一、碳納米管簡(jiǎn)介

碳納米管(CNT) 是將石墨烯卷成圓柱體制成的微型管狀結(jié)構(gòu)。石墨烯由排列成六邊形環(huán)狀的碳原子構(gòu)成。這些管直徑從0.4 納米到 50 納米不等。CNT 重量輕，但非常堅(jiān)固耐用。它們擁有強(qiáng)大的碳鍵，使其具備極佳性能。它們還能承受高溫。CNT可分為三類(lèi)：?jiǎn)伪谔技{米管(SWCNT)、雙壁碳納米管 (DWCNT) 和多壁碳納米管 (MWCNT)。極高的表面積和大的縱橫比賦予了它們非凡的機(jī)械強(qiáng)度（比鋼高 100 倍）以及與銅相似的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率。

圖1.（a）單壁碳納米管 （b）多壁碳納米管的示意圖

碳納米管(CNT) 具有廣泛的應(yīng)用，涵蓋材料科學(xué)、能源、電子、傳感器等各個(gè)領(lǐng)域。碳納米管具有優(yōu)異的機(jī)械性能，被廣泛用于碳復(fù)合材料和含有碳納米管作為填料的復(fù)合材料。相反，它的熱性能可用于散熱等應(yīng)用。高表面積/體積比使碳納米管可用作傳感器，特別是在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中。由于碳納米管具有高電導(dǎo)率，因此在電子產(chǎn)品中可用作超級(jí)電容器和執(zhí)行器。除此之外，碳納米管還可用作儲(chǔ)氫、納米機(jī)電設(shè)備等的掃描探針針尖。碳納米管的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用范圍從組織工程（促進(jìn)神經(jīng)元生長(zhǎng)）到開(kāi)發(fā)堅(jiān)固輕便的假肢和神經(jīng)假肢，因?yàn)樗鼈兡軌蚺c電活性組織相互作用并且具有出色的靈活性。

制備碳納米管的方法主要有三種，電弧、激光燒蝕和化學(xué)氣相沉積（CVD）。電弧法主要用于制備SWCNT，是一種簡(jiǎn)單快速的方法，但它不適合大規(guī)模生產(chǎn)，并且該方法制備的CNT表現(xiàn)出許多缺陷，例如屈服強(qiáng)度低和難以純化。CVD法可以在低溫和常壓下制備CNT，并且該方法易于實(shí)現(xiàn)并且成本低廉。通過(guò)CVD可以大量制造CNT，并且可以在生長(zhǎng)過(guò)程中控制壁的數(shù)量，直徑，長(zhǎng)度和取向。由于特殊的分子結(jié)構(gòu)和碳原子之間超強(qiáng)的結(jié)合力，CNT的性能優(yōu)于所有現(xiàn)有的纖維，被公認(rèn)為未來(lái)的超級(jí)纖維。由于碳納米管在電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)、化學(xué)等各方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，其應(yīng)用涉及電子電氣元件、生物醫(yī)藥產(chǎn)品、復(fù)合材料、化學(xué)傳感器等領(lǐng)域。碳納米管在改善金屬基復(fù)合材料的力學(xué)性能、摩擦學(xué)性能、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率方面發(fā)揮著重要作用，如鎂、鋁、銅、鎳、鈦和鐵基納米復(fù)合材料。作為陶瓷基復(fù)合材料（CMC）的增強(qiáng)材料，碳納米管還能提高其韌性并增強(qiáng)其塑性變形能力。CNT 增強(qiáng) FRP 材料在航空航天、汽車(chē)工程、海洋工程、運(yùn)動(dòng)器材等許多領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。

二、碳納米管聚合物復(fù)合材料與增強(qiáng)復(fù)合材料

聚合物復(fù)合材料由于其在機(jī)械、熱和電性能方面具有優(yōu)異的綜合性能，因此應(yīng)用范圍十分廣泛。在聚合物樹(shù)脂中加入納米填料可以為幾乎所有領(lǐng)域的材料提供有前景的性能。例如，與凱夫拉纖維和碳纖維等其他高性能纖維相比，將碳納米管用作聚合物復(fù)合材料的增強(qiáng)材料可實(shí)現(xiàn)顯著更高的機(jī)械強(qiáng)度和彈性模量。具體而言，它們的拉伸強(qiáng)度和彈性模量分別達(dá)到150 GPa 和 1 TPa，這標(biāo)志著它們比鋼強(qiáng)度更高、剛度更大，同時(shí)重量卻輕三到五倍。下表總結(jié)了各個(gè)領(lǐng)域?qū)μ技{米管-聚合物復(fù)合材料的最新研究。

作為增強(qiáng)體，除了提高CNT改性復(fù)合材料的力學(xué)性能外，其導(dǎo)電性能和其他功能特性使其在實(shí)際工程中非常具有吸引力。近年來(lái)，隨著許多智能新材料的發(fā)展，碳納米管憑借其優(yōu)異的強(qiáng)度和剛度，可以作為高質(zhì)量的增強(qiáng)體，顯著提高增強(qiáng)塑料層間的結(jié)合力。這種多尺度、多功能的增強(qiáng)材料不僅充分利用了CNT優(yōu)異的力學(xué)性能，還保留了傳統(tǒng)纖維增強(qiáng)材料的優(yōu)異性能，同時(shí)還增加了納米材料的功能（導(dǎo)電性、傳感性和熱阻性）。該材料適用于對(duì)增強(qiáng)塑料材料層間結(jié)合力要求較高的復(fù)雜載荷環(huán)境，如鳥(niǎo)撞、工具掉落（沖擊載荷）、風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的循環(huán)旋轉(zhuǎn)（疲勞載荷）等。此外，輕質(zhì)高強(qiáng)材料在實(shí)際應(yīng)用中還能有效提高能耗效率。

2010年，Zyvex Technologies公司推出了輕型復(fù)合材料艦船“食人魚(yú)”（Piranha）無(wú)人水面艦艇。2012年，Zyvex公司使用納米復(fù)合材料制造了另一艘載人遠(yuǎn)程艦船LRV-17的艙門(mén)和其他封閉部件。LRV-17在海上的最大速度可超過(guò)40節(jié)，續(xù)航里程可達(dá)1500海里，是同等大小艦船續(xù)航里程的三倍多。這些艦船由Zyvex公司使用Arovex?預(yù)浸料制造，Arovex?預(yù)浸料是Zyvex公司的高級(jí)CNT增強(qiáng)纖維預(yù)浸料。該材料是由碳納米管、石墨烯和碳纖維復(fù)合材料制成的增強(qiáng)材料（圖2為該材料示意圖），性能優(yōu)異，彎曲模量、彎曲彈性模量和斷裂韌性分別提升了35%、26%和194%。Arovex?預(yù)浸料的這些卓越性能意味著其耐久性大幅提升、機(jī)械性能更佳、失效概率更低，并且定制產(chǎn)品性?xún)r(jià)比更高。使用該材料可以顯著減輕船體（例如艙門(mén)）的重量，從而與現(xiàn)有部件完全兼容，并保持與標(biāo)準(zhǔn)鋁產(chǎn)品相同的強(qiáng)度。

圖2. Zyvex 公司的預(yù)浸料示意圖在 CNT 和樹(shù)脂體系之間架起了“橋梁”。

(上) 普通碳纖維預(yù)浸料 (下) 在基質(zhì)中添加 CNT 的碳纖維預(yù)浸料。

三、碳納米管復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域

1.電子應(yīng)用

碳納米管-聚合物復(fù)合材料在電子領(lǐng)域，尤其是在電子設(shè)備開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用正在迅速興起。對(duì)具有定制電性能的先進(jìn)材料的需求日益增長(zhǎng)，使得碳納米管成為電氣和電子設(shè)備中最具吸引力的納米材料。同時(shí)，碳納米管-聚合物復(fù)合材料在制備太陽(yáng)能電池方面也非常有用。彈性碳納米管-聚合物復(fù)合材料具有通過(guò)絲網(wǎng)印刷技術(shù)生產(chǎn)新型光伏電池的巨大潛力。碳納米管-聚合物復(fù)合材料具有較高的光學(xué)透射率，且制造工藝成本較低。納米復(fù)合材料具有更好的彈性性能和顯著增強(qiáng)的光學(xué)和電學(xué)參數(shù)，使其有可能用作太陽(yáng)能電池涂層。

2. 航空航天應(yīng)用

航空航天工業(yè)需要強(qiáng)度極高且耐用的材料作為航天設(shè)備中的組件嵌入。由于碳納米管(CNT) 具有多種特性，在航空航天領(lǐng)域，研究人員積極研究碳納米管復(fù)合材料，以提高環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的電氣性能。因此，碳納米管-聚合物復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈兊慕Y(jié)構(gòu)特性可應(yīng)用于防雷達(dá)保護(hù)器、防靜電材料和航天器等領(lǐng)域。自 2006 年以來(lái)，碳納米管增強(qiáng)環(huán)氧聚合物復(fù)合材料已廣泛用于航空航天/航天器的研發(fā)。碳納米管是一種新興的先進(jìn)材料，可以使結(jié)構(gòu)重量輕、耐高溫，并具有很高的強(qiáng)度重量比。CNT 增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料可用作吸熱介質(zhì)，例如在航空航天工業(yè)中作為電磁波吸收材料。

3. 汽車(chē)應(yīng)用

在汽車(chē)領(lǐng)域，納米復(fù)合材料（尤其是碳納米管復(fù)合材料）可在許多方面帶來(lái)益處，包括改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)。碳納米管增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料可應(yīng)用于汽車(chē)零部件，包括排氣系統(tǒng)、催化轉(zhuǎn)化器、懸架和制動(dòng)系統(tǒng)、電子設(shè)備、發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)力應(yīng)變材料和車(chē)身部件。此前，云母、碳酸鈣和滑石粉等傳統(tǒng)填料廣泛應(yīng)用于汽車(chē)零部件，以提高熔體粘度、光學(xué)透明度和剛度性能。例如，玻璃纖維因其高剛度而被引入，但其制造難度大，導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高。此外，傳統(tǒng)填料和玻璃纖維必須以高含量添加才能改善尺寸穩(wěn)定性、增加機(jī)械模量并提高表面質(zhì)量。因此，在該行業(yè)引入碳納米管-聚合物復(fù)合材料有助于解決傳統(tǒng)填料的上述問(wèn)題。

CNT-聚合物復(fù)合材料被發(fā)現(xiàn)具有較高的強(qiáng)度重量比，因?yàn)檩p量化汽車(chē)可以降低燃料消耗。這將減少汽車(chē)的二氧化碳排放，有助于減緩全球變暖。汽車(chē)重量減輕 25% 可減少原油消耗量每年高達(dá) 2.5 億桶。許多汽車(chē)制造公司已在行李箱蓋、汽車(chē)座椅、儀表板覆蓋物和車(chē)頂中使用納米復(fù)合材料。

此外，在環(huán)氧復(fù)合材料中添加MWCNT 可以提高基質(zhì)的粘附強(qiáng)度，從而有助于降低吸水率、提高疏水性和耐腐蝕性。

4. 傳感器

CNT 增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料具有檢測(cè)空氣中化學(xué)物質(zhì)的強(qiáng)大能力，可用于各種用途。由于它們具有良好的氣體分子感應(yīng)能力，因此將有利于太空探索、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及醫(yī)療、工業(yè)和農(nóng)業(yè)應(yīng)用。例如，在工業(yè)和醫(yī)療環(huán)境中，監(jiān)測(cè)環(huán)境污染需要檢測(cè)一氧化碳、氮氧化物和銨。

5. 體育用品

此類(lèi)復(fù)合材料最令人興奮的特性之一是其重量輕、強(qiáng)度高和剛度大，這使它們成為極佳的填料。由于碳納米管復(fù)合材料具有高剛度和強(qiáng)度，納米復(fù)合材料已被制成結(jié)構(gòu)產(chǎn)品和應(yīng)用，如土木工程結(jié)構(gòu)和體育用品。對(duì)于羽毛球拍和高爾夫球具等優(yōu)質(zhì)復(fù)合體育用品，環(huán)氧樹(shù)脂已被用來(lái)增強(qiáng)碳納米管填料。因此，這類(lèi)樹(shù)脂具有優(yōu)異的比強(qiáng)度、剛度、耐化學(xué)性和尺寸穩(wěn)定性。

6. 風(fēng)力渦輪機(jī)葉片

可再生能源行業(yè)目前正在迅速發(fā)展，以取代煤炭和石油等傳統(tǒng)能源。增長(zhǎng)最快的能源生產(chǎn)行業(yè)之一是風(fēng)能。根據(jù)美國(guó)能源部的數(shù)據(jù)，目標(biāo)到2030年通過(guò)風(fēng)力發(fā)電滿足其總能源需求的至少20%。因此，風(fēng)電行業(yè)打算通過(guò)生產(chǎn)重量更輕的大型葉片來(lái)提高效率和優(yōu)化能源生產(chǎn)。這是因?yàn)轱L(fēng)能的產(chǎn)量隨著轉(zhuǎn)子半徑的平方面積的增加而增加。當(dāng)前目標(biāo)是生產(chǎn)具有良好機(jī)械性能、重量輕和疲勞壽命長(zhǎng)的大型風(fēng)力葉片。然而，這一目標(biāo)對(duì)許多研究人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)輕質(zhì)、高強(qiáng)度和高剛度材料的原材料和生產(chǎn)成本都很高。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，CNT 增強(qiáng)聚合物基質(zhì)是一種可用于生產(chǎn)風(fēng)電葉片的潛在材料。之前的研究顯示，CNT 填料作為增強(qiáng)劑的應(yīng)用凸顯了 CNT 對(duì)復(fù)合材料剛度和強(qiáng)度的影響。最近的研究發(fā)現(xiàn)，在復(fù)合材料中加入 CNT 填料可以增強(qiáng)抗疲勞性，從而延長(zhǎng)疲勞壽命。因此，許多研究人員最近正在研究 CNT 增強(qiáng)熱固性聚合物復(fù)合材料，以提高風(fēng)電葉片的拉伸和疲勞性能。一般來(lái)說(shuō)，環(huán)氧聚合物不適合大規(guī)模生產(chǎn)風(fēng)電葉片，因?yàn)樗鼈兊钠趬勖^短，斷裂韌性較差。這反過(guò)來(lái)又限制了風(fēng)電葉片的長(zhǎng)期使用壽命和可靠性。因此，研究必須側(cè)重于 CNT-聚合物復(fù)合材料在循環(huán)載荷下的長(zhǎng)期前景，以用于需要延長(zhǎng)疲勞壽命的結(jié)構(gòu)應(yīng)用。

例如，在環(huán)氧聚合物中添加0.2 wt.% 的碳納米管可增強(qiáng)復(fù)合材料的抗疲勞性。這可以通過(guò)在共聚物的幫助下通過(guò)超聲處理將碳納米管分散到整個(gè)環(huán)氧樹(shù)脂中來(lái)實(shí)現(xiàn)。多項(xiàng)研究表明碳納米管增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料是最有希望成為高疲勞壽命的候選材料，可用于主要結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)應(yīng)用。

7. 環(huán)境修復(fù)

在全球范圍內(nèi)，城市化和工業(yè)化導(dǎo)致的污染率上升已對(duì)環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)造成了巨大的負(fù)面影響。動(dòng)植物可能受到各種污染物的不利影響，例如化學(xué)、物理、放射性和生物污染物。過(guò)去幾十年來(lái)，由于受污染廢物被排放到水系統(tǒng)中，水污染已成為一個(gè)世界性問(wèn)題。必須采取預(yù)防措施，以減少對(duì)環(huán)境的災(zāi)難性影響。

在這種情況下，應(yīng)用碳納米管復(fù)合材料是治理環(huán)境污染的一種方法。碳納米管因其巨大的可及外表面積、高的纖維形狀長(zhǎng)寬比以及與水中帶電污染物的強(qiáng)靜電相互作用，對(duì)不同類(lèi)型的環(huán)境污染物具有特殊的吸附能力。具體來(lái)說(shuō)，碳納米管可以在其外表面、開(kāi)放部分、碳納米管束線邊界處的凹槽以及管束之間的間隙中吸附污染物顆粒。可以看出，碳納米管具有良好的膜分離能力，這在水處理過(guò)程中尤其有用。碳納米管表面結(jié)構(gòu)還具有細(xì)胞毒性作用，可以抑制微生物的生長(zhǎng)。納米填料也被證明可以為碳納米管過(guò)濾器提供自清潔性能。碳納米管也被認(rèn)為是固定化酶的良好催化劑。在這種情況下，碳納米管上的固定化酶表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性、更寬的pH范圍、更好的儲(chǔ)存穩(wěn)定性、更好的電容去離子性和更高的可重復(fù)使用性。此外，碳納米管增強(qiáng)聚合物膜具有良好的擴(kuò)散能力，這使其在水凈化和重金屬離子、小分子、有機(jī)化學(xué)物質(zhì)和放射性核素的吸附系統(tǒng)中具有重要意義。

四、CNT生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性分析

由于先進(jìn)納米技術(shù)的無(wú)數(shù)應(yīng)用，預(yù)計(jì)CNT 的產(chǎn)量將會(huì)增加。2018 年，CNT 市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)將從 45.5 億美元增長(zhǎng)到 2023 年的 98.4 億美元（），復(fù)合年增長(zhǎng)率 (CAGR) 為 16.70%。CNT 市場(chǎng)的增長(zhǎng)受到 CNT 成本結(jié)構(gòu)、加工難度以及替代品或特定功能組（如碳化硅納米管 (SiCNT)）的可用性的影響。用于生產(chǎn)碳納米管的方法，例如電弧放電和激光燒蝕方法，復(fù)雜、昂貴、對(duì)自然有害，并且對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn) CNT 來(lái)說(shuō)不經(jīng)濟(jì)。預(yù)計(jì)亞太國(guó)家 (APAC) 碳納米管市場(chǎng)在預(yù)測(cè)期內(nèi)將以最高的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。這歸因于印度、中國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣、韓國(guó)、越南和新加坡對(duì)CNT 的強(qiáng)勁需求；由于工業(yè)產(chǎn)量的增長(zhǎng)，中國(guó)目前在碳納米管（CNT）需求方面處于領(lǐng)先地位，并且是全球最大的碳納米管消費(fèi)國(guó)。在場(chǎng)發(fā)射顯示器、集成電路、儲(chǔ)氫、鋰電池、太陽(yáng)能光伏電池、燃料電池、化學(xué)傳感器和藥物輸送等應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)碳納米管的需求一直在快速增長(zhǎng)。商業(yè)化程度的提高、裝機(jī)容量的提升以及降低價(jià)格、提高質(zhì)量和開(kāi)發(fā)更先進(jìn)產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步，是碳納米管市場(chǎng)的趨勢(shì)。這包括航空航天和汽車(chē)工業(yè)對(duì)碳納米管的需求，旨在使航空航天部件更堅(jiān)固、更耐用、更耐用。該行業(yè)正在努力減輕重量，以持續(xù)降低油耗，進(jìn)而降低運(yùn)營(yíng)成本。碳納米管可用于航空航天和汽車(chē)工業(yè)，以改進(jìn)（或定制）其特性，從而提高其功能性能，尤其是其機(jī)械或電氣性能，或提供輕質(zhì)和導(dǎo)電等多功能特性。此外，具有獨(dú)特的一維管狀結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率以及顯著增大的表面積的碳納米管被認(rèn)為是增強(qiáng)鋰電池性能的最佳納米材料。預(yù)計(jì)在較長(zhǎng)預(yù)測(cè)期內(nèi)，鋰電池將占據(jù)最高的市場(chǎng)份額。在需要輕量化和高能量密度電池解決方案的汽車(chē)中，對(duì)鋰離子電池的需求正在迅速增長(zhǎng)。這些電池提供最高的單位重量能量密度，廣泛應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦和混合動(dòng)力汽車(chē)。

2025年11月11日，為深入了解碳納米管材料的最新發(fā)展趨勢(shì)，探索國(guó)際市場(chǎng)對(duì)CNT材料的創(chuàng)新應(yīng)用。協(xié)會(huì)將組織日本復(fù)合材料考察團(tuán)訪問(wèn)日本Carbonfly株式會(huì)社。該社近期發(fā)布了CyFT預(yù)浸料，一種將碳纖維與CNT組合的新一代混合預(yù)浸料，充分利用CNT的輕量性和高韌性，并彌補(bǔ)了碳纖維的脆性。此次活動(dòng)意在實(shí)地了解碳納米管技術(shù)研發(fā)，探討如何將實(shí)驗(yàn)材料轉(zhuǎn)化為實(shí)用素材，突破量產(chǎn)成本與供給難題，并豐富國(guó)際合作與市場(chǎng)拓展經(jīng)驗(yàn)，歡迎各會(huì)員單位報(bào)名此次考察。

【走出去】日本考察-中國(guó)復(fù)材協(xié)會(huì)2025日本展會(huì)參展及企業(yè)考察團(tuán)招募中

參觀報(bào)名：

王聰煒13371637051  李浩然13371677253  盧宏萍13911168091

郵箱：ccia@ccia.xin  電話：010-88875799

參考資料：

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

此文由中國(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)搜集整理編譯，部分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)資料。文章不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流，引用請(qǐng)注明出處。