碳纳米管薄膜简介

碳纳米管薄膜定义

碳纳米管薄膜是经过物理或化学方法，填充自由排列的碳纳米管阵列形成的二维碳纳米管网络结构。碳纳米管薄膜具有很好的力学性能，电学性能和独特的导热性能，化学性质稳定，是未来可预知的将被广泛使用的新兴材料之一。

     国内可以大批量制备碳纳米管薄膜的捷迪纳米科技有限公司，已将碳纳米管薄膜应用于智能穿戴行业。

性能表格

目录

1  发现历史

2  结构特征

3  理化性质

4  制备方法

5  主要应用

发现历史

1991年，日本NEC公司的饭岛澄男(Iijima) 用高分辨透射电镜观察到了碳纳米管并在Nature杂志上进行了报道。

1972年，通过对苯等蒸发碳氢化合物的热分解的平均­，成功生长出碳纤维，为FCCVD方法的发展奠定了基础。

1998年，为了实现高质量单、低成本的大规模合成，Cheng及其同事首次报道了一种采用改进的FCCVD工艺的新型合成方法。

2005年，Baughman研究组在Science杂志上报道了从碳纳米管垂直阵列中连续地抽出碳纳米管透明薄膜，薄膜长度可达米级。

2016年 中科院苏州纳米所先进材料部李清文团队首次利用共轭小分子4HP实现高纯度半导体性碳纳米管的高效分离，并且这种共轭小分子具有光降解性可用于制备表面“干净”的碳管薄膜。

随着碳纳米管的发现，FCCVD方法得到了用于合成碳纳米管的方法。CNT组装的结构控制和连续制备是FCCVD法合成CNT的主要发展方向。经过20多年的快速发展，FCCVD工艺已发展成为大规模制备CNT薄膜和纤维的重要技术，并在一些应用领域取得了工业生产成果。

结构特征

   碳纳米管(Carbon nanotube，CNT)，是由石墨片卷曲而形成的无缝中空管体。碳纳米管中的碳原子以sp2方式进行杂化成键，以六元环为基本结构单元，这使得碳纳米管具有很高的杨氏模量，是具有高断裂强度的材料，在弯曲情况下不容易损坏。碳纳米管薄膜是由单个碳纳米管形成的宏观薄膜结构，性能与碳纳米管构型、取向、缺陷程度、长径比等相关。

理化性质

力学性能

FCCVD方法制备的碳纳米管薄膜拉伸强度达到了9.6Gpa，弹性模量20Gpa。同时保持非常好的柔韧性，可10万次弯折。

电学性能

湿法制备的碳纳米管薄膜方块电阻约为130 Ω·sq−1，透光率为69%，并且通过控制浸渍的次数，可以很容易地调整薄膜的透明度和薄膜阻。另采用喷涂法可制备出导电率达到2100 S·cm−1的碳纳米管薄膜。

载流容量

碳纳米管薄膜的载流容量可以最高可以达到1GA/cm2，铜线在1000kA/cm2时即烧毁，因而可以适配非常高的电压。

高温稳定性

碳纳米管薄膜真空中可稳定至2800℃，空气中可稳定至650℃，加热方式为面加热，能量利用率较传统加热方式更高。

制备方法

碳纳米管薄膜制备方法包括湿处理和干处理。

湿法处理方法一般涉及表面活性剂吸附和超声分散、超离心等高能过程，更进一步划分为以下：

真空过滤法

通过超声获得在水中均匀分散的碳纳米管溶液，再通过真空抽滤的方法使碳纳米管沉积在滤膜上形成薄膜，在用去离子水冲洗后，得到干净的碳纳米管薄膜。

浸涂法

浸涂法是将基底浸入碳纳米管分散液中使碳纳米管吸附在基底上，一段时间后将其从溶液中拿出，待干燥后自然成膜从而得到连续的碳纳米管薄膜。

电化学沉积法

通过电场实现了排列规则的碳纳米管薄膜的制备

自组装法  
  自组装是指基本结构单元(单根碳纳米管)自发形成有序结构的一种技术。

干法制备碳纳米管薄膜，主要包括两种方法：

抽膜法

从碳纳米管垂直阵列的基体中直接抽取、拉丝形成碳纳米管薄膜。

化学气相沉积法

从漂浮的催化剂化学气相沉积(FCCVD)体系中沉积CNT薄膜。

主要应用

智能穿戴

碳纳米管薄膜具备优异的电热转化特性，且轻薄、柔软、耐水洗，与织物有非常好的相容性，是可穿戴加热的理想材料。

2022年冬奥智能加热服装关键技术研讨会在北京服装学院召开，交流了“国内智能加热技术”研究进展的情况。

透明导电薄膜

单壁碳纳米管（SWCNT）相互搭接形成的二维网络结构具有柔韧、透明、导电等特点，制备的透明的碳纳米管薄膜可以用于触控屏、平板显示器、光伏电池、有机发光二极管等电子和光电子器件。

柔性压力传感器

碳纳米管薄膜或粉体与高弹性的高分子材料复合，制备出电阻随压力线性变化的柔性压力传感器。

轻质屏蔽薄膜

柔性轻量化、厚度最小、机械性能优异、可靠性优异的高性能电磁干扰屏蔽材料是第五代(5G)通信领域的高度要求，但制造难度极高。碳纳米管薄膜具有优异的机械性能和超高的屏蔽效能，是制备轻质屏蔽膜的理想材料。

其他

碳纳米管薄膜在军工、化工、复合材料、航空航天、电子器件等领域，都展示非常大的应用潜力。