碳原子可以以各種方式結(jié)合在一起，產(chǎn)生許多具有不同物理性質(zhì)的碳的同素異形形式。已知的同素異形體包括石墨、金剛石、富勒烯、納米管和石墨烯。后三個(gè)大多是人為的。
它們的起源、形態(tài)和生產(chǎn)方法會(huì)影響這些碳同素異形體用作添加劑時(shí)賦予材料的性能，并且一種形式的碳與另一種形式的碳有很大不同。石墨烯和納米管具有較好的性能和優(yōu)點(diǎn)組合。
| 單壁碳納米管（SWCNT） | 石墨烯 | 多壁碳納米管（MWCNT） | 納米石墨結(jié)構(gòu) | 石墨結(jié)構(gòu) |
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| 石墨烯層無縫卷成管狀 | 緊密結(jié)合在六角形蜂窩晶格中的單片或單層碳原子 | 單壁碳納米管同心排列，即多層石墨烯無縫卷成同心管狀結(jié)構(gòu) | 石墨烯薄片是石墨的小片；GO/RGO是少層納米級(jí)石墨，具有氧基團(tuán)或經(jīng)過額外還原 | 一大組多個(gè)石墨烯片 |
碳納米管基本上分為兩類：單壁碳納米管（SWCNT）和多壁碳納米管（MWCNT）。盡管存在明顯的共性，但單壁碳納米管和多壁碳納米管由于結(jié)構(gòu)差異而具有顯著不同的物理性能。
單壁碳納米管重要的區(qū)別特征是納米管壁僅由一層石墨烯層組成。換句話說，單壁碳納米管可以被描述為無縫卷起形成空心圓柱體的石墨烯片。這就是為什么它們經(jīng)常被稱為石墨烯納米管（GNT）。
與單壁納米管不同，多壁碳納米管可以被視為單壁碳納米管的同心排列，即由無縫卷繞成管狀的多層石墨烯組成。
| 范圍 | 單壁碳納米管 | 多壁碳納米管 |
| 典型直徑 | 1-2nm | 7-100nm |
| 典型長度 | 最大1mm | 最大1mm |
| 縱橫比 | 最多10000 | 50-4000 |
| 彈性模量 | 1000-3000Gpa | 300-1000Gpa |
| 抗拉強(qiáng)度 | 50-100Gpa | 10-50Gpa |
| 300K時(shí)的導(dǎo)電系數(shù) | 3000–6000 W/(m·K) | 2000-3000 W/(m·K) |
| 作為抗靜電添加劑的最低工作劑量 | 0.01％ | 0.5％ |
碳納米管的合成主要有以下三種方法
等離子體電弧放電：在氦氣氛中通過電弧放電等離子體生產(chǎn)碳納米管。
激光蒸發(fā)（脈沖激光燒蝕）：通過脈沖激光的作用，在高溫反應(yīng)中蒸發(fā)石墨靶材。
化學(xué)氣相沉積（CVD）：從碳?xì)浠衔铮淄?、乙烯、乙炔）中催化（鎳、鈷、鐵或其組合）沉積碳。
單壁碳納米管應(yīng)用
單壁碳納米管正在證明其作為多功能添加劑和創(chuàng)造具有以前無法達(dá)到的性能的新產(chǎn)品的巨大潛力。它們可以改善幾乎所有已知材料的各種特性：賦予導(dǎo)電和抗靜電性能，并根據(jù)所需的應(yīng)用增加強(qiáng)度、抗裂性、柔韌性和粘附力以及許多其他參數(shù)。此外，這通常是在十分之一或百分之一的單壁碳納米管濃度下實(shí)現(xiàn)的，這通常使得可以保留用于制造最終產(chǎn)品的現(xiàn)有技術(shù)。
單壁碳納米管應(yīng)用的分類有多種方法。最常見的是按行業(yè)、材料或工業(yè)產(chǎn)品類型劃分。按工業(yè)產(chǎn)品類型分類還可以根據(jù)單壁碳納米管的潛在消費(fèi)量進(jìn)一步分類。
復(fù)合材料和增強(qiáng)塑料、工業(yè)涂料、汽車輪胎和橡膠技術(shù)產(chǎn)品、結(jié)構(gòu)材料以及電化學(xué)電源材料占單壁碳納米管消費(fèi)量的最大部分。就單壁碳納米管的使用量而言，下一組應(yīng)用包括粘合劑和潤滑劑、抗靜電塑料、透明導(dǎo)電薄膜和電纜。還有一些使用有限數(shù)量的單壁碳納米管的利基應(yīng)用。
具有潛力的單壁碳納米管市場
單壁碳納米管復(fù)合材料
單壁碳納米管正在進(jìn)入這個(gè)市場，主要關(guān)注替代能源和基礎(chǔ)設(shè)施（管道、建筑結(jié)構(gòu)元件）以及汽車和飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料中的應(yīng)用。這些行業(yè)需要輕質(zhì)、堅(jiān)固且具有改善物理性能的材料（風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、船體、飛機(jī)零部件、船舶等）。使用單壁碳納米管提高復(fù)合材料強(qiáng)度的解決方案數(shù)量正在穩(wěn)步增加。
含有SWCNT的增強(qiáng)塑料
單壁碳納米管在增強(qiáng)塑料中的使用越來越多，主要是由于汽車工業(yè)的需求，即通過減輕所有汽車部件的重量來減少燃料輸入或電池負(fù)載，以及航空航天工業(yè)的需求，除了減輕重量外，需要能夠抵抗極端條件和負(fù)載的材料。所有這些挑戰(zhàn)都可以使用單壁碳納米管來解決。
工業(yè)涂料中的單壁碳納米管
在該領(lǐng)域，單壁碳納米管用作底漆和油漆的多功能添加劑，用于車輛涂料（汽車車身、飛機(jī)、船體等）、設(shè)備（電氣和家用電器）和儲(chǔ)存容器/容器以及防靜電地板。在廣闊的工業(yè)涂料市場中，半數(shù)以上的產(chǎn)品都可以應(yīng)用SWCNT。
汽車輪胎中的單壁碳納米管
單壁碳納米管在輪胎中的應(yīng)用可以顯著提高輪胎的剛度、抗撕裂性、燃油效率和抓地力。這種改進(jìn)是在非常低的濃度下實(shí)現(xiàn)的，不需要對現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行額外的改變。SWCNT無需任何其他導(dǎo)電填料（例如，無需炭黑）即可賦予輪胎所需的導(dǎo)電性。SWCNT的潛在應(yīng)用估計(jì)在高端輪胎市場中占30%，在標(biāo)準(zhǔn)輪胎市場中占10%左右。
采用SWCNT的電化學(xué)電源
事實(shí)證明，在電化學(xué)電源中使用單壁碳納米管對幾乎100%的可用技術(shù)都是有益的。該市場的主要細(xì)分市場是可充電電源、電動(dòng)汽車用鋰離子電池、筆記本電腦和手機(jī)電池以及堿性電池。它們包含在電池電極中使得可以顯著改善目標(biāo)參數(shù)，例如對電源的使用壽命有直接影響的存儲(chǔ)密度和可循環(huán)性。
橡膠技術(shù)產(chǎn)品中的單壁碳納米管
單壁碳納米管為基于各種橡膠、有機(jī)硅和熱塑性彈性體的產(chǎn)品提供了技術(shù)優(yōu)勢。在提高橡膠復(fù)合材料的強(qiáng)度和彈性性能的同時(shí)，單壁碳納米管還可以保留并在某些情況下增強(qiáng)其他重要性能，例如肖氏硬度、內(nèi)聚強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)強(qiáng)度、耐磨性、減少滯后損失和保留產(chǎn)品顏色。單壁碳納米管有潛力用于約三分之一的橡膠技術(shù)產(chǎn)品。
含有單壁碳納米管的結(jié)構(gòu)材料
在諸如瀝青、柏油和金屬基復(fù)合材料的材料中，SWCNT允許控制材料的結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)提供改進(jìn)的性能特性。
單壁碳納米管的健康和安全問題
研究表示，與其他碳納米材料相比，單壁碳納米管具有很高的柔韌性，這意味著它們在健康和安全方面具有許多完全不同的特性，并且環(huán)境考慮。
潛在的肺部風(fēng)險(xiǎn)
對特定單壁碳納米管的評(píng)估表明，由于其尺寸相對較大，無法進(jìn)行氣溶膠測試，從而得出團(tuán)聚的單壁碳納米管無法進(jìn)入肺部深處的結(jié)論。SWCNT不表現(xiàn)出剛性，這是其柔性的結(jié)果，并且它們具有降低表面能的傾向以及形成束或團(tuán)聚體的傾向。國際癌癥研究機(jī)構(gòu) (IARC) 將單壁碳納米管歸類為“無法歸類為人類致癌性”的物質(zhì)。
嵌入材料基體中
就消費(fèi)者接觸而言，假設(shè)不存在風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)橄M(fèi)者僅在將單壁碳納米管納入復(fù)合材料（主要是基于聚合物的材料）時(shí)接觸單壁碳納米管。一旦單壁碳納米管被用作聚合物復(fù)合材料中的增強(qiáng)材料或?qū)щ姴牧?，它們就?huì)高度聚集并被聚合物包圍。因此，它們不再具有任何納米顆粒特征，即使在復(fù)合材料被研磨、切割或以其他方式機(jī)械降解的情況下，純單壁碳納米管通常也不會(huì)釋放，而僅作為更高聚集的聚合物結(jié)合顆粒的一部分?？傊?，消費(fèi)者對單壁碳納米管的接觸極為有限，并且認(rèn)為它們不會(huì)對消費(fèi)者造成任何危害，無論是通過吸入還是通過皮膚或口腔接觸。
生態(tài)毒性
正如毒理學(xué)家所指出的，與多壁碳納米管和碳纖維不同，單壁碳納米管具有高度柔性，因此通常具有較低的損害細(xì)胞壁的可能性。一項(xiàng)關(guān)于多壁碳納米管對海洋藻類影響的研究證明了多壁碳納米管對海洋藻類的急性和慢性毒性作用。一項(xiàng)用單壁碳納米管進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)，藻類暴露于單壁碳納米管后沒有毒性作用。
