HORIBA 解決碳納米管的精準測量難題！

01.什么是碳納米管？

作為一種新型的理想材料，碳納米管受到人們的廣泛關(guān)注。它的重量僅為鋁的一半，強度卻能達到鋼的20倍，抗電流密度也比銅高1000倍。

碳納米管100%由碳組成，其結(jié)構(gòu)是一層碳原子排列在平面上，并卷成直徑小至1納米（十億分之一米）的圓管。單層圓管被稱為單壁碳納米管，多層同軸圓管被稱為多壁碳納米管。需要注意的是，這些圓層是不同直徑，因而是分層的。

另外，薄片的卷曲程度決定了單壁碳納米管是“金屬”性質(zhì)還是“半導體”性質(zhì)。例如，稀有金屬“銦”產(chǎn)量有限，目前作為“透明導電膜”被廣泛用于 LCD 屏幕和觸摸板。銦不僅稀有，而且難以滿足未來物聯(lián)網(wǎng)（IOT）設(shè)備組件的拉伸和彎曲需求。因此，碳納米管作為銦的替代品，其開發(fā)引起了研究者們的廣泛關(guān)注。

此外，硅目前是半導體的主要材料，但預(yù)計其在小型化的半導體領(lǐng)域?qū)⒕哂芯窒扌浴Ｌ技{米管可以代替硅制造高性能 CPU 和存儲器，這項研究正在進行。因為，將現(xiàn)有的工業(yè)材料與碳納米管相結(jié)合，可以創(chuàng)造出具有優(yōu)越功能的新材料。雖然碳納米管在我們的日常生活中還沒有被廣泛看到，但目前各領(lǐng)域都在進行相關(guān)實際應(yīng)用的研究。
02.碳納米管發(fā)展和應(yīng)用的阻礙

在碳納米管材料制造過程中，為了提高其性能和產(chǎn)率，建立分散方法以及質(zhì)量評價體系十分必要。

碳納米管加工前的漿料通常為黑色液體，放大觀察時，會發(fā)現(xiàn)一根根的碳納米管在液體中糾纏在一起，很難確定它們的混合狀況。當混合狀況發(fā)生變化時，即使是相同的分散液體，其產(chǎn)物的材料性質(zhì)也不盡相同。

例如，去年購買的碳納米管漿料的性能可能與今年從同一供應(yīng)商購買的不同。也許是碳納米管的粒徑分布不同，亦或者是聚集/分散狀態(tài)不同，但制造商和用戶都無法知曉。目前，碳納米管材料的開發(fā)往往就是在這種情況下進行的，因為質(zhì)量控制體系尚未建立完整，這阻礙了碳納米管的快速發(fā)展。
03.質(zhì)量穩(wěn)定的挑戰(zhàn)

碳納米管通常是以直徑為幾納米（nm）的纖維狀存在，但很少作為單根纖維使用。相反，它主要在聚合狀態(tài)下使用，例如與復合材料混合使用。碳納米管是如何聚集以及每一根是如何在復雜結(jié)構(gòu)中連接的，這些極大地影響了*終材料的物理性能。

因此，了解如何形成和使用這種聚合狀態(tài)非常重要。也就是說，實際應(yīng)用中，需要準確分析和評估碳納米管的狀態(tài)和大?。ㄔ诰奂w中糾纏的碳納米管），這一點至關(guān)重要。
04.尋求更準確的粒度測量儀器

 傳統(tǒng)的動態(tài)光散射和激光衍射粒度分析儀難以準確測量大范圍的粒度，因為在測試過程中，較大顆粒的散射信號較強，會掩蓋較小顆粒的弱信號。同時，由于許多不同大小粒子的散射光疊加，導致難以獲得高分辨率。

但我們發(fā)現(xiàn)離心沉降粒度分析儀可以做到這一點。離心沉降粒度分析儀首先會將顆粒按大小進行分離，然后再進行測量，因此微弱的信號不會被隱藏，并且可以在大范圍內(nèi)獲得高分辨率。

為此咨詢了負責 AIST 的 HORIBA 設(shè)備負責人，得知離心沉降粒度分析儀（CAPA系列）已經(jīng)停產(chǎn)。但我不想放棄這個可以解決碳納米管粒徑測量難題的方法，于是再次聯(lián)系 HORIBA，商討是否可以再一次開發(fā)基于這個原理的分析儀。經(jīng)過深入的與 HORIBA 研發(fā)部總經(jīng)理和其他高管探討，離心式納米粒度分析儀的研發(fā)終于再度啟動。

05.HORIBA 碳納米管性能評測技術(shù)

離心式納米粒度分析儀可以測量的顆粒大小范圍很廣，并且可以穩(wěn)定地測量相對較大的顆粒，這使得它測量粒徑分布廣的樣品（例如碳納米管）具有非常大的優(yōu)勢。

雖然有許多方法可以測量有限的粒徑范圍，但很難找到一種方法可以同時高分辨率地測量兩到三個數(shù)量級差異的顆粒。離心式納米粒度儀（CN-300）采用離心沉降法，根據(jù)顆粒大小進行分類，可測定粒徑從10納米到數(shù)十微米以上的寬范圍樣品。

上圖是用離心式納米粒度儀測量商用多壁碳納米管漿料中碳納米管的粒徑分布?？梢钥闯?，樣品為單分散的碳納米管與聚集體的混合物，其中單分散的碳納米管粒徑約為30 nm，聚集體粒徑約200 nm。