Omfattande introduktion till kolnanorör

Kolnanorör (CNT) är en-endimensionella rörformade nanomaterial i nanoskala som bildas av krullande grafitkolatomer som grundenheten. Sedan upptäckten 1991, förlitade sig på sin unika mikrostruktur och utmärkta omfattande prestanda, har de snabbt blivit en forskningshotspot och applikationskärna inom området för nanomaterial, som brett penetrerar många strategiska framväxande industrier som hög-tillverkning, ny energi, precisionselektronik och flyg. De är kända som "det mest potentiella funktionella materialet under 2000-talet".

I. Grundläggande klassificering av kolnanorör

Beroende på skillnaderna i mikrostruktur kan kolnanorör huvudsakligen delas in i tre kategorier. Produkter av olika kategorier har olika prestandafokus och är lämpliga för olika scenarier. För närvarande är de mest använda i branschen få-väggiga kolnanorör och fler-kolnanorör, medan ultra-fina kolnanorör, som en segmenterad hög-kategori, fokuserar på behoven i scenarier med hög-precision.

1. Single-Walled Carbon Carbon Nanorubes (SWCNTs): Formas genom att krulla ett enda lager av grafitark, med en diameter vanligtvis mellan 0,4-2nm. De har en regelbunden struktur, extremt låg defektfrekvens och den bästa elektriska och termiska ledningsförmågan. De är emellertid svåra att förbereda, lätta att agglomerera och har höga kostnader. De används främst i avancerad vetenskaplig forskning, elektroniska precisionschips och andra scenarier med extrema prestandakrav.

2. Multi-Walled Carbon Nanorubes (MWCNTs): Formade genom att rulla flera lager av koncentriska grafitark, med ett diameterområde på 2-100 nm och en längd upp till mikrometernivån. De har mogen beredningsteknik, måttlig kostnad och utmärkt mekanisk stabilitet, men deras elektriska ledningsförmåga och spridning är något sämre än enkel-väggiga och få-kolnanorör. De används mestadels i-till-high-end ledande och förstärkande scenarier, som vanliga ledande beläggningar och plastmodifiering.

3. Få-väggiga kolnanorör (FWCNTs): Mellan enkel-väggiga och fler-väggiga, bildade genom att krulla 2-5 lager av grafitark, med en diameter på 2-8nm. De har både den höga elektriska ledningsförmågan hos enkelväggiga kolnanorör och den mekaniska stabiliteten hos kolnanorör med flera-väggar och har bättre spridningsprestanda. De är för närvarande det bästa valet för att balansera prestanda och kostnad. Ultra-fina kolnanorör (diameter Mindre än eller lika med 10nm), som ett high-end segment av fåväggiga kolnanorör, förbättrar ytterligare spridning och funktionell anpassningsförmåga och är lämpliga för mer exakta tillämpningsscenarier.

II. Kärnegenskaper hos kolnanorör

Den utmärkta prestandan hos kolnanorör kommer från deras unika rörformade grafitstruktur. De visar fördelar utöver traditionella material i många dimensioner som mekanik, elektricitet, termologi och kemi, vilket också är den centrala anledningen till att de kan ersätta traditionella material som ledande kimrök och möjliggöra industriell uppgradering.

1. Elektriska egenskaper: Kolnanorör har utmärkt elektrisk ledningsförmåga, med en volymresistivitet så låg som 1,0×10⁻⁴-5,0×10⁻³ Ω·cm och en ytresistivitet justerbar till 1,0×10¹-5,0×10q². De har en snabb elektronöverföringshastighet och deras elektriska ledningsförmåga är mycket bättre än traditionella material som ledande kimrök och grafit. Dessutom är deras motståndsstabilitet stark, inte lätt att påverka av miljöfaktorer som temperatur och fuktighet, och de kan bibehålla högeffektiv elektrisk ledningsförmåga under lång tid.

2. Mekaniska egenskaper: Draghållfastheten hos kolnanorör kan nå 40-80 GPa, elasticitetsmodulen är så hög som 1,0×10³-1,8×10³ GPa, och hårdheten är 20-40 GPa, vilket är mer än 100 gånger stålets. Samtidigt har de utmärkt seghet och slitstyrka. Att lägga till en liten mängd (1%-5%) av dem till matrismaterial som plast, gummi och keramik kan avsevärt förbättra materialens mekaniska hållfasthet, slaghållfasthet och livslängd och uppnå de dubbla målen "lättvikt + hög prestanda".

3. Värmeegenskaper: Den axiella värmeledningsförmågan för kolnanorör kan nå 1500-3000 W/(m·K), den radiella värmeledningsförmågan är 50-100 W/(m·K), och värmebeständighetstemperaturen är så hög som 700 graders gas (i en inert gasmiljö). De kan bibehålla stabil prestanda i ett brett temperaturområde på -100 grader till 600 grader utan nedbrytning eller åldrande. De har både-högeffektiv värmeledningsförmåga och utmärkt högtemperaturbeständighet, lämpliga för högtemperaturbearbetning och avancerade värmeavledningsscenarier.

4. Kemiska egenskaper och dispersionsegenskaper: Kolnanorör har utmärkt kemisk stabilitet, är resistenta mot hårda kemiska miljöer som starka syror, starka alkalier och organiska lösningsmedel, reagerar inte med de flesta kemikalier och har enastående oxidations- och korrosionsbeständighet. Efter professionell ytmodifieringsbehandling kan de effektivt lösa problemet med agglomeration, uppnå enhetlig dispersion i vatten, organiska lösningsmedel och olika matrismaterial utan att tillsätta överdrivet mycket dispergeringsmedel, och dispersionsstabiliteten kan nå mer än 72 timmar.

5. Miljöegenskaper: Kolnanorör i sig är icke-toxiska, smaklösa och har ingen risk för dammförorening, och uppfyller internationella miljöskydds- och säkerhetsstandarder. Jämfört med bristerna hos traditionellt ledande kimrök, som är benäget att förorena damm och vissa innehåller tungmetallföroreningar, är de mer lämpade för behoven hos avancerade-produkter och miljöskyddsprodukter och kan tillämpas på precisionsscenarier relaterade till medicinsk användning och kontakt med livsmedel.

III. Kärnapplikationsområden för kolnanorör

Kolnanorör, som förlitar sig på omfattande prestandafördelar, har gradvis ersatt traditionella ledande och förstärkande material och blivit det centrala stödmaterialet för uppgraderingen av olika avancerade industrier. Deras applikationsscenarier expanderar ständigt och täcker många områden från vetenskaplig forskning till massproduktion och från civila-avancerade till nationellt försvar och militär industri.

1. Nytt energifält: Som ett kärnfunktionellt material används det ofta i produkter som litiumbatterier, superkondensatorer och bränsleceller. I litiumbatterier kan det användas som en ledande tillsats för att förbättra laddnings- och urladdningseffektiviteten, cykellivslängden och energitätheten, vilket löser smärtpunkten att traditionella ledande medel har en stor tillsatsmängd och påverkar batteriets energitäthet. I superkondensatorer kan det förbättra elektrisk ledningsförmåga och energilagringseffektivitet. I bränsleceller kan den användas som en katalysatorbärare för att förbättra katalytisk aktivitet och stabilitet.

2. Precisionselektronikfält: Lämplig för scenarier som antistatisk, elektromagnetisk skärmning, chipvärmeavledning och flexibel elektronik. Det kan användas för att förbereda antistatiska beläggningar och elektromagnetiska skärmningsmaterial, minska statisk elektricitet på ytan av elektroniska produkter, förbättra den elektromagnetiska skärmningseffekten och säkerställa driftstabiliteten för elektroniska komponenter med precision. Som ett spånvärmeavledningsmaterial kan det snabbt exportera spånvärme och förlänga spånets livslängd. Samtidigt kan den användas för att förbereda flexibla ledande filmer, fält-effekttransistorer, etc., vilket hjälper utvecklingen av den flexibla elektronikindustrin.

3. Fält för avancerade kompositmaterial: Används för förstärkning och modifiering av polymerkompositmaterial (plast, gummi, fibrer), metallmatriskompositmaterial och keramiska matriskompositmaterial, vilket förbättrar den mekaniska styrkan, elektrisk ledningsförmåga, värmeledningsförmåga och slitstyrka hos material. Det används i stor utsträckning i flyg- och rymdkomponenter, lättviktsdelar till fordon, hög-utrustningshöljen, etc., vilket gör att material uppgraderas med låg vikt och-prestanda.

4. Vetenskapligt forskningsfält: Som kärnbärare av nanomaterialforskning används det i stor utsträckning i laboratorieforskning vid universitet och vetenskapliga forskningsinstitut, inklusive forskning om prestanda hos kolnanomaterial, utveckling av nya funktionella material, forskning om elektroniska överföringsmekanismer och biomedicin (bärare av läkemedelsleverans), vilket ger kärnstöd för nanovetenskapens genombrott och teknologi.

5. Andra områden: Den kan användas för att förbereda-ledande ledande bläck och slitstarka-och anti-korrosionsbeläggningar, anpassad till behoven hos tryckt elektronik och hög-utrustningsskydd. Som ett miljöadsorptionsmaterial kan det användas för adsorption av tungmetaller och föroreningar, vilket bidrar till miljöstyrning. Samtidigt spelar den också en oersättlig roll inom-avancerade områden som nationellt försvar och militär industri och rymdutforskning.

IV. Industriell utveckling och tekniskt stöd för kolnanorör

Med den snabba uppgraderingen av den globala-avancerade industrin fortsätter marknadens efterfrågan på kolnanorör att växa, och industriutvecklingen förvandlas gradvis från "laboratorieforskning och -utveckling" till "stor-massproduktion och skräddarsydd applikation". Genombrottet för kärnteknik och stor-produktionskapacitet har blivit nyckeln till att främja populariseringen och tillämpningen av kolnanorör.

För närvarande har den inhemska kolnanorörsindustrin uppnått oberoende genombrott och brutit det långsiktiga-monopolet för utländska företag på området för-avancerat kolnanorör. Bland dem har företag med fullständig-kedjeteknisk styrka övervunnit tekniska kärnproblem som "exakt kontroll av ultra-fin partikelstorlek", "hög-stabilitetsspridning" och "massproduktion i stor-skala", och bildar en komplett industriell kedja från råvaruanskaffning, kärnprocessforskning och -utveckling, storskalig-tillverkning och kundanpassad produktion.}

Med Shandong TANFENG, ett ledande företag inom det inhemska kolnanorörsområdet, som ett exempel, som förlitar sig på ett professionellt FoU-team med i genomsnitt mer än 12 års erfarenhet, har det samlat på sig mer än 30 oberoende uppfinningspatent. Den har självständigt utvecklat exklusiva processer för ytmodifiering och precisionsrening, som exakt kan justera partikelstorlek, resistivitet och spridningsprestanda för kolnanorör. Den har byggt upp en exklusiv produktionsbas med internationell standard, utrustad med helautomatiska produktionslinjer med sluten-slinga, med en årlig produktionskapacitet på 1 000 ton, och realiserar fullständig-process intelligent kontroll för att säkerställa stabil batchprestanda. Det har byggt det mest kompletta professionella testcentret i branschen, utrustat med en komplett uppsättning importerad hög-precisionstestutrustning, för att heltäckande testa 18 nyckelindikatorer för att säkerställa produktkvalitet. Samtidigt tillhandahåller den "en30"-anpassade tjänster och fullständig-processteknisk support för att anpassa sig till olika branschers personliga behov och främja användningen av kolnanorör inom olika områden.

I framtiden, med kontinuerlig iteration av teknik och ytterligare optimering av produktionskostnader, kommer kolnanorör gradvis att tränga in i mer-till-höga-scenarier och ersätta traditionella material för att uppnå industriell uppgradering. Samtidigt, inom framväxande områden som kol-baserade chips, biomedicin och rymdutforskning, förväntas de öppna upp nya applikationsutrymmen och bli kärnkraften som driver den samordnade utvecklingen av nanovetenskap och teknik och hög-tillverkning.