Introducció integral als nanotubs de carboni
Els nanotubs de carboni (CNT) són nanomaterials tubulars a escala nanodimensional uni-formats mitjançant l'encrespament d'àtoms de carboni de grafit com a unitat bàsica. Des del seu descobriment el 1991, basant-se en la seva microestructura única i un excel·lent rendiment integral, s'han convertit ràpidament en un punt d'investigació i un nucli d'aplicació en el camp dels nanomaterials, penetrant àmpliament en moltes indústries emergents estratègiques com ara la fabricació-de gamma alta, la nova energia, l'electrònica de precisió i l'aeroespacial. Es coneixen com "el material funcional més potencial del segle XXI".
I. Classificació bàsica dels nanotubs de carboni
Segons les diferències de microestructura, els nanotubs de carboni es poden dividir principalment en tres categories. Els productes de diferents categories tenen diferents enfocaments de rendiment i són adequats per a diferents escenaris. Actualment, els més utilitzats a la indústria són els pocs-nanotubs de carboni de paret i els nanotubs de carboni de paret múltiple-, mentre que els nanotubs de carboni ultra-fins, com a categoria segmentada-de gamma alta, se centren en les necessitats d'escenaris d'alta-precisió.
1. Nanotubs de carboni de paret simple-(SWCNTs): formats per ondular una sola capa de làmines de grafit, amb un diàmetre normalment entre 0,4-2 nm. Tenen una estructura regular, una taxa de defectes extremadament baixa i la millor conductivitat elèctrica i tèrmica. No obstant això, són difícils de preparar, fàcils d'aglomerar i tenen un cost elevat. S'utilitzen principalment en investigació científica d'alta gamma, xips electrònics de precisió i altres escenaris amb requisits de rendiment extrems.
2. Nanotubs de carboni amb paret múltiple (MWCNTs): formats per ondular múltiples capes de làmines de grafit concèntriques, amb un rang de diàmetres de 2-100 nm i una longitud fins al nivell del micròmetre. Tenen una tecnologia de preparació madura, un cost moderat i una estabilitat mecànica excel·lent, però la seva conductivitat elèctrica i dispersió són lleugerament inferiors a les dels nanotubs de carboni de paret simple-i poca-paret. S'utilitzen principalment en escenaris conductors i de reforç de gamma mitjana--de gamma alta, com ara recobriments conductors normals i modificacions de plàstic.
3. Pocs-nanotubs de carboni amb paret (FWCNTs): entre paret simple{-i paret múltiple{-, formats per ondular 2-5 capes de làmines de grafit, amb un diàmetre de 2-8nm. Tenen l'elevada conductivitat elèctrica dels nanotubs de carboni-de paret única i l'estabilitat mecànica dels nanotubs de carboni de parets múltiples, i tenen un millor rendiment de dispersió. Actualment són la millor opció per equilibrar rendiment i cost. Els nanotubs de carboni ultra-(diàmetre inferior o igual a 10 nm), com a segment de gamma alta de nanotubs de carboni de poques parets, milloren encara més la dispersió i l'adaptabilitat funcional i són adequats per a escenaris d'aplicació més precisos.
II. Característiques bàsiques dels nanotubs de carboni
L'excel·lent rendiment dels nanotubs de carboni prové de la seva estructura de grafit tubular única. Mostren avantatges més enllà dels materials tradicionals en moltes dimensions com la mecànica, l'electricitat, la termologia i la química, que també és la raó principal per la qual poden substituir materials tradicionals com el negre de carboni conductor i potenciar la millora industrial.
1. Característiques elèctriques: els nanotubs de carboni tenen una conductivitat elèctrica excel·lent, amb una resistivitat de volum tan baixa com 1,0×10⁻⁴-5,0×10⁻³ Ω·cm i una resistivitat superficial ajustable a 1,0×10¹-5,0×10² Ω/sq. Tenen una velocitat de transmissió d'electrons ràpida i la seva conductivitat elèctrica és molt millor que els materials tradicionals com el negre de carboni conductor i el grafit. A més, la seva estabilitat de resistència és forta, no es veu afectada fàcilment per factors ambientals com la temperatura i la humitat, i poden mantenir una conductivitat elèctrica d'alta eficiència durant molt de temps.
2. Característiques mecàniques: la resistència a la tracció dels nanotubs de carboni pot arribar als 40-80 GPa, el mòdul elàstic és tan alt com 1,0 × 10³-1,8 × 10³ GPa i la duresa és de 20-40 GPa, que és més de 100 vegades la de l'acer. Al mateix temps, tenen una excel·lent duresa i resistència al desgast. Afegir-ne una petita quantitat (1%-5%) als materials de la matriu com ara plàstics, cautxú i ceràmica pot millorar significativament la resistència mecànica, la resistència a l'impacte i la vida útil dels materials, aconseguint el doble objectiu de "lleuger + alt rendiment".
3. Característiques tèrmiques: la conductivitat tèrmica axial dels nanotubs de carboni pot arribar als 1500-3000 W/(m·K), la conductivitat tèrmica radial és de 50-100 W/(m·K) i la temperatura de resistència a la calor és de fins a 700 graus (en un ambient de gas inert). Poden mantenir un rendiment estable en un ampli rang de temperatures de -100 a 600 graus sense descomposició ni envelliment. Tenen una conductivitat tèrmica d'alta-eficiència i una excel·lent resistència a les altes temperatures, adequats per a processaments a alta temperatura i escenaris de dissipació de calor de gamma alta.
4. Característiques químiques i de dispersió: els nanotubs de carboni tenen una estabilitat química excel·lent, resistents a entorns químics durs com àcids forts, àlcalis forts i dissolvents orgànics, no reaccionen amb la majoria de productes químics i tenen una resistència a l'oxidació i corrosió excepcional. Després del tractament professional de modificació de superfícies, poden resoldre eficaçment el problema de l'aglomeració, aconseguir una dispersió uniforme en aigua, dissolvents orgànics i diversos materials de matriu sense afegir dispersants excessius, i l'estabilitat de la dispersió pot arribar a més de 72 hores.
5. Característiques ambientals: els nanotubs de carboni en si mateixos no són-tòxics, insípids i no tenen risc de contaminació per pols, i compleixen les normes internacionals de seguretat i protecció del medi ambient. En comparació amb les deficiències del negre de carboni conductor tradicional, que és propens a la contaminació per pols i alguns contenen impureses de metalls pesants, són més adequats per a les necessitats de productes de protecció ambiental i de gamma alta-, i es poden aplicar a escenaris de precisió relacionats amb l'ús mèdic i el contacte amb aliments.
III. Camps d'aplicació bàsics dels nanotubs de carboni
Basant-se en avantatges de rendiment complets, els nanotubs de carboni han substituït gradualment els materials conductors i de reforç tradicionals, convertint-se en el material de suport bàsic per a l'actualització de diverses indústries-de gamma alta. Els seus escenaris d'aplicació s'estan expandint constantment i abasten molts camps, des de la investigació científica fins a la producció en massa, i des de la-alta gamma civil fins a la defensa nacional i la indústria militar.
1. Nou camp d'energia: com a material funcional bàsic, s'utilitza àmpliament en productes com ara bateries de liti, supercondensadors i piles de combustible. A les bateries de liti, es pot utilitzar com a additiu conductor per millorar l'eficiència de càrrega i descàrrega, la vida del cicle i la densitat d'energia, solucionant el dolor que els agents conductors tradicionals tenen una gran quantitat d'addició i afecten la densitat d'energia de la bateria. En els supercondensadors, pot millorar la conductivitat elèctrica i l'eficiència d'emmagatzematge d'energia. A les piles de combustible, es pot utilitzar com a portador de catalitzador per millorar l'activitat i l'estabilitat catalítica.
2. Camp d'electrònica de precisió: adequat per a escenaris com ara blindatge antiestàtic, electromagnètic, dissipació de calor de xips i electrònica flexible. Es pot utilitzar per preparar recobriments antiestàtics i materials de blindatge electromagnètic, reduir l'electricitat estàtica a la superfície dels productes electrònics, millorar l'efecte de blindatge electromagnètic i garantir l'estabilitat de funcionament dels components electrònics de precisió. Com a material de dissipació de calor de xip, pot exportar ràpidament la calor de l'encenall i allargar la vida útil de l'encenall. Al mateix temps, es pot utilitzar per preparar pel·lícules conductores flexibles, transistors d'efecte de camp-, etc., ajudant al desenvolupament de la indústria electrònica flexible.
3. Camp de materials compostos avançats: s'utilitza per al reforç i la modificació de materials compostos polimèrics (plàstics, cautxú, fibres), materials compostos de matriu metàl·lica i materials compostos de matriu ceràmica, millorant la resistència mecànica, la conductivitat elèctrica, la conductivitat tèrmica i la resistència al desgast dels materials. S'utilitza àmpliament en components aeroespacials, peces lleugeres d'automòbils, carcasses d'equips d'alta-gama, etc., aconseguint la millora de materials lleugers i d'alt-rendiment.
4. Àmbit d'investigació científica: com a portador bàsic de la investigació de nanomaterials, s'utilitza àmpliament en la investigació de laboratori a universitats i instituts de recerca científica, incloent la investigació sobre el rendiment dels nanomaterials de carboni, el desenvolupament de nous materials funcionals, la investigació sobre mecanismes de transmissió electrònica i la biomedicina (portadors de lliurament de fàrmacs), proporcionant suport bàsic per a l'avenç de la nanociència i la tecnologia.
5. Altres camps: es pot utilitzar per preparar tintes conductores d'alta-gama i recobriments-resistents al desgast i anticorrosió-, adaptant-se a les necessitats d'electrònica impresa i protecció d'equips-de gamma alta. Com a material d'adsorció ambiental, es pot utilitzar per a l'adsorció de metalls pesants i contaminants, ajudant a la governança ambiental. Al mateix temps, també té un paper insubstituïble en camps-de gamma alta com ara la defensa nacional i la indústria militar i l'exploració espacial.
IV. Desenvolupament Industrial i Suport Tècnic de Nanotubs de Carboni
Amb la ràpida actualització de la indústria global{0}}de gamma alta, la demanda del mercat de nanotubs de carboni continua creixent i el desenvolupament de la indústria s'està transformant gradualment de la "investigació i desenvolupament de laboratori" a la "producció massiva a gran-escala i aplicació personalitzada". L'avenç de les tecnologies bàsiques i la-capacitat de producció a gran escala s'han convertit en la clau per promoure la popularització i l'aplicació dels nanotubs de carboni.
Actualment, la indústria nacional dels nanotubs de carboni ha aconseguit avenços independents, trencant el monopoli a llarg termini-de les empreses estrangeres en el camp dels nanotubs de carboni-de gamma alta. Entre elles, les empreses amb una força tècnica de cadena completa han superat problemes tècnics bàsics com ara "control precís de la mida de partícules ultra-fines", "dispersió d'alta-estabilitat" i "producció massiva a gran-escala", formant una cadena industrial completa des de l'adquisició de matèries primeres, la investigació i desenvolupament de processos bàsics, la producció de proves a gran-escala i serveis personalitzats.
Prenent com a exemple Shandong TANFENG, una empresa líder en el camp domèstic dels nanotubs de carboni, que compta amb un equip professional d'R + D amb una mitjana de més de 12 anys d'experiència, ha acumulat més de 30 patents d'invenció independents. Ha desenvolupat de forma independent processos exclusius de modificació de superfícies i purificació de precisió, que poden ajustar amb precisió la mida de les partícules, la resistivitat i el rendiment de dispersió dels nanotubs de carboni. Ha construït una base de producció exclusiva estàndard internacional, equipada amb línies de producció de bucle tancat-totalment automàtiques, amb una capacitat de producció anual de 1.000 tones, realitzant un control intel·ligent de-procés complet per garantir un rendiment estable del lot. Ha construït el centre de proves professional més complet del sector, equipat amb un conjunt complet d'equips de prova d'alta-precisió importats, per provar exhaustivament 18 indicadors clau per garantir la qualitat del producte. Al mateix temps, ofereix serveis personalitzats "un--un" i assistència tècnica de-procés complet per adaptar-se a les necessitats personalitzades de diferents indústries i promoure l'aplicació de nanotubs de carboni en diversos camps.
En el futur, amb la contínua iteració de la tecnologia i una millor optimització dels costos de producció, els nanotubs de carboni aniran penetrant gradualment en escenaris més--alts-, substituint els materials tradicionals per aconseguir la millora industrial. Al mateix temps, en camps emergents com ara els xips basats en carboni-, la biomedicina i l'exploració espacial, s'espera que obrin nous espais d'aplicació i esdevinguin la força central que impulsa el desenvolupament coordinat de la nanociència i la tecnologia i la fabricació-de gamma alta.