以超生長法合成的單壁碳奈米管：特性與應用

碳奈米管（CNTs）是具有圓柱狀奈米結構的碳同素異構體，依其結構可分為單壁碳奈米管（SWCNTs）和多壁碳奈米管（MWCNTs）。

SWCNTs於1993年由Sumio Ijima發現¹，具有獨特的電氣、熱和機械特性，且具有高比表面積和高寬比。根據手性的不同，它們既可以是金屬也可以是半導體。這些特性使 SWCNT 適用於廣泛的領域，例如微電子、能源、多功能材料和結構材料。

利用超生長法合成單壁碳納米管

合成 SWCNTs 的方法有很多，包括激光燒蝕法、碳弧法和利用氣態催化劑（HiPCo 製程）和輔助催化劑（CoMoCAT 製程）的 CVD 製程。Kenji Hata 的團隊發現了一種革命性的 SWCNT 合成方法，並將其命名為「超生長法」（SG 法）。² SG法改善了催化劑的活化，只需在CVD原料氣中加入微量的水就能使催化劑活化，由於其大規模合成過程，因此比其他方法具有更高的效率和生產率（圖1）。在大規模合成過程中，研究了多種金屬基板，發現可以使用鐵-鉻-鎳合金的通用金屬基板代替矽晶圓。⁴ 在研究了各種塗層成分和塗層工藝後，還通過塗層工藝在金屬基板上製作了催化層，使 SGCNTs 得以成功合成。

圖 1. 超生長法的大規模合成製程

以超生長法合成的單壁碳奈米管（SGCNTs）具有更長、純度更高、比表面積更大的特點（圖2），因而具有高性能複合材料所需的高電導性、熱導性和機械性。

圖 2. SGCNT 的獨特特性

SGCNT 基複合材料

SGCNT有望提供卓越的機械性能和多功能特性。

SGCNTs的分散

CNTs的結合能和分散過程中傳遞的能量密度對CNT的分散至關重要，因為這意味著將機械能量傳遞到溶液中以分散CNT聚集體。一般而言，透過攪拌或擠壓進行的機械剪切混合可在有或沒有溶解聚合物的低黏度溶劑或高黏度聚合物熔液中進行。混合機器所傳遞的剪切應力低於 20 kPa。根據 Huang 和 Terentjv⁶ 的研究，MWCNTs 的結合能 (van der Waals 力) 約為 16kPa，也就是 CNTs 在混合機器下可分散的剪切力。另一方面，根據 Huang 和 Terentjv 的報告，SWCNTs 的結合能約為 100 MPa。因此，混合機不可能分散 SWCNT。

如同 SWCNTs，SGCNTs 也需要超聲波或高壓噴射研磨機的空化力才能分散在水和有機溶劑中。就聚合物複合材料而言，為了讓 SGCNTs 發揮更好的性能，必須讓其在聚合物基材中充分分散，同時對 SGCNTs 造成較小的損害。從這個意義上說，SGCNTs 應採用「溶液混合法」。溶液混合法 "是利用分散設備將 CNTs 用溶劑分散到聚合物溶液中，然後從溶液中回收複合物的技術。其優點在於可將有機溶劑滲入 SGCNTs 束中，並藉由高壓噴射研磨機⁷ 類似 Nanomizer 的空蝕力，將 SGCNTs 解開，如圖 3所示。圖4 顯示了使用不同分散方法製備的 CNT 複合材料在導電性上的差異。

圖 3. 碳奈米管在橡膠中的分散方法示意圖

圖 4. 使用不同分散方法製備的 CNT 複合材料的電導率差異。

SGCNT-聚合物複合材料

透過優化配方（SGCNT含量為15.8 wt%），SGCNT與氟橡膠的複合材料具有約100 S/cm的優異導電性⁸ Ata et al.加入少量 SGCNT，開發出具有高導電性的優異機械耐久性橡膠¹⁰ 和導電樹脂¹¹ 。在前一種情況下，他們將維持長度的 SGCNTs 成束纏繞，並將 SGCNTs 的樹枝狀網絡分散到基質橡膠（氟橡膠）中。在後一種情況下，他們控制了 SGCNTs 的分散狀態和分佈狀態；也就是說，他們製造了有 SGCNTs 和沒有 SGCNTs 的不同相。

這些 SGCNT 與氟橡膠的橡膠複合物經壓縮成型後，產品的表面輪廓精度達到微米級。¹² 此外，他們還通過控制精密的 SGCNT 樹狀網絡，成功地開發了一種優異的耐候性橡膠複合材料。¹³ 與普通氟橡膠相比，這種 SGCNT 與氟橡膠的複合材料在耐候性特性（包括耐熱性、耐水熱性、耐酸性和耐鹼性）方面有顯著改善。這種複合材料在石油鑽井平台的密封環、化學工廠的高溫密封等方面具有很大的應用潛力。

與碳黑複合橡膠相比，SGCNTs 複合橡膠具有優異的高溫拉伸強度以及室溫拉伸強度和撕裂強度。此外，SGCNTs 與橡膠的複合物在高溫下展現出極佳的耐久性，如圖 5 ¹⁴ Ata et al.Ata 等人成功開發出由 SG101 (4wt%)、瀝青基碳纖維 (18wt%) 及氟橡膠所組成的複合材料，其平面內熱傳導率為 25W/m・K，與鈦的熱傳導率相同。此複合材料具有高導熱性、橡膠般的彈性及輕量化。

圖 5. SGCNT 橡膠複合材料的機械特性

我們開發了一種新的導熱墊（導熱介面材料：TIM），這種材料採用 SGCNT、石墨和氟橡膠的三元化合物製成，具有極佳的柔軟性和相對於其厚度的高導熱性。這種薄片非常柔軟，並顯示出優於現有熱油脂的耐熱性 (圖 6)。這種 TIM 可望成為一種新型熱管理材料。

圖 6. 新型 SGCNT 導熱墊的耐熱性

SGCNT-金屬複合材料

有關SGCNT與金屬複合材料的研究有了很大的進展，並提出了一些性能優異的金屬複合材料。¹⁷ 這種複合材料具有與銅相同的導電性，但重量更輕，而且與銅比較，其電阻隨溫度升高而增加的幅度更小。

SGCNT與鋁的複合材料也已開發成功。⁹ 這種複合材料還具有重量輕、加工性好等特點，可用作功率半導體器件中的散熱材料。

材料

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參考資料

1. lijima S, Ichihashi T. 1993. Erratum: Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter. Nature. 364(6439):737-737. https://doi.org/10.1038/364737d0

2. Hata K. 2004. Water-Assisted Highly Efficient Synthesis of Impurity-Free Single-Walled Carbon Nanotubes. Science. 306(5700):1362-1364. https://doi.org/10.1126/science.1104962

3. Project on Carbon Nanotube Capacitor. . [Internet].[cited 17 Dec 2017].

4. Hiraoka T, Yamada T, Hata K, Futaba DN, Kurachi H, Uemura S, Yumura M, Iijima S. 2006. Synthesis of Single- and Double-Walled Carbon Nanotube Forests on Conducting Metal Foils. J. Am. Chem. Soc.. 128(41):13338-13339. https://doi.org/10.1021/ja0643772

5.[cited 17 Dec 2017].

6. Huang YY, Terentjev EM. Dispersion of Carbon Nanotubes: Mixing, Sonication, Stabilization, and Composite Properties. Polymers. 4(1):275-295. https://doi.org/10.3390/polym4010275

7. Yoon H, Yamashita M, Ata S, Futaba DN, Yamada T, Hata K. 2015. Controlling exfoliation in order to minimize damage during dispersion of long SWCNTs for advanced composites. Sci Rep. 4(1): https://doi.org/10.1038/srep03907

8. Sekitani T, Nakajima H, Maeda H, Fukushima T, Aida T, Hata K, Someya T. 2009. Stretchable active-matrix organic light-emitting diode display using printable elastic conductors. Nature Mater. 8(6):494-499. https://doi.org/10.1038/nmat2459

9. Nano Carbon Material Implementation Project for Achieving a Low-Carbon Society. [Internet].[updated 17 Dec 2017].

10. Development of conductive rubber with SGCNT.. [Internet].[updated 19 Dec 2017].

11. Conductive resin made with a small amount of SGCNT. . [Internet].[updated 17 Dec 2017].

12. Compression molded rubber with nanometer accuracy. [Internet].[updated 19 Dec 2017].

13. Development of the world’s best environmental-resistant rubber composite. [Internet].[cited 17 Dec 2017].

14.[cited 17 Dec 2017].

15. A rubber composite with SGCNT and carbon fiber has thermal conductivity like titanium.. [Internet].[cited 17 Dec 2017].

16. High-performance Thermal Pad with Synthesized SGCNTs and Rubber Developed Mass Production. [Internet].[cited 17 Dec 2017]. Available from: http://www.zeon.co.jp/press_e/161110

17. Subramaniam C, Yamada T, Kobashi K, Sekiguchi A, Futaba DN, Yumura M, Hata K. 2013. One hundred fold increase in current carrying capacity in a carbon nanotube?copper composite. Nat Commun. 4(1): https://doi.org/10.1038/ncomms3202

18. Realization of 3D CNT devices designed at will.. [Internet].[cited 17 Dec 2017].

19. Mukai K, Asaka K, Sugino T, Kiyohara K, Takeuchi I, Terasawa N, Futaba DN, Hata K, Fukushima T, Aida T. 2009. Highly Conductive Sheets from Millimeter-Long Single-Walled Carbon Nanotubes and Ionic Liquids: Application to Fast-Moving, Low-Voltage Electromechanical Actuators Operable in Air. Adv. Mater.. 21(16):1582-1585. https://doi.org/10.1002/adma.200802817

20. A Carbon Nanotube Strain Sensor That Detects Human Motion. [Internet].[updated 23 May 2011; cited 17 Dec 2017]. Available from: https://www/www.pngst.go.jp/aist_e/list/latest_research/2011/20110524/20110524

21. Miyake T, Yoshino S, Yamada T, Hata K, Nishizawa M. 2011. Self-Regulating Enzyme?Nanotube Ensemble Films and Their Application as Flexible Electrodes for Biofuel Cells. J. Am. Chem. Soc.. 133(13):5129-5134. https://doi.org/10.1021/ja111517e

22. Toyokuni S, Jiang L, Kiatura R, Shinohara H. 2015. Nagoya J Med Sci. 77((1-2)):195-201..