HORIBA 解決碳納米管的精準(zhǔn)測(cè)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?jī)H為鋁的一半，強(qiáng)度卻能達(dá)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(dǎo)體”性質(zhì)。例如，稀有金屬“銦”產(chǎn)量有限，目前作為“透明導(dǎo)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(dǎo)體的主要材料，但預(yù)計(jì)其在小型化的半導(dǎo)體領(lǐng)域?qū)⒕哂芯窒扌?。碳納米管可以代替硅制造高性能 CPU 和存儲(chǔ)器，這項(xiàng)研究正在進(jìn)行。因?yàn)?，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(jìn)行相關(guān)實(shí)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(píng)價(jià)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(shí)，會(huì)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(dāng)混合狀況發(fā)生變化時(shí)，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(jìn)行的，因?yàn)橘|(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(fù)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(fù)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(shí)際應(yīng)用中，需要準(zhǔn)確分析和評(píng)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(diǎn)至關(guān)重要。
04.尋求更準(zhǔn)確的粒度測(cè)量?jī)x器

 傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)光散射和激光衍射粒度分析儀難以準(zhǔn)確測(cè)量大范圍的粒度，因?yàn)樵跍y(cè)試過程中，較大顆粒的散射信號(hào)較強(qiáng)，會(huì)掩蓋較小顆粒的弱信號(hào)。同時(shí)，由于許多不同大小粒子的散射光疊加，導(dǎo)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(diǎn)。離心沉降粒度分析儀首先會(huì)將顆粒按大小進(jìn)行分離，然后再進(jìn)行測(cè)量，因此微弱的信號(hào)不會(huì)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(fù)責(zé) AIST 的 HORIBA 設(shè)備負(fù)責(zé)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(gè)可以解決碳納米管粒徑測(cè)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(gè)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(dòng)。

05.HORIBA 碳納米管性能評(píng)測(cè)技術(shù)

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

雖然有許多方法可以測(cè)量有限的粒徑范圍，但很難找到一種方法可以同時(shí)高分辨率地測(cè)量?jī)傻饺齻€(gè)數(shù)量級(jí)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(jìn)行分類，可測(cè)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(cè)量商用多壁碳納米管漿料中碳納米管的粒徑分布。可以看出，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。