什么是CNT、SWCNT和MWCNT？CNT技术潜力何在？

作者：立厷   早在2005年，Intel在一篇论文中曾指出：“制备出性能超越硅基N型晶体管的碳纳米管器件是不可能的。”的确，随着集成电路的发展，摩尔定律已走在失效的边缘，寻求硅以外替代材料已成为信息产业的重要方向之一。虽然碳纳米管被认为是一个非常有潜力的竞争者，但用传统掺杂工艺制备碳纳米管晶体管遇到了巨大困难。

2007年，上述团队就提出了非掺杂制备碳纳米管CMOS器件的方法，制备出了第一个性能超过同尺寸硅基晶体管的碳纳米管晶体管器件。2017年，该团队在《Science》上发文，首次制备了5nm技术节点的顶栅碳纳米管场效应晶体管，该器件的本征性能和功耗综合指标上性能相较同尺寸的传统硅基晶体管器件约有10倍的优势。

市场研究机构IDTechEx指出，随着硅基器件尺寸逼近物理极限，硅柔性化处理已日趋接近天花板；碳基材料的突破也为柔性电子提供了更好的选择。其中，CNT和石墨烯凭借优异的电性能、透光性特别是延展性，被公认为是柔性电子的“天选”材料。

先进材料市场广阔

先进材料包罗万象，如纳米管和纳米纤维、石墨烯和其他2D材料、量子点、超材料、气凝胶、生物材料等等。研发方面有材料信息学，加工材料的新方法有3D打印和增材制造。实现的关键性能包括电磁干扰屏蔽、热管理、低（或负）碳足迹、光电特性，还可以实现半导体和先进封装制造工艺的演变，根据IDTechEx预测，先进材料所覆盖的新应用如下：

电动汽车；

可穿戴设备；

自动驾驶汽车（ADAS）；

碳捕获、利用和储存（CCUS）：2040年全球碳捕获能力将达到1265兆吨

5G和工业4.0。

什么是CNT、SWCNT和MWCNT？

首先，碳纳米管（CNT）是一种特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管两端基本上封口）的一维量子材料。其构成主要是数层到数十层呈六边形排列的碳原子同轴圆管。层与层之间保持约0.34nm的固定距离，直径一般为2-20nm。

CNT的用途

根据碳六边形轴向的不同取向可以将CNT分为锯齿形、扶手椅型和螺旋型三种。螺旋型CNT具有手性（chirality，指一个物体不能与其镜像相重合的特性），锯齿形和扶手椅型CNT没有手性。

那么，什么又是SWCNT和MWCNT呢？按照卷起的石墨烯片材层数可分为单壁碳纳米管（SWCNT，有些人将其称为“石墨烯纳米管”）和多壁碳纳米管（MWCNT）。SWCNT是将石墨烯薄片卷成一根管子，其独特物理性能使其成为一种通用添加剂，在全球50%的材料市场都有潜在应用。

SWCNT和MWCNT

SWCNT和MWCNT的性质和对材料的影响不同，就像石墨烯（单层碳原子）不同于石墨（多层碳原子）那样。

SWCNT具有独特性质，柔韧且长，有效浓度在0.01%以上，可以生产任何颜色或透明的导电材料，以保持或改善材料的机械性能。

SWCNT的特性

MWCNT刚性且短，有效浓度为0.5%-5%，只能用于生产黑色导电材料，不能用于透明导电材料，由于所需浓度高会降低材料的机械性能。

SWCNT是CNT家族中性能更高的变体。与MWCNT相比，取决于手性，它既可以提供优异的性能，如导电性，也可以提供完全独特的半导体或金属功能。不过，SWCNT也面临着挑战，尤其是在制造业（产量、杂质、有意义的一致性）和利用方面，特别是在团聚（agglomeration）方面。

MWCNT的蓬勃发展，主要是由锂离子电池推动的。其年产量约为数千吨，很快将达到10万吨，而SWCNT的产量仍低于100吨。

那么，SWCNT在哪些领域可以获得成功呢？大致有二：

一是迭代改进：SWCNT通常可以通过提供较低载荷（不干扰加工或恶化母材性能）和改进的性能来取代其他添加剂，已用在有色聚合物胶衣（colored polymer gelcoat）、耐温氟橡胶O型圈等方面。

二是革命性应用：采用SWCNT将为某些领域带来无与伦比的性能，两个领域是半导体和传感器，包括量子计算和能量存储。

大自然的恩赐

什么人类以前没有使用SWCNT？因为在自然界中，只有不完全燃烧的碳中才会出现碳纳米管。它最早是在森林大火后的树木灰烬中发现的，数量可达数千吨。

树木灰烬中发现了碳纳米管

科学家也在原产地古印度的大马士革钢（一种为制造刀剑采用古老方法锻造的复合型钢）中发现了SWCNT的痕迹，还有中国古代的墨汁。

大马士革钢中也有碳纳米管

1976年，日本科学家内藤森信在奥尔良大学进行研究时发现了碳纳米管。

内藤森信

1991年，NEC（日本电气）筑波研究所的饭岛澄男（Sumio lijima）首次以论文形式报道了碳纳米管。

数十年来，关于碳纳米管的论文已有800,000余篇，专利50,000余件。研究证实，SWCNT可以作为地球上大多数材料的通用添加剂。然而，SWCNT直到最近才被用于工业，因为缺乏大规模生产技术，因此价格昂贵。

2013年，OCSiAl创造了第一项合成SWCNT的工业技术——TUBALL，成为第一个大规模应用的SWCNT品牌。

SWCNT品牌

与现有碳基材料相比，即使是0.01%的TUBALL也能以前所未有的方式改变其他材料的性质。当SWCNT分布在材料基体中时，会形成三维增强和导电网络，具备了实现新特性的机制。

SWCNT纳米管由碳原子组成，能够在非常低的浓度下构建3D网络，与任何其他导电和增强添加剂不同，对材料的原始颜色和关键性能影响最小。

碳原子构成的纳米管

SWCNT的3D网络能够提供一种具有前所未有特性的材料。

SWCNT 3D网络

CNT性能几何？

既然是材料，力学性能首当其冲，CNT是目前可制备出的最高比强度的材料，其抗拉强度达50-200GPa，是钢的100倍，密度却只有1/6；弹性模量可达1TPa，与金刚石相当，约为钢的5倍；硬度与金刚石相当，却有良好的拉伸柔韧性；强度比同体积的钢高100倍，重量却不到1/6。

CNT结构与石墨片层结构相同，具有很好的电学性能，既可表现出金属的电学性能，又具有半导体的电学性能。

热学性能方面，通过合适的取向，CNT可以合成高各向异性热传导材料，实现良好的传热性能。其热导率较高，在复合材料中掺杂微量CNT，即可显著改善复合材料的热导率。

CNT技术潜力何在？

如果能够实现令人兴奋的纳米级性能，包括从机械性能到热导率和导电率以及其他性能，就将产生深远的全球影响。然而，众所周知，现实与理论理想相去甚远。

自20世纪90年代初成立以来，CNT成为了前景看好的材料，以下是其与铜比较的一些最佳报告值。

CNT和铜对比

其他好处还有：更高的弯曲强度、更低的温度阻力系数（TCR）、更低的热膨胀系数（CTE）、更好的耐腐蚀性和成本稳定性（在非常大体积下）；但问题是，在宏观尺度方面，SWCNT的手性决定了其原子几何形状和电子结构；而MWCNT中不同壁上的手性差别也将导致石墨烯层被切割出不同的对称性，因此手性优化至关重要。

另外，不同类型纳米管需要各种技术和制造准备。制备纳米管只是第一步，还需要考虑如何对其进行功能化、纯化和/或分离以及集成，后处理和分散技术的重要进步也是任何市场成功的关键。

VACNT在用作TIM（热界面材料）方面很有前景，已经探索了几十年。其优点是稳定性、导电性和机械性能。碳纤维有两种类型：嵌入树脂和独立片材/阵列材料。树脂不仅会降低电导率，而且可能会限制温度范围。因此，最受关注的是纯片材。它有三个需要不断应对的主要挑战：

固有导热性：片材必须对齐、致密、均匀且相对无缺陷

热接触电阻：由于表面粗糙，估计只有3%-15%的阵列有助于热传输

VACNT阵列的有效转移：使用独立CNT制造具有挑战性，通常需要在700℃以上完成，因此与将接触的基底不兼容。

堪称新型战略材料

储能是目前CNT最广泛的应用场景，它可以降低锂电池内阻，提高克容量和高倍率放电功率密度；降低导电剂和粘结剂用量，延长使用寿命，提高低温放电性能，降低快速充放电时的电池温度，有助于超高温、超低温环境使用。

电子应用的形式主要是CNT导电塑料，其优点是电阻率为10-1-106，可以作为抗静电材料、电磁屏蔽、柔性穿戴电子材料；还可以用作导电银浆制造金属化电极，是光伏电池制造的关键原材料。它可以替代50%的银粉，大幅降低成本。

在航空航天领域，CNT的应用形式是增强材料，以其他工业材料作为基体，掺杂CNT形成复合材料；还可以将CNT添加到润滑油中，其纳米微粒分布于摩擦界面起到微轴承作用，进一步改善润滑性能，减小摩擦；作为强化学稳定性的防腐剂，CNT能够掺杂在涂料中达到防腐效果，减少因腐蚀带来的损失。

新的扩张时代已经到来

2020年以后，在蓬勃发展的电动汽车锂离子电池阴极的推动下，CNT应用进入了一个新的扩张时代。

总之，以石墨烯、碳纳米管、金刚石等材料为核心的碳基功能材料和器件研究方兴未艾，碳基电子学已成为主导未来高科技竞争的颠覆性技术之一。

编辑：峰会