碳纳米管薄膜制备及应用研究进展

１　碳纳米管薄膜的制备

1.1　高密度高取向碳纳米管膜的制备

由浮动催化化学气相沉积制备方法（FCCVD）所制备的薄膜具有良好的取向性，但密度较低。然而，制备出的碳纳米管的丝带聚集在一起用乙醇溶液进行喷雾致密，当乙醇蒸发后形成一层疏松的碳纳米管膜，然后将疏松的碳纳米管薄膜从主轴上剥离出来放在两个光滑的压力为100N的压力板之间挤压，即可以获得高取向、高密度的CNT薄膜[1-2]。如图1所示，为高密度、高取向碳纳米管薄膜的制备过程。其中，图1（a）为高密度高取向碳纳米管薄膜的制备过程，图1（b）、图1（c）、图1（d）分别为碳纳米管丝带、疏松碳纳米管薄、高密度高取向碳纳米管薄膜膜宏观图像。

图１　高密度高取向碳纳米管薄膜的制备过程

1.2　浮动化学气相沉积法制备高强度薄膜

王健农教授课题组创新性地利用浮动化学气相沉积法连续制备出碳纳米管宏观筒状物，并在开放大气环境下将

CNT

薄膜，图2（b）为拉伸曲线，图2（c）为端口形貌。

图２　所制备ＣＮＴ薄膜、拉伸曲线和端口形貌综上所述可以看出，直接合成机械性能优异、高密度、高取向度的碳纳米管薄膜的研究工作还处于实验研究阶段。要想获得可应用的具有优越性能的碳纳米管纤维和早日将其应用于实际生活，还需要做很多研究工作。

２　碳纳米管薄膜的应用

2.1　碳纳米管长度优化制备透明导电薄膜基板

初始长度为10～15μm多壁碳纳米管经过30min、60min和120min的回流，其长度分别降低到1200nm、205nm、168nm。然后，将多壁纳米管分别在285℃退火24小时，所得碳纳米管薄膜的电气和光学性能将大大提高。薄膜的光学和电气性能强烈依赖于碳纳米管的长度。制备薄膜的多壁碳纳米管回流30min所得到的薄膜光学透过率分别高于回流60min和120min薄膜的2.6%和6.6%。多壁碳纳米管回流30min所得的样品薄膜的薄层电阻也降低了45%和80%。此时，薄膜还具有最小粗糙度[5-10]。图3为透明导电薄膜基板。

2.2　碳纳米管薄膜在应力传感器中的应用

单壁碳纳米管兼具极优异的导电性、稳定性、柔韧性以及拉伸强度，因此在应力传感器方面有着巨大的应用潜力。传统的碳纳米管应力传感器基于碳纳米管的电阻值变化监测外部应力的大小。国家纳米科学中心孙连峰研究员小组的刘政在攻读博士期间发现，基于单壁碳纳米管薄膜两端的开路电压可以构建成功高性能的应力传感器。他们利用极性液滴在悬空碳纳米管薄膜和液滴之间产生毛细管

摘　要：膜状碳纳米管保留了碳纳米管微观性状，也保留了优异的导电能力。它具有良好的机械性能、独特的形貌与结构特征，在储能电池技术、人工肌肉、智能材料以及电子显示屏中的应用越来越普遍。本文介绍碳纳米管薄膜的特点，对几种碳纳米管薄膜制备方法做了简要介绍说明。通过对当前碳纳米管薄膜几大应用方向如超级电容、柔性电池以及场发射装置等的分析，展示了碳纳米管薄膜的巨大应用潜力。

关键词：碳纳米管薄膜 制备 超级电容 柔性电池

现开路电压的大小与薄膜应力、毛线管桥中心的移动速度和方向关系密切，如图4

所示。这种基于电压的碳纳米管应力传感器的灵敏系数高达200，比基于电阻的应力传感器要高1～2个数量级。

图３　透明导电薄膜基板

图４　开路电压与相关因素的数量关系

３　结　语

以上介绍了碳纳米管薄膜的应用，但目前为止并没有对碳纳米管薄膜在湿环境中的力学性能控制机理做出精确描述，也未建立宏观的力学模型。对于碳纳米管膜用锂电池的电极来说，薄膜要经受多个周期的充放电循环以及外界的冲击力，这对碳纳米管薄膜的力学性能提出了新的考验。因此，未来研究要对碳纳米管薄膜在外载作用下液体环境中CNT 网络的变形机理，以及毛细力、范德华力、表面张力等微观作用对薄膜力学性能的影响作出分析，从而为碳纳米管薄膜应用于诸多湿环境提供理论基础。

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Research Progress of Preparation and Application of Carbon Nanotube Thin Films

GE Yong

(Tianjin vocational and technical normal university, Tianjin 300000 )

Abstract:Film - like carbon nanotubes retain the microscopic properties of carbon nanotubes, but also retain excellent electrical conductivity, good mechanical properties and unique morphology and structural characteristics in the energy storage battery technology, artificial muscle, intelligent materials and electronic display applications are more and more common. field emission device.

Key words : carbon nanotube film, capacitor, flexible battery