断。

    一根长度米级、直径纳米级的管

    作为最重要的生命元素，“碳”一直在生命演化和能源提供方面扮演着举足轻重的角色。1985年，“足球”结构的C60一经发现即吸引了全世界的目光。1991年，日本物理学家饭岛澄男在电弧法制备的碳材料中观察到了碳纳米管，从此开启了碳纳米管研究的热潮。

    “从结构上来说，碳纳米管可以形象地看做是由单层或者多层石墨烯无缝卷曲而成的中空管状结构。”中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所（以下简称苏州纳米所）研究员李清文告诉科技日报记者。

    碳纳米管就像一根细长的头发丝，它的长度可以达到米级，而直径却可以小到纳米尺度。这么细长的纳米管状结构是怎么制备出来的呢？

    饭岛澄男首次发现的碳纳米管是通过电弧放电法制得的。现在，碳纳米管已经发展出激光烧蚀法、化学气相沉积法(CVD)、固相热解法等多种制备方法。其中，CVD法因成本低廉、可控性好、易于规模化制备而被广泛采用。

    李清文介绍说，用CVD制备碳纳米管时，碳原子在催化剂表面吸附、扩散、溶解并达到饱和后析出形成碳纳米管。催化剂作为碳纳米管成核生长的位点，对于碳纳米管的直径、壁数、手性起着决定性作用。催化剂结构设计以及生长条件调控是实现碳纳米管可控生长的重要途径。

    作为纳米碳材料家族的重要一员，碳纳米管以其优异的力学、电学和热学特性被誉为“万能基材”，在结构功能一体化复合材料、电池电极、集成电路、传感器件、电加热器件等领域具有巨大的应用前景。

    1996年诺贝尔化学奖得主、富勒烯的发现者斯莫利认为，碳纳米管是人们所能制造出来的最强、最刚、最硬的材料，同时也是最好的热和电的导体。

    “碳纳米管强度是同体积钢的100倍，重量却只有钢的1/6—1/7。”李清文解释说，碳纳米管的长径比达106以上，因而又被称作超级纤维。

    碳纳米管的奇特之处还在于其特殊的电学性质，根据其结构不同，碳纳米管可展现出金属性和半导体性，为开发新型电子器件奠定了基础。

    我国研究达到世界先进水平

    碳纳米管的研究至今已有30年，李清文认为，我国科学家在碳纳米管方面的研究水平基本上与世界先进水平并驾齐驱，并在部分领域处于世界领先水平。

    在碳纳米管基础研究方面，北京大学张锦团队、李彦团队在导电性可控碳纳米管合成、单手性碳纳米管合成与分离等方面做出了重要贡献。北京大学彭练矛团队在碳纳米管电子器件方面取得了重大进展。在碳纳米管应用方面，清华大学魏飞团队在碳纳米管宏量制备、高强碳纳米管纤维、碳纳米管导电添加剂等方面业绩不菲。

    作为我国纳米材料研究的国家队，苏州纳米所从2007年起，一直围绕碳纳米管可控制备和前沿应用开展研究工作，发表高水平论文300余篇，在电子级单壁碳纳米管分离、碳纳米管纤维与薄膜的规模制备、碳纳米管复合材料以及能源器件应用方面取得多项重大成果。

    2013年，以平行排列的单壁碳纳米管为主要元器件的世界上最小“计算机”诞生。近两年，碳纳米管电子器件的性能及尺寸一次次被突破。

    如何获得高纯度、高质量的半导体型单壁碳纳米管是实现电子级应用的前提。

    李清文告诉记者，她带领的团队于2018年实现了纯度大于99.99%的半导体型单壁碳纳米管的高浓度分离，以及部分单手性碳纳米管的高效筛选。在此基础上，他们与国内其他高校院所合作，共同实现了基于半导体型碳纳米管的集成电路和显示器背板驱动器件的开发。

    被称作超级纤维的碳纳米管，制成纤维与薄膜后，与传统高性能纤维和薄膜材料相比，具有优异的柔韧性、导电和导热性能。

    经过多年研究，目前李清文团队已经实现了千米级连续碳纳米管纤维连续制备，突破了万平方米级碳纳米管薄膜的干法规模化制备技术。

    同时，苏州纳米所科研人员采用高取向碳纳米管薄膜开发了碳纳米管含量高达60%以上的新型碳纳米管复合材料，其强度为碳纤维复合材料的两倍以上；开发了碳纳米管薄膜的电热固化复合材料新工艺，有望为复合材料在线修复、机翼除冰带来新的设计策略。

    碳纳米管研究成果加速落地

    被称为“黑金”的碳纳米管，曾被科学家预言，有望成为“彻底改变21世纪”的神奇材料之一。

    作为目前中国碳纳米管的龙头企业，天奈科技成功开发了一种独特的催化反应工艺，实现了碳纳米管的连续化生产，生产能力可达千吨级。近两年，天奈科技的碳纳米管导电剂产品出货量和销售额均居行业首位，一改我国锂电池企业导电剂依赖进口的局面。

    锂电池导电剂的利用，只是碳纳米管产业化的冰山一角。

    作为国家战略新兴材料，碳纳米管材料在导电塑料、轻质高强复合材料、宽频段轻质电磁屏蔽、冲击防护、智能材料、电子器件等方面也具有广泛的应用。其中基于碳纳米管的加热膜、导电塑料、复合材料等材料的市场前景也越来越好。

    “我们在加强前沿探索的同时，积极开展碳纳米管的应用研发，发展出轻量化碳纳米管/金属复合导线技术，以及卫星用轻质电缆。开发的碳纳米管加热保暖服装已获得多家国际品牌使用，成为冬奥会产品之一。”李清文说。基于该团队的技术，苏州捷迪纳米科技有限公司实现了碳纳米管薄膜的产业化，产能达10万平方米/年，成功开拓了该产品在高端户外保暖服以及医疗康复等方面的应用。

    “碳纳米管作为一种新兴材料，未来还可能拓展应用于导电塑料、半导体器件、轻质高强复合材料、宽频段轻质电磁屏蔽、冲击防护、智能器件等领域，并有望给这些领域带来变革性的发展。”李清文说。