碳纳米管增强复合材料的功能与应用

一、碳纳米管简介

碳纳米管(CNT) 是将石墨烯卷成圆柱体制成的微型管状结构。石墨烯由排列成六边形环状的碳原子构成。这些管直径从0.4 纳米到 50 纳米不等。CNT 重量轻，但非常坚固耐用。它们拥有强大的碳键，使其具备极佳性能。它们还能承受高温。CNT可分为三类：单壁碳纳米管(SWCNT)、双壁碳纳米管 (DWCNT) 和多壁碳纳米管 (MWCNT)。极高的表面积和大的纵横比赋予了它们非凡的机械强度（比钢高 100 倍）以及与铜相似的热导率和电导率。

图1.（a）单壁碳纳米管 （b）多壁碳纳米管的示意图

碳纳米管(CNT) 具有广泛的应用，涵盖材料科学、能源、电子、传感器等各个领域。碳纳米管具有优异的机械性能，被广泛用于碳复合材料和含有碳纳米管作为填料的复合材料。相反，它的热性能可用于散热等应用。高表面积/体积比使碳纳米管可用作传感器，特别是在生物医学应用中。由于碳纳米管具有高电导率，因此在电子产品中可用作超级电容器和执行器。除此之外，碳纳米管还可用作储氢、纳米机电设备等的扫描探针针尖。碳纳米管的生物医学应用范围从组织工程（促进神经元生长）到开发坚固轻便的假肢和神经假肢，因为它们能够与电活性组织相互作用并且具有出色的灵活性。

制备碳纳米管的方法主要有三种，电弧、激光烧蚀和化学气相沉积（CVD）。电弧法主要用于制备SWCNT，是一种简单快速的方法，但它不适合大规模生产，并且该方法制备的CNT表现出许多缺陷，例如屈服强度低和难以纯化。CVD法可以在低温和常压下制备CNT，并且该方法易于实现并且成本低廉。通过CVD可以大量制造CNT，并且可以在生长过程中控制壁的数量，直径，长度和取向。由于特殊的分子结构和碳原子之间超强的结合力，CNT的性能优于所有现有的纤维，被公认为未来的超级纤维。由于碳纳米管在电学、热学、力学、化学等各方面表现出优异的性能，其应用涉及电子电气元件、生物医药产品、复合材料、化学传感器等领域。碳纳米管在改善金属基复合材料的力学性能、摩擦学性能、电导率和热导率方面发挥着重要作用，如镁、铝、铜、镍、钛和铁基纳米复合材料。作为陶瓷基复合材料（CMC）的增强材料，碳纳米管还能提高其韧性并增强其塑性变形能力。CNT 增强 FRP 材料在航空航天、汽车工程、海洋工程、运动器材等许多领域也得到了广泛的应用。

二、碳纳米管聚合物复合材料与增强复合材料

聚合物复合材料由于其在机械、热和电性能方面具有优异的综合性能，因此应用范围十分广泛。在聚合物树脂中加入纳米填料可以为几乎所有领域的材料提供有前景的性能。例如，与凯夫拉纤维和碳纤维等其他高性能纤维相比，将碳纳米管用作聚合物复合材料的增强材料可实现显著更高的机械强度和弹性模量。具体而言，它们的拉伸强度和弹性模量分别达到150 GPa 和 1 TPa，这标志着它们比钢强度更高、刚度更大，同时重量却轻三到五倍。下表总结了各个领域对碳纳米管-聚合物复合材料的最新研究。

作为增强体，除了提高CNT改性复合材料的力学性能外，其导电性能和其他功能特性使其在实际工程中非常具有吸引力。近年来，随着许多智能新材料的发展，碳纳米管凭借其优异的强度和刚度，可以作为高质量的增强体，显著提高增强塑料层间的结合力。这种多尺度、多功能的增强材料不仅充分利用了CNT优异的力学性能，还保留了传统纤维增强材料的优异性能，同时还增加了纳米材料的功能（导电性、传感性和热阻性）。该材料适用于对增强塑料材料层间结合力要求较高的复杂载荷环境，如鸟撞、工具掉落（冲击载荷）、风力涡轮机叶片的循环旋转（疲劳载荷）等。此外，轻质高强材料在实际应用中还能有效提高能耗效率。

2010年，Zyvex Technologies公司推出了轻型复合材料舰船“食人鱼”（Piranha）无人水面舰艇。2012年，Zyvex公司使用纳米复合材料制造了另一艘载人远程舰船LRV-17的舱门和其他封闭部件。LRV-17在海上的最大速度可超过40节，续航里程可达1500海里，是同等大小舰船续航里程的三倍多。这些舰船由Zyvex公司使用Arovex®预浸料制造，Arovex®预浸料是Zyvex公司的高级CNT增强纤维预浸料。该材料是由碳纳米管、石墨烯和碳纤维复合材料制成的增强材料（图2为该材料示意图），性能优异，弯曲模量、弯曲弹性模量和断裂韧性分别提升了35%、26%和194%。Arovex®预浸料的这些卓越性能意味着其耐久性大幅提升、机械性能更佳、失效概率更低，并且定制产品性价比更高。使用该材料可以显著减轻船体（例如舱门）的重量，从而与现有部件完全兼容，并保持与标准铝产品相同的强度。

图2. Zyvex 公司的预浸料示意图在 CNT 和树脂体系之间架起了“桥梁”。

(上) 普通碳纤维预浸料 (下) 在基质中添加 CNT 的碳纤维预浸料。

三、碳纳米管复合材料的应用领域

1.电子应用

碳纳米管-聚合物复合材料在电子领域，尤其是在电子设备开发中的应用正在迅速兴起。对具有定制电性能的先进材料的需求日益增长，使得碳纳米管成为电气和电子设备中最具吸引力的纳米材料。同时，碳纳米管-聚合物复合材料在制备太阳能电池方面也非常有用。弹性碳纳米管-聚合物复合材料具有通过丝网印刷技术生产新型光伏电池的巨大潜力。碳纳米管-聚合物复合材料具有较高的光学透射率，且制造工艺成本较低。纳米复合材料具有更好的弹性性能和显著增强的光学和电学参数，使其有可能用作太阳能电池涂层。

2. 航空航天应用

航空航天工业需要强度极高且耐用的材料作为航天设备中的组件嵌入。由于碳纳米管(CNT) 具有多种特性，在航空航天领域，研究人员积极研究碳纳米管复合材料，以提高环氧树脂复合材料的电气性能。因此，碳纳米管-聚合物复合材料在航空航天领域至关重要，因为它们的结构特性可应用于防雷达保护器、防静电材料和航天器等领域。自 2006 年以来，碳纳米管增强环氧聚合物复合材料已广泛用于航空航天/航天器的研发。碳纳米管是一种新兴的先进材料，可以使结构重量轻、耐高温，并具有很高的强度重量比。CNT 增强聚合物复合材料可用作吸热介质，例如在航空航天工业中作为电磁波吸收材料。

3. 汽车应用

在汽车领域，纳米复合材料（尤其是碳纳米管复合材料）可在许多方面带来益处，包括改进现有技术。碳纳米管增强聚合物复合材料可应用于汽车零部件，包括排气系统、催化转化器、悬架和制动系统、电子设备、发动机、动力应变材料和车身部件。此前，云母、碳酸钙和滑石粉等传统填料广泛应用于汽车零部件，以提高熔体粘度、光学透明度和刚度性能。例如，玻璃纤维因其高刚度而被引入，但其制造难度大，导致生产成本较高。此外，传统填料和玻璃纤维必须以高含量添加才能改善尺寸稳定性、增加机械模量并提高表面质量。因此，在该行业引入碳纳米管-聚合物复合材料有助于解决传统填料的上述问题。

CNT-聚合物复合材料被发现具有较高的强度重量比，因为轻量化汽车可以降低燃料消耗。这将减少汽车的二氧化碳排放，有助于减缓全球变暖。汽车重量减轻 25% 可减少原油消耗量每年高达 2.5 亿桶。许多汽车制造公司已在行李箱盖、汽车座椅、仪表板覆盖物和车顶中使用纳米复合材料。

此外，在环氧复合材料中添加MWCNT 可以提高基质的粘附强度，从而有助于降低吸水率、提高疏水性和耐腐蚀性。

4. 传感器

CNT 增强聚合物复合材料具有检测空气中化学物质的强大能力，可用于各种用途。由于它们具有良好的气体分子感应能力，因此将有利于太空探索、环境监测以及医疗、工业和农业应用。例如，在工业和医疗环境中，监测环境污染需要检测一氧化碳、氮氧化物和铵。

5. 体育用品

此类复合材料最令人兴奋的特性之一是其重量轻、强度高和刚度大，这使它们成为极佳的填料。由于碳纳米管复合材料具有高刚度和强度，纳米复合材料已被制成结构产品和应用，如土木工程结构和体育用品。对于羽毛球拍和高尔夫球具等优质复合体育用品，环氧树脂已被用来增强碳纳米管填料。因此，这类树脂具有优异的比强度、刚度、耐化学性和尺寸稳定性。

6. 风力涡轮机叶片

可再生能源行业目前正在迅速发展，以取代煤炭和石油等传统能源。增长最快的能源生产行业之一是风能。根据美国能源部的数据，目标到2030年通过风力发电满足其总能源需求的至少20%。因此，风电行业打算通过生产重量更轻的大型叶片来提高效率和优化能源生产。这是因为风能的产量随着转子半径的平方面积的增加而增加。当前目标是生产具有良好机械性能、重量轻和疲劳寿命长的大型风力叶片。然而，这一目标对许多研究人员来说是一个巨大的挑战，因为大多数轻质、高强度和高刚度材料的原材料和生产成本都很高。

为了解决这个问题，CNT 增强聚合物基质是一种可用于生产风电叶片的潜在材料。之前的研究显示，CNT 填料作为增强剂的应用凸显了 CNT 对复合材料刚度和强度的影响。最近的研究发现，在复合材料中加入 CNT 填料可以增强抗疲劳性，从而延长疲劳寿命。因此，许多研究人员最近正在研究 CNT 增强热固性聚合物复合材料，以提高风电叶片的拉伸和疲劳性能。一般来说，环氧聚合物不适合大规模生产风电叶片，因为它们的疲劳寿命较短，断裂韧性较差。这反过来又限制了风电叶片的长期使用寿命和可靠性。因此，研究必须侧重于 CNT-聚合物复合材料在循环载荷下的长期前景，以用于需要延长疲劳寿命的结构应用。

例如，在环氧聚合物中添加0.2 wt.% 的碳纳米管可增强复合材料的抗疲劳性。这可以通过在共聚物的帮助下通过超声处理将碳纳米管分散到整个环氧树脂中来实现。多项研究表明碳纳米管增强聚合物复合材料是最有希望成为高疲劳寿命的候选材料，可用于主要结构和动态应用。

7. 环境修复

在全球范围内，城市化和工业化导致的污染率上升已对环境生态系统造成了巨大的负面影响。动植物可能受到各种污染物的不利影响，例如化学、物理、放射性和生物污染物。过去几十年来，由于受污染废物被排放到水系统中，水污染已成为一个世界性问题。必须采取预防措施，以减少对环境的灾难性影响。

在这种情况下，应用碳纳米管复合材料是治理环境污染的一种方法。碳纳米管因其巨大的可及外表面积、高的纤维形状长宽比以及与水中带电污染物的强静电相互作用，对不同类型的环境污染物具有特殊的吸附能力。具体来说，碳纳米管可以在其外表面、开放部分、碳纳米管束线边界处的凹槽以及管束之间的间隙中吸附污染物颗粒。可以看出，碳纳米管具有良好的膜分离能力，这在水处理过程中尤其有用。碳纳米管表面结构还具有细胞毒性作用，可以抑制微生物的生长。纳米填料也被证明可以为碳纳米管过滤器提供自清洁性能。碳纳米管也被认为是固定化酶的良好催化剂。在这种情况下，碳纳米管上的固定化酶表现出更高的稳定性、更宽的pH范围、更好的储存稳定性、更好的电容去离子性和更高的可重复使用性。此外，碳纳米管增强聚合物膜具有良好的扩散能力，这使其在水净化和重金属离子、小分子、有机化学物质和放射性核素的吸附系统中具有重要意义。

四、CNT生产的经济性分析

由于先进纳米技术的无数应用，预计CNT 的产量将会增加。2018 年，CNT 市场规模预计将从 45.5 亿美元增长到 2023 年的 98.4 亿美元（），复合年增长率 (CAGR) 为 16.70%。CNT 市场的增长受到 CNT 成本结构、加工难度以及替代品或特定功能组（如碳化硅纳米管 (SiCNT)）的可用性的影响。用于生产碳纳米管的方法，例如电弧放电和激光烧蚀方法，复杂、昂贵、对自然有害，并且对于大规模生产 CNT 来说不经济。预计亚太国家 (APAC) 碳纳米管市场在预测期内将以最高的复合年增长率增长。这归因于印度、中国、中国台湾、韩国、越南和新加坡对CNT 的强劲需求；由于工业产量的增长，中国目前在碳纳米管（CNT）需求方面处于领先地位，并且是全球最大的碳纳米管消费国。在场发射显示器、集成电路、储氢、锂电池、太阳能光伏电池、燃料电池、化学传感器和药物输送等应用领域，对碳纳米管的需求一直在快速增长。商业化程度的提高、装机容量的提升以及降低价格、提高质量和开发更先进产品的技术进步，是碳纳米管市场的趋势。这包括航空航天和汽车工业对碳纳米管的需求，旨在使航空航天部件更坚固、更耐用、更耐用。该行业正在努力减轻重量，以持续降低油耗，进而降低运营成本。碳纳米管可用于航空航天和汽车工业，以改进（或定制）其特性，从而提高其功能性能，尤其是其机械或电气性能，或提供轻质和导电等多功能特性。此外，具有独特的一维管状结构、优异的电导率和热导率以及显著增大的表面积的碳纳米管被认为是增强锂电池性能的最佳纳米材料。预计在较长预测期内，锂电池将占据最高的市场份额。在需要轻量化和高能量密度电池解决方案的汽车中，对锂离子电池的需求正在迅速增长。这些电池提供最高的单位重量能量密度，广泛应用于手机、笔记本电脑和混合动力汽车。

2025年11月11日，为深入了解碳纳米管材料的最新发展趋势，探索国际市场对CNT材料的创新应用。协会将组织日本复合材料考察团访问日本Carbonfly株式会社。该社近期发布了CyFT预浸料，一种将碳纤维与CNT组合的新一代混合预浸料，充分利用CNT的轻量性和高韧性，并弥补了碳纤维的脆性。此次活动意在实地了解碳纳米管技术研发，探讨如何将实验材料转化为实用素材，突破量产成本与供给难题，并丰富国际合作与市场拓展经验，欢迎各会员单位报名此次考察。

【走出去】日本考察-中国复材协会2025日本展会参展及企业考察团招募中

参观报名：

王聪炜13371637051  李浩然13371677253  卢宏萍13911168091

邮箱：ccia@ccia.xin  电话：010-88875799

参考资料：

1.Carbon Nanotubes (CNT) Market by Type (Single, Multi Walled), Method (Chemical Vapor Deposition, Catalytic Chemical Vapor Deposition, High Pressure Carbon Monoxide), Application (Electronics, Chemical, Batteries, Energy, Medical)—Global Forecast to 2023. 

2.Da Luz, F.S.; Garcia Filho, F.D.C.; Del-Rio, M.T.G.; Nascimento, L.F.C.; Pinheiro, W.A.; Monteiro, S.N. Graphene-incorporated natural fiber polymer composites: A first overview. Polymers 2020, 12, 1601

3.Fabrication, Functionalization, and Application of Carbon Nanotube-Reinforced Polymer Composite: An Overview. N. M. Nurazzi, M.R.M. Asyraf. Polymers 2021, 13(7), 1047

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