全球碳纳米管行业现状分析应用范围广市场需求量及规模呈增长态势

2023-11-03 10:31

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一、碳纳米管分类

碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构的一维量子材料，其径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，约0.34 nm，直径一般为2~20 nm。

根据石墨烯层数，碳纳米管分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管两类，其中单壁碳纳米管较具优势，具体体现在：结构简单、化学性质稳定，添加量少、导电性优，弹性好、机械性能高。

单壁碳纳米管优势

优势	简介
结构简单、化学性质稳定	多壁碳纳米管形成过程中层与层之间容易成为陷阱中心而捕获各种缺陷,而单壁碳纳米管结构简单、均匀一致性好,且缺陷少、化学性质稳定。
添加量少、导电性优	由于单壁碳纳米管长度直径比较高,其能够在极低添加量下形成三维导电网络。同时,单壁碳纳米管有一-层碳原子,并根据空间的螺旋特性可表现出金属或半导体性能。此外,其强大的碳碳键使得其能够有更高的载流量,电流密度能够高于铜等金属1000倍以上。
弹性好、机械性能高	单壁碳纳米管具有更强的柔韧性,能够更好的弯曲、扭曲或扭结,其弹性模量和抗拉强度显著优于多壁碳纳米管。
导热性好	单壁碳纳米管的单位质量导热系数高于多壁碳纳米管,同时二者都能够承受750°C以上的高温。
制成品颜色多样	多壁碳纳米管通过提高添加量来改善机械性能和导电性,这会影响产品表面质量和颜色,如其只能生产黑色材料。由于单壁碳纳米管添加量普遍在0.01-0.1% ,因而能够生产任何颜色以及透明导电材料。

资料来源：观研天下整理

二、碳纳米管性能优势及应用领域

根据观研报告网发布的《中国碳纳米管行业发展深度分析与投资前景预测报告（2023-2030年）》显示，碳纳米管凭借最高的比强度、强柔韧性、良好的导电性、良好的导电性等特点，在商业化应用中的不同领域不断推进，主要包括超级电容器、催化剂载体、储氢材料、储氢材料、质子交换膜（PEM）燃料电池、复合材料等。

碳纳米管性能优势

性能优势	简介
最高的比强度	连接碳纳米管中碳原子的共价键是自然界最稳定的化学键。碳纳米管有极高的抗拉强度和弹性模量，与此同时，碳纳米管的密度却只有钢的1/6，是目前可以制备出的具有最高比强度的材料。
强柔韧性	碳纳米管强度高却不脆。弯曲碳纳米管或在轴向对其施加压力时，即使外力超过Euler强度极限或弯曲强度，碳纳米管也不会断裂，而是首先发生大角度弯曲，当外力释放后，碳纳米管又恢复原状。
良好的导电性	碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，具有良好的导电性。碳纳米管的电阻和其长度及直径无关，电子通过碳纳米管时不会产生热量加热碳纳米管。电子在碳纳米管中的传输就像光信号在光学纤维电缆中传输一样，能量损失微小，是优良的电池导电剂。
储氢性能良好	碳纳米管本身具有高比表面积，再经过处理后具有优异的储氢能力。
优越的嵌锂特性	碳纳米管的中空管腔、管与管之间的间隙、管壁中层与层之间的空隙及管结构中的各种缺陷，为锂离子提供了丰富的存储空间和运输通道。
化学稳定性	碳纳米管化学性质稳定，具有耐酸性和耐碱性。在高分子复合材料中添加碳纳米管可以提高材料本身的阻酸抗氧化性能。

资料来源：观研天下整理

碳纳米管应用领域

应用领域	简介
超级电容器	碳纳米管用作电双层电容器电极材料。电双层电容器既可用作电容器也可以作为一种能量存储装置。超级电容器可大电流充放电，几乎没有充放电过电压，循环寿命可达上万次，工作温度范围很宽。电双层电容器在声频、视频设备、调谐器、电话机和传真机等通讯设备及各种家用电器中均可得到广泛的应用。作为了电双层电容器的电极材料，要求该材料结晶度高、导电性好、比外表积大、微孔大小集中在一定的范围内。而目前一般用多孔炭作电极材料，不但微孔分布宽（国存储能量有奉献的孔不到30%），而且结晶度低、导电性差，导致容量小没有适宜的电极材料，这是限制电双层电容器在更广阔范围内使用的一个重要原因。碳纳米管比外表积大、结晶度高、导电性好，微孔大小可通过合成工艺加以控制，因而是一种理想的电双层电容器电极材料。
催化剂载体	碳纳米管材料比外表积大，外表原子比率大（约占总原子数的50%）。使体系的电子结构和晶体结构明显改变表现出特别的电子效应和外表效应，如气体通过碳纳米管的扩散速度为了通过常规催化剂颗粒的上千倍，负载催化剂后可极大提升催化剂的活性。选择性碳纳米管作为纳米材料家族的新成员，其特别的结构和外表特性、优异的储氢水平和金属及半导体导电性，使其在加氢、脱氢和择型催化等反响中具有很大的应用潜力。碳纳米管一旦在催化上获得应用，可望极大提升反响的活性和选择性，产生巨大的经济效益。
储氢材料	吸附是气体吸附质在固体吸附剂外表发生的行为，其发生的过程与吸附剂固体外表特征密切相关。对于纳米粒子的吸附机理，目前普遍认为纳米碳管的吸附作用主要是由于纳米粒子碳管的外表羟基作用。纳米碳管外表存在的羟基能够和某些阳离子键合，从而到达表观上对金属离子或有机物产生吸附作用。
质子交换膜（PEM）燃料电池	碳纳米管燃料电池是最具开展潜力的新型汽车动力源，这种燃料电池通过消耗氢产生电力，排出的废气为水蒸气，因此没有污染。它与锂离子电池及锐氢动力电池相比有巨大的优越性，可以用碳纳米管储氢材料储氢后供给氢，也可通过分解气油和其他碳氢化合物或直接从空气中获取氢给燃料电池提供氢源。
复合材料	碳纳米管除具有一般纳米粒子的尺寸效应外，还具有力学强度大、柔韧性好、电导率高等独特的性质，成为了聚合物复合材料理想的增加体，在化工、机械、电子、航空、航天等领域具有广泛的应用。但由于碳纳米管易聚集成束或缠绕，而且与其他纳米粒子相比，其外表是相对“惰性”的，在常见的有机溶剂或聚合物材料中的分散度低，这极大地制约了其广泛应用。因此，对碳纳米管的外表进行改性已成为了聚合物/碳纳米管复合材料的钻研热点之一。目前，国内外对碳纳米管外表改性的钻研主要是在其外表引入共价键和非共价键基团，例如采用外表化学反响改性、外表活性剂改性等，或采用聚合物分子对碳纳米管进行包覆改性等方法。近年来，还指出了紫外线照射、等离子射线改性等处理方法外表改性的碳纳米管，用丁聚合物复合材料可以显著改善材料的力学性能、电性能和热性能等。