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          碳納米管研究成果落地加速推進

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          日期:2021-08-18 15:02:36    來源:科技日報    

          近日,國內最大的碳納米管生產企業——江蘇天奈科技發布公告稱,預計2021年半年度實現歸屬于母公司所有者的凈利潤為1.1-1.5億元,同比增加235.41%至357.37%。業績高速增長就來自于該公司開發的碳納米管導電劑,一改我國鋰電池企業導電劑依賴進口局面。

          自碳納米管被發現,就在全球范圍內掀起一股研究熱。近年來,全球加速挖掘碳納米管技術落地產業的途徑,相關技術突破成果不斷。

          中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所李清文團隊一直堅持做碳納米管連續制備。基于團隊技術,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10萬平米/年,成功開拓該產品在高端戶外加熱服以及醫療康復等方面的應用。

          神奇材料碳納米管,為何如此受各科學家追捧?碳納米管的工業化應用能否成為納米碳材料應用探索路上的航標燈?

          平鋪的“足球”結構

          作為最重要的生命元素,“碳”一直在生命演化和能源獲取方面扮演著舉足輕重的角色。時至今日,碳材料依然使科學家為之著迷。

          1985年,“足球”結構的C60一經發現即吸引了全世界的目光。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,從此開啟了碳納米管研究的熱潮。

          “從結構上來說,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構。”李清文告訴科技日報記者。

          碳納米管就像一根細長的頭發絲,它的長度可以達到米級,而直徑卻可以小到納米尺度。這么細長的納米管狀結構是怎么制備出來呢?

          飯島澄男首次發現碳納米管,是通過電弧放電法得到。現在,科學家已經發展出激光燒蝕法、化學氣相沉積法(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、易于規模化制備而被廣泛采用。

          李清文介紹說,CVD生長碳納米管時,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的位點,對于碳納米管的直徑、壁數、手性起著決定性的作用。催化劑結構設計以及生長條件調控是實現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,碳納米管以其優異的力學、電學和熱學特性被譽為“萬能基材”,在結構功能一體化復合材料、電池電極、復合材料、集成電路、傳感器件、電加熱器件等領域具有巨大的應用前景。

          1996年諾貝爾化學獎得主,富勒烯的發現者斯莫利曾說:“碳納米管是人們所能制造出來的最強、最剛、最硬的分子,同時也是最好的熱和電的分子導體。”

          “碳納米管強度是同體積鋼的100倍,重量卻只有后者的1/6到1/7。”李清文解釋說,碳納米管的長徑比達106以上,因而被稱作超級纖維。

          碳納米管奇特之處還在于其特殊電學性質,根據其結構不同,碳納米管可展現出金屬性和半導體性,為開發新型電子器件奠定了基礎。

          中國研究與世界先進水平并駕齊驅

          碳納米管的研究至今已有30年,李清文認為,我國科學家在碳納米管方面的研究基本上與世界先進水平并駕齊驅,并在部分領域處于世界領先水平。

          在碳納米管基礎研究方面,北京大學張錦團隊、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做出了重要貢獻。北京大學彭練矛團隊在碳納米管電子器件方面取得了重大進展。在碳納米管應用方面,清華大學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績不菲,等等。

          作為我國納米材料研究的國家隊,中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所從2007年起,一直圍繞碳納米管可控制備和前沿應用開展研究工作,發表高水平論文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、高質量的半導體型單壁碳納米管是實現電子級應用的前提。

          李清文告訴記者,她帶領團隊于2018年實現了純度大于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,與國內其他高校院所合作,共同實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器件的開發。

          被稱作“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,具有優異的柔韌性、導電和導熱性能。

          經過多年研究,目前李清文團隊已經實現了千米級連續碳納米管纖維連續制備,突破了萬平方米級碳納米管薄膜的干法規模化制備技術。

          同時,蘇州納米所科研人員采用高取向碳納米管薄膜開發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;開發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修復、機翼除冰帶來新的設計策略。

          碳納米管研究成果落地加速推進

          說起納米碳材料,被稱為“黑金”的碳納米管、石墨烯是當仁不讓的“流量明星”。科學家曾經預言,納米碳材料有望成為“徹底改變21世紀”的神奇材料。

          作為目前中國碳納米管的龍頭企業,天奈科技成功開發了一種獨特的催化反應工藝,實現了碳納米管的連續化生產,生產能力可達千噸級。近兩年,天奈科技的碳納米管導電劑產品出貨量和銷售額均居行業首位,一改我國鋰電池企業導電劑依賴進口局面。

          鋰電池導電劑的利用,只是碳納米管產業化的“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、輕質高強復合材料、寬頻段輕質電磁屏蔽、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、復合材料等方面的市場也處于良好的增長階段。

          “我們在加強前沿探索的同時,積極開展碳納米管的應用研發,發展出輕量化碳納米管/金屬復合導線技術,以及衛星用輕質電纜。開發的碳納米管加熱保暖服裝已獲得多家國際品牌使用,成為冬奧會產品之一。”李清文說,“碳納米管作為一種新興材料,未來還可能拓展導電塑料、半導體器件、輕質高強復合材料、寬頻段輕質電磁屏蔽、沖擊防護、智能器件等領域的應用,并有望產生變革性的發展。”(記者 張曄)

          關鍵詞: 碳納米管 石墨烯 萬能基材 碳納米管導電劑

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