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中国碳材料产业发展,形貌对碳材料的影响

中国碳材料产业发展,形貌对碳材料的影响

中国的碳材料产业得到了迅速发展。碳材料作为一种新型材料,具有轻质、高强度、耐高温、良好的导电性和导热性等优势,被广泛应用于航天航空、能源储存、电子通信等领域。碳材料的形貌对其性能和应用领域具有重要影响。

碳材料的形貌对其力学性能产生影响。碳材料可以通过改变其形貌来调整其力学性能,例如碳纤维可以通过纤维长度和直径的调整来改变其强度和刚度。石墨烯的形貌也对其力学性能具有重要影响,通过在石墨烯上引入缺陷、形成纳米孔隙结构等可以增强其强度和韧性,从而拓展其应用领域。

碳材料的形貌对其导电性和导热性产生影响。碳材料中的形貌可以影响电子和热子的传输,从而影响其导电性和导热性。以碳纳米管为例,单壁碳纳米管和多壁碳纳米管具有不同的形貌,其导电性和导热性也存在差异。通过控制碳纳米管的形貌,可以实现对碳纳米管导电性和导热性的调控,拓展其在电子器件和热管理领域的应用。

碳材料的形貌对其吸附和催化性能产生影响。碳材料的形貌可以影响其表面结构和化学性质,从而影响其吸附和催化性能。以碳纳米管为催化剂的反应中,通过调控碳纳米管的孔隙结构和尺寸分布,可以实现对反应物分子的选择性吸附,从而提高催化效率。

中国碳材料产业的发展离不开对碳材料形貌的深入研究。通过调控碳材料的形貌,可以实现对其力学性能、导电性和导热性、吸附和催化性能的调控,拓宽其应用领域。随着碳材料产业的不断发展和创新,对碳材料形貌的研究和应用将进一步深入,助力中国碳材料产业的持续发展。

中国碳材料产业发展,形貌对碳材料的影响

发展趋势:前景广阔

现今,碳纤维行业总体技术尚不成熟稳定,产品质量及性价比相对较低。随着我国高端碳纤维技术的不断突破以及生产向规模化和稳定化发展,企业布局逐渐向高附加值的下游应用领域延伸,我国碳纤维行业将逐步实现进口替代,企业盈利能力有望逐步恢复,市场走向良性健康发展道路。

尤其是在国务院正式发布的《中国制造2025》中,对我国制造业转型升级和跨越发展作了整体部署,明确了建设制造强国的战略任务和重点,选择10大优势和战略产业作为突破点,力争到2025年达到国际领先地位或国际先进水平。前瞻产业研究院预计,碳纤维行业将出现如下发展趋势:——更多本行业研究分析详见前瞻产业研究院《中国碳纤维行业深度调研与投资战略规划分析报告》。

碳纳米材料发展前景

碳纳米管可以制成透明导电的薄膜,用以代替ITO(氧化铟锡)作为触摸屏的材料。先前的技术中,科学家利用粉状的碳纳米管配成溶液,直接涂布在PET或玻璃衬底上,但是这样的技术至今没有进入量产阶段;目前可成功量产的是利用超顺排碳纳米管技术;该技术是从一超顺排碳纳米管阵列中直接抽出薄膜,铺在衬底上做成透明导电膜,就像从棉条中抽出纱线一样。该技术的核心-超顺排碳纳米管阵列是由北京清华-富士康纳米中心于2002年率先发现的新材料。

碳纳米管触摸屏首次于2007~2008年间成功被开发出,并由天津富纳源创公司于2011年产业化,至今已有多款智慧型手机上使用碳纳米管材料制成的触摸屏。与现有的氧化铟锡(ITO)触摸屏不同之处在于:氧化铟锡含有稀有金属“铟”,碳纳米管触摸屏的原料是甲烷、乙烯、乙炔等碳氢气体,不受稀有矿产资源的限制;铺膜方法做出的碳纳米管膜具有导电异向性,就像天然内置的图形,不需要光刻、蚀刻和水洗的制程,节省大量水电的使用,较为环保节能。工程师更开发出利用碳纳米管导电异向性的定位技术,仅用一层碳纳米管薄膜即可判断触摸点的X、Y座标;碳纳米管触摸屏还具有柔性、抗干扰、防水、耐敲击与刮擦等特性,可以制做出曲面的触摸屏,具有高度的潜力可应用于穿戴式装置、智慧家俱等产品。

据物理学家组织网、英国广播公司2013年9月26日报道,美国斯坦福大学的工程师在新一代电子设备领域取得突破性进展,首次采用碳纳米管建造出计算机原型,比基于硅芯片模式的计算机更小、更快且更节能。

瑞士洛桑联邦理工学院电气工程学院主任乔瓦尼·德·米凯利教授强调了这一世界性成就的两个关键技术贡献:将基于碳纳米管电路的制造过程落实到位。建立了一个简单而有效的电路,表明使用碳纳米管计算是可行的。下一代芯片设计研究联盟、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校纳雷什教授评价道,虽然碳纳米管计算机可能还需要数年时间才趋于成熟,但这一突破已经凸显未来碳纳米管半导体以产业规模生产的可能性。

氢气被很多人视为未来的清洁能源。但是氢气本身密度低,压缩成液体储存又十分不方便。碳纳米管自身重量轻,具有中空的结构,可以作为储存氢气的优良容器,储存的氢气密度甚至比液态或固态氢气的密度还高。适当加热,氢气就可以慢慢释放出来。研究人员正在试图用碳纳米管制作轻便的可携带式的储氢容器。

在碳纳米管的内部可以填充金属、氧化物等物质,这样碳纳米管可以作为模具,首先用金属等物质灌满碳纳米管,再把碳层腐蚀掉,就可以制备出最细的纳米尺度的导线,或者全新的一维材料,在未来的分子电子学器件或纳米电子学器件中得到应用。有些碳纳米管本身还可以作为纳米尺度的导线。这样利用碳纳米管或者相关技术制备的微型导线可以置于硅芯片上,用来生产更加复杂的电路。

利用碳纳米管的性质可以制作出很多性能优异的复合材料。例如用碳纳米管材料增强的塑料力学性能优良、导电性好、耐腐蚀、屏蔽无线电波。使用水泥做基体的碳纳米管复合材料耐冲击性好、防静电、耐磨损、稳定性高,不易对环境造成影响。碳纳米管增强陶瓷复合材料强度高,抗冲击性能好。碳纳米管上由于存在五元环的缺陷,增强了反应活性,在高温和其他物质存在的条件下,碳纳米管容易在端面处打开,形成一个管子,极易被金属浸润、和金属形成金属基复合材料。这样的材料强度高、模量高、耐高温、热膨胀系数小、抵抗热变性能强。

碳纳米管还给物理学家提供了研究毛细现象机理最细的毛细管,给化学家提供了进行纳米化学反应最细的试管。碳纳米管上极小的微粒可以引起碳纳米管在电流中的摆动频率发生变化,利用这一点,1999年,巴西和美国科学家发明了精度在10-17kg精度的“纳米秤”,能够称量单个病毒的质量。随后德国科学家研制出能称量单个原子的“纳米秤”。

碳纳米管分散剂介绍和使用建议

以无锡巨旺塑化材料有限公司的碳纳米管及碳纳米管分散剂为例研究和实际使用经验如下:,

一、碳纳米管分散技术三要素

二、分散剂用量推荐

三、碳纳米管水分散剂(TNWDIS)概述

四、超声波分散设备使用建议及分散实例

五、研磨分散设备使用建议

碳纳米管分散技术三要素:分散介质、分散剂和分散设备

1、分散介质

(1)根据粘度不同,分散介质分为高粘度、中粘度和低粘度三种。在低粘度介质中,如水和有机溶剂,碳纳米管易于分散。中粘度介质如液态环氧树脂、液态硅橡胶等,高粘度介质如熔融态的塑料。

(2)此处介绍的碳纳米管分散技术,针对中、低粘度分散介质。

2、分散剂

(1)分散剂的选择,与分散介质的结构、极性、溶度参数等密切相关。

(2)分散剂的用量,与碳纳米管比表面积和共价键修饰的功能基团有关。

(3)水性介质中,推荐使用TNWDIS。强极性有机溶剂中,如醇、DMF、NMP, 推荐使用TNADIS。中等极性有机溶剂如酯类、液态环氧树脂、液态硅橡胶,推荐使用TNEDIS 。

3、分散设备

(1)超声波分散设备:非常适合实验室规模、低粘度介质分散碳纳米管,用于中、高粘度介质时会受到限制。

(2)研磨分散设备:适合大规模地分散碳纳米管、中粘度介质分散碳纳米管。

(3)采用“先研磨分散、后超声波分散”组合方法,可以高效、稳定地分散碳纳米管

分散剂用量推荐。

1、碳纳米管比表面积与分散剂用量

我们试剂级碳纳米管分为单壁管(外径<2nm)和多壁管。多壁管根据外径不同,分为TNM1(外径50nm)。随着外径的增加,碳纳米管的比表面积减小

TNWDIS推荐用量:单壁管重量的3.5倍, TNM1 重量的1.0倍, TNM8 重量的0.2倍。其余用量参考调整

2、碳纳米管功能化与分散剂用量

功能化后的碳纳米管,更容易在水中分散。 通常,碳纳米管羧基功能化后,分散剂的用量可以减少50%

TNWDIS推荐用量:羧基化单壁管重量的1.5-1.8倍, 羧基化TNM1 重量的0.5倍, 羧基化TNM8 重量的0.1倍

3、对于TNADIS, TNM8 的推荐用量是重量的0.2倍。对于TNEDIS, TNM8 的推荐用量是重量的0.8倍

其余碳纳米管分散剂用量可以参照调整

碳纳米管水分散剂(TNWDIS)概述

1、不含烷基酚聚氧乙烯醚 (APEO)的非离子表面活性剂,生态环保。欧洲国家自1976年起陆续制定了法规限制生产和使用APEO

2、含有芳香基团,特别适合制备碳纳米管水分散液。芳香基团与碳纳米管管壁亲和性好,易于吸附在管壁

3、性能指标

活性物质含量:90%

水 分 含 量:10%

浊 点:68-70℃

碳纳米管水分散剂(TNWDIS)结构

文献报道分散CNTs常用的三种表面活性剂

超声波分散设备使用建议

1、超声波粉碎机(tip型)和超声波清洗机(bath型)都可以用于碳纳米管分散

2、超声波粉碎机发出的超声波能量密度高(能量集中于变幅杆上而不是一个平面上)、频率低,更适合碳纳米管的分散。根据碳纳米管分散液的量,选择合适的超声波粉碎机功率和变幅杆直径

3、在水介质中,超声波的空化作用会使TNWDIS产生少量泡沫,泡沫会影响超声效果,可以选择静置或加入消泡剂,消除泡沫

粘度高的介质不适合选择超声波设备分散 ,建议选择研磨分散设备

超声波粉碎机制备分散液实例

1、目标:制备100g多壁碳纳米管TNM8 水分散液 ,碳纳米管含量 2%

2、主要设备

(1)Scientz-ⅡD型超声波细胞粉碎机(国产) 。所用超声变幅杆为Φ6,输出功率选择为60%,超声开时间为3s,超声关时间也为3s,超声总时间设置为5min

(2)SC-3614型低速离心机 (国产 )

(3)HCT-1微机差热天平(国产)

操作步骤(1)

1、将0.40g分散剂TNWDIS 溶解于97.60g去离子水中。室温下TNWDIS 溶解度小,可用水浴加热辅助其溶解,但使用温度不可超过其浊点温度

2、加入2.00g碳纳米管,搅拌,使碳纳米管被分散剂水溶液完全润湿,而不是漂浮在水面上

3、开始超声。超声过程中,分散液会发热、起泡,因此建议超声5min后,可将分散液取出静置于冰水中冷却、消泡,再继续超声

4、分散程度观察。用玻璃棒沾取少量分散液滴加至清水中,观察稀释状态。分散好的碳纳米管,犹如一滴墨水落入水中,在水中迅速均匀扩散开,而未分散好的碳纳米管,在水中会有黑色颗粒出现。累计超声总时间为30min(即5min×6次)

5、超声结束后,将分散液离心沉降,去除未分散开的团聚粒子。离心速率为2000r/min,离心时间为30min。 经过离心,分散液可以稳定放置半年以上

6、离心结束后,将上层液体过300目滤布,得到最终的碳纳米管分散液。烘干下层沉淀至恒重,记为G2。对沉淀进行热重分析,定义450℃时的热失重率f(%)为沉淀中分散剂含量

7、分散液中碳纳米管的实际含量(%)=2.00-(1-f)× G2

研磨分散设备使用建议

1. 制备1-2升碳纳米管水分散液,可以选用实验室分散砂磨机,砂磨介质可以选用1.0-1.2mm的硅酸锆珠或氧化锆珠

2.制备10-20升碳纳米管分散液,可以选用小型的篮式砂磨机。砂磨介质选用设备允许的直径较小的硅酸锆珠或氧化锆珠

3.水介质砂磨过程中,需要添加消泡剂来减少泡沫对分散效果的影响

4.对中等粘度的分散介质,如液态环氧树脂,砂磨机不能带动介质有效运动,可以选择锥形磨或三辊机来研磨分散

碳中和产业有哪些

碳中和是指国家、企业、产品、活动或个人在一定时间内直接或间接产生的二氧化碳或温室气体排放总量。

通过植树造林、节能减排等形式,以抵消自身产生的二氧化碳或温室气体排放量,实现正负抵消,达到相对"零排放"。碳中和包括:电力建材化工环保钢铁煤炭有色制药纸质航运汽车等等。

2020年9月22日,中国政府在第七十五届联合国大会上提出:"中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。"

硅碳材料

碳化硅又名碳硅石、金刚砂,是第三代半导体材料代表之一,是一种无机物,是用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料通过电阻炉高温冶炼而成。

利用碳化硅具有耐腐蚀、耐高温、强度大、导热性能良好、抗冲击等特性,碳化硅一方面可用于各种冶炼炉衬、高温炉窑构件、碳化硅板、衬板、支撑件、匣钵、碳化硅坩埚等。

另一方面可用于有色金属冶炼工业的高温间接加热材料,如竖罐蒸馏炉、精馏炉塔盘、铝电解槽、铜熔化炉内衬、锌粉炉用弧型板、热电偶保护管等;用于制作耐磨、耐蚀、耐高温等*碳化硅陶瓷材料;还可以制作火箭喷管、燃气轮机叶片等。碳化硅的种类

碳化硅有黑碳化硅和绿碳化硅两个常用的基本品种,都属α-SiC。

1、黑碳化硅含SiC约95%,其韧性高于绿碳化硅,大多用于加工抗张强度低的材料,如玻璃、陶瓷、石材、耐火材料、铸铁和有色金属等。

2、绿碳化硅含SiC约97%以上,自锐性好,大多用于加工硬质合金、钛合金和光学玻璃,也用于珩磨汽缸套和精磨高速钢刀具。此外还有立方碳化硅,它是以特殊工艺制取的黄绿色晶体,用以制作的磨具适于轴承的超精加工。

形貌对碳材料的影响

球状、棒状、正方体状、玫瑰花状、蒲公英状等。碳材料多孔碳基材料包括活性炭、碳纳米管、碳分子筛、有序介孔碳等,其中有序介孔碳是孔径介于2到50nm的多孔纳米碳材料,多孔纳米碳材料的微观形貌有球状、棒状、正方体状、玫瑰花状等,具有发达的孔隙结构、巨大的比表面积和孔容、规则的孔结构、低比重、良好的热稳定性和化学稳定性。

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