自碳納米管被發(fā)現(xiàn)30年來，我國研究水平基本上與世界先進(jìn)水平并駕齊驅(qū)，并在部分領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先。碳納米管導(dǎo)電劑一改我國鋰電池企業(yè)導(dǎo)電劑依賴進(jìn)口的局面;碳納米管薄膜成功用于高端戶外保暖服以及醫(yī)療康復(fù)等產(chǎn)業(yè);基于半導(dǎo)體型碳納米管的集成電路和顯示器背板驅(qū)動(dòng)器件也被開發(fā)出來……
近日，國內(nèi)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(以下簡稱天奈科技)發(fā)布公告稱，預(yù)計(jì)2021年上半年實(shí)現(xiàn)凈利潤1.1億—1.5億元，同比增加235.41%—357.37%。業(yè)績高速增長歸功于該公司開發(fā)的碳納米管導(dǎo)電劑，一改我國鋰電池企業(yè)導(dǎo)電劑依賴進(jìn)口的局面。
自被發(fā)現(xiàn)以來，碳納米管就在全球范圍內(nèi)掀起一股研究熱潮。近年來，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舉足輕重的角色。1985年，“足球”結(jié)構(gòu)的C60一經(jīng)發(fā)現(xiàn)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察到了碳納米管，從此開啟了碳納米管研究的熱潮。
“從結(jié)構(gòu)上來說，碳納米管可以形象地看做是由單層或者多層石墨烯無縫卷曲而成的中空管狀結(jié)構(gòu)。”中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所(以下簡稱蘇州納米所)研究員李清文告訴科技日報(bào)記者。
碳納米管就像一根細(xì)長的頭發(fā)絲，它的長度可以達(dá)到米級，而直徑卻可以小到納米尺度。這么細(xì)長的納米管狀結(jié)構(gòu)是怎么制備出來的呢?
飯島澄男首次發(fā)現(xiàn)的碳納米管是通過電弧放電法制得的?，F(xiàn)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(guī)?；苽涠粡V泛采用。
李清文介紹說，用CVD制備碳納米管時(shí)，碳原子在催化劑表面吸附、擴(kuò)散、溶解并達(dá)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的位點(diǎn)，對于碳納米管的直徑、壁數(shù)、手性起著決定性作用。催化劑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及生長條件調(diào)控是實(shí)現(xiàn)碳納米管可控生長的重要途徑。
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“萬能基材”，在結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)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(yīng)用前景。
1996年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主、富勒烯的發(fā)現(xiàn)者斯莫利認(rèn)為，碳納米管是人們所能制造出來的最強(qiáng)、最剛、最硬的材料，同時(shí)也是最好的熱和電的導(dǎo)體。
“碳納米管強(qiáng)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，碳納米管的長徑比達(dá)106以上，因而又被稱作超級纖維。
碳納米管的奇特之處還在于其特殊的電學(xué)性質(zhì)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)不同，碳納米管可展現(xiàn)出金屬性和半導(dǎo)體性，為開發(fā)新型電子器件奠定了基礎(chǔ)。
我國研究達(dá)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(rèn)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(qū)，并在部分領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先水平。
在碳納米管基礎(chǔ)研究方面，北京大學(xué)張錦團(tuán)隊(duì)、李彥團(tuán)隊(duì)在導(dǎo)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(xiàn)。北京大學(xué)彭練矛團(tuán)隊(duì)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(yīng)用方面，清華大學(xué)魏飛團(tuán)隊(duì)在碳納米管宏量制備、高強(qiáng)碳納米管纖維、碳納米管導(dǎo)電添加劑等方面業(yè)績不菲。
作為我國納米材料研究的國家隊(duì)，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(yīng)用開展研究工作，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(guī)模制備、碳納米管復(fù)合材料以及能源器件應(yīng)用方面取得多項(xiàng)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(jì)算機(jī)”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(dǎo)體型單壁碳納米管是實(shí)現(xiàn)電子級應(yīng)用的前提。
李清文告訴記者，她帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)于2018年實(shí)現(xiàn)了純度大于99.99%的半導(dǎo)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(chǔ)上，他們與國內(nèi)其他高校院所合作，共同實(shí)現(xiàn)了基于半導(dǎo)體型碳納米管的集成電路和顯示器背板驅(qū)動(dòng)器件的開發(fā)。
被稱作超級纖維的碳納米管，制成纖維與薄膜后，與傳統(tǒng)高性能纖維和薄膜材料相比，具有優(yōu)異的柔韌性、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。
經(jīng)過多年研究，目前李清文團(tuán)隊(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了千米級連續(xù)碳納米管纖維連續(xù)制備，突破了萬平方米級碳納米管薄膜的干法規(guī)模化制備技術(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發(fā)了碳納米管含量高達(dá)60%以上的新型碳納米管復(fù)合材料，其強(qiáng)度為碳纖維復(fù)合材料的兩倍以上;開發(fā)了碳納米管薄膜的電熱固化復(fù)合材料新工藝，有望為復(fù)合材料在線修復(fù)、機(jī)翼除冰帶來新的設(shè)計(jì)策略。
碳納米管研究成果加速落地
被稱為“黑金”的碳納米管，曾被科學(xué)家預(yù)言，有望成為“徹底改變21世紀(jì)”的神奇材料之一。
作為目前中國碳納米管的龍頭企業(yè)，天奈科技成功開發(fā)了一種獨(dú)特的催化反應(yīng)工藝，實(shí)現(xiàn)了碳納米管的連續(xù)化生產(chǎn)，生產(chǎn)能力可達(dá)千噸級。近兩年，天奈科技的碳納米管導(dǎo)電劑產(chǎn)品出貨量和銷售額均居行業(yè)首位，一改我國鋰電池企業(yè)導(dǎo)電劑依賴進(jìn)口的局面。
鋰電池導(dǎo)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(zhàn)略新興材料，碳納米管材料在導(dǎo)電塑料、輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料、寬頻段輕質(zhì)電磁屏蔽、沖擊防護(hù)、智能材料、電子器件等方面也具有廣泛的應(yīng)用。其中基于碳納米管的加熱膜、導(dǎo)電塑料、復(fù)合材料等材料的市場前景也越來越好。
“我們在加強(qiáng)前沿探索的同時(shí)，積極開展碳納米管的應(yīng)用研發(fā)，發(fā)展出輕量化碳納米管/金屬復(fù)合導(dǎo)線技術(shù)，以及衛(wèi)星用輕質(zhì)電纜。開發(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。基于該團(tuán)隊(duì)的技術(shù)，蘇州捷迪納米科技有限公司實(shí)現(xiàn)了碳納米管薄膜的產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)能達(dá)10萬平方米/年，成功開拓了該產(chǎn)品在高端戶外保暖服以及醫(yī)療康復(fù)等方面的應(yīng)用。
“碳納米管作為一種新興材料，未來還可能拓展應(yīng)用于導(dǎo)電塑料、半導(dǎo)體器件、輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料、寬頻段輕質(zhì)電磁屏蔽、沖擊防護(hù)、智能器件等領(lǐng)域，并有望給這些領(lǐng)域帶來變革性的發(fā)展。”李清文說。
