什么是CNT、SWCNT和MWCNT？CNT技術潛力何在？

作者：立厷 ? 早在2005年，Intel在一篇論文中曾指出：“制備出性能超越硅基N型晶體管的碳納米管器件是不可能的。”的確，隨著集成電路的發展，摩爾定律已走在失效的邊緣，尋求硅以外替代材料已成為信息產業的重要方向之一。雖然碳納米管被認為是一個非常有潛力的競爭者，但用傳統摻雜工藝制備碳納米管晶體管遇到了巨大困難。

2007年，上述團隊就提出了非摻雜制備碳納米管CMOS器件的方法，制備出了第一個性能超過同尺寸硅基晶體管的碳納米管晶體管器件。2017年，該團隊在《Science》上發文，首次制備了5nm技術節點的頂柵碳納米管場效應晶體管，該器件的本征性能和功耗綜合指標上性能相較同尺寸的傳統硅基晶體管器件約有10倍的優勢。

市場研究機構IDTechEx指出，隨著硅基器件尺寸逼近物理極限，硅柔性化處理已日趨接近天花板；碳基材料的突破也為柔性電子提供了更好的選擇。其中，CNT和石墨烯憑借優異的電性能、透光性特別是延展性，被公認為是柔性電子的“天選”材料。

先進材料市場廣闊

先進材料包羅萬象，如納米管和納米纖維、石墨烯和其他2D材料、量子點、超材料、氣凝膠、生物材料等等。研發方面有材料信息學，加工材料的新方法有3D打印和增材制造。實現的關鍵性能包括電磁干擾屏蔽、熱管理、低（或負）碳足跡、光電特性，還可以實現半導體和先進封裝制造工藝的演變，根據IDTechEx預測，先進材料所覆蓋的新應用如下：

電動汽車；

可穿戴設備；

自動駕駛汽車（ADAS）；

碳捕獲、利用和儲存（CCUS）：2040年全球碳捕獲能力將達到1265兆噸

5G和工業4.0。

什么是CNT、SWCNT和MWCNT？

首先，碳納米管（CNT）是一種特殊結構（徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級，管兩端基本上封口）的一維量子材料。其構成主要是數層到數十層呈六邊形排列的碳原子同軸圓管。層與層之間保持約0.34nm的固定距離，直徑一般為2-20nm。

CNT的用途

根據碳六邊形軸向的不同取向可以將CNT分為鋸齒形、扶手椅型和螺旋型三種。螺旋型CNT具有手性（chirality，指一個物體不能與其鏡像相重合的特性），鋸齒形和扶手椅型CNT沒有手性。

那么，什么又是SWCNT和MWCNT呢？按照卷起的石墨烯片材層數可分為單壁碳納米管（SWCNT，有些人將其稱為“石墨烯納米管”）和多壁碳納米管（MWCNT）。SWCNT是將石墨烯薄片卷成一根管子，其獨特物理性能使其成為一種通用添加劑，在全球50%的材料市場都有潛在應用。

SWCNT和MWCNT

SWCNT和MWCNT的性質和對材料的影響不同，就像石墨烯（單層碳原子）不同于石墨（多層碳原子）那樣。

SWCNT具有獨特性質，柔韌且長，有效濃度在0.01%以上，可以生產任何顏色或透明的導電材料，以保持或改善材料的機械性能。

SWCNT的特性

MWCNT剛性且短，有效濃度為0.5%-5%，只能用于生產黑色導電材料，不能用于透明導電材料，由于所需濃度高會降低材料的機械性能。

SWCNT是CNT家族中性能更高的變體。與MWCNT相比，取決于手性，它既可以提供優異的性能，如導電性，也可以提供完全獨特的半導體或金屬功能。不過，SWCNT也面臨著挑戰，尤其是在制造業（產量、雜質、有意義的一致性）和利用方面，特別是在團聚（agglomeration）方面。

MWCNT的蓬勃發展，主要是由鋰離子電池推動的。其年產量約為數千噸，很快將達到10萬噸，而SWCNT的產量仍低于100噸。

那么，SWCNT在哪些領域可以獲得成功呢？大致有二：

一是迭代改進：SWCNT通常可以通過提供較低載荷（不干擾加工或惡化母材性能）和改進的性能來取代其他添加劑，已用在有色聚合物膠衣（colored polymer gelcoat）、耐溫氟橡膠O型圈等方面。

二是革命性應用：采用SWCNT將為某些領域帶來無與倫比的性能，兩個領域是半導體和傳感器，包括量子計算和能量存儲。

大自然的恩賜

什么人類以前沒有使用SWCNT？因為在自然界中，只有不完全燃燒的碳中才會出現碳納米管。它最早是在森林大火后的樹木灰燼中發現的，數量可達數千噸。

樹木灰燼中發現了碳納米管

科學家也在原產地古印度的大馬士革鋼（一種為制造刀劍采用古老方法鍛造的復合型鋼）中發現了SWCNT的痕跡，還有中國古代的墨汁。

大馬士革鋼中也有碳納米管

1976年，日本科學家內藤森信在奧爾良大學進行研究時發現了碳納米管。

內藤森信

1991年，NEC（日本電氣）筑波研究所的飯島澄男（Sumio lijima）首次以論文形式報道了碳納米管。

數十年來，關于碳納米管的論文已有800,000余篇，專利50,000余件。研究證實，SWCNT可以作為地球上大多數材料的通用添加劑。然而，SWCNT直到最近才被用于工業，因為缺乏大規模生產技術，因此價格昂貴。

2013年，OCSiAl創造了第一項合成SWCNT的工業技術——TUBALL，成為第一個大規模應用的SWCNT品牌。

SWCNT品牌

與現有碳基材料相比，即使是0.01%的TUBALL也能以前所未有的方式改變其他材料的性質。當SWCNT分布在材料基體中時，會形成三維增強和導電網絡，具備了實現新特性的機制。

SWCNT納米管由碳原子組成，能夠在非常低的濃度下構建3D網絡，與任何其他導電和增強添加劑不同，對材料的原始顏色和關鍵性能影響最小。

碳原子構成的納米管

SWCNT的3D網絡能夠提供一種具有前所未有特性的材料。

SWCNT 3D網絡

CNT性能幾何？

既然是材料，力學性能首當其沖，CNT是目前可制備出的最高比強度的材料，其抗拉強度達50-200GPa，是鋼的100倍，密度卻只有1/6；彈性模量可達1TPa，與金剛石相當，約為鋼的5倍；硬度與金剛石相當，卻有良好的拉伸柔韌性；強度比同體積的鋼高100倍，重量卻不到1/6。

CNT結構與石墨片層結構相同，具有很好的電學性能，既可表現出金屬的電學性能，又具有半導體的電學性能。

熱學性能方面，通過合適的取向，CNT可以合成高各向異性熱傳導材料，實現良好的傳熱性能。其熱導率較高，在復合材料中摻雜微量CNT，即可顯著改善復合材料的熱導率。

CNT技術潛力何在？

如果能夠實現令人興奮的納米級性能，包括從機械性能到熱導率和導電率以及其他性能，就將產生深遠的全球影響。然而，眾所周知，現實與理論理想相去甚遠。

自20世紀90年代初成立以來，CNT成為了前景看好的材料，以下是其與銅比較的一些最佳報告值。

CNT和銅對比

其他好處還有：更高的彎曲強度、更低的溫度阻力系數（TCR）、更低的熱膨脹系數（CTE）、更好的耐腐蝕性和成本穩定性（在非常大體積下）；但問題是，在宏觀尺度方面，SWCNT的手性決定了其原子幾何形狀和電子結構；而MWCNT中不同壁上的手性差別也將導致石墨烯層被切割出不同的對稱性，因此手性優化至關重要。

另外，不同類型納米管需要各種技術和制造準備。制備納米管只是第一步，還需要考慮如何對其進行功能化、純化和/或分離以及集成，后處理和分散技術的重要進步也是任何市場成功的關鍵。

VACNT在用作TIM（熱界面材料）方面很有前景，已經探索了幾十年。其優點是穩定性、導電性和機械性能。碳纖維有兩種類型：嵌入樹脂和獨立片材/陣列材料。樹脂不僅會降低電導率，而且可能會限制溫度范圍。因此，最受關注的是純片材。它有三個需要不斷應對的主要挑戰：

固有導熱性：片材必須對齊、致密、均勻且相對無缺陷

熱接觸電阻：由于表面粗糙，估計只有3%-15%的陣列有助于熱傳輸

VACNT陣列的有效轉移：使用獨立CNT制造具有挑戰性，通常需要在700℃以上完成，因此與將接觸的基底不兼容。

堪稱新型戰略材料

儲能是目前CNT最廣泛的應用場景，它可以降低鋰電池內阻，提高克容量和高倍率放電功率密度；降低導電劑和粘結劑用量，延長使用壽命，提高低溫放電性能，降低快速充放電時的電池溫度，有助于超高溫、超低溫環境使用。

電子應用的形式主要是CNT導電塑料，其優點是電阻率為10-1-106，可以作為抗靜電材料、電磁屏蔽、柔性穿戴電子材料；還可以用作導電銀漿制造金屬化電極，是光伏電池制造的關鍵原材料。它可以替代50%的銀粉，大幅降低成本。

在航空航天領域，CNT的應用形式是增強材料，以其他工業材料作為基體，摻雜CNT形成復合材料；還可以將CNT添加到潤滑油中，其納米微粒分布于摩擦界面起到微軸承作用，進一步改善潤滑性能，減小摩擦；作為強化學穩定性的防腐劑，CNT能夠摻雜在涂料中達到防腐效果，減少因腐蝕帶來的損失。

新的擴張時代已經到來

2020年以后，在蓬勃發展的電動汽車鋰離子電池陰極的推動下，CNT應用進入了一個新的擴張時代。