• 最高的比强度：连接碳纳米管中碳原子的共价键是自然界最稳定的化学键。碳纳米管有极高的抗拉强度和弹性模量，与此同时，碳纳米管的密度却只有钢的1/6，是目前可以制备出的具有最高比强度的材料。

• 强柔韧性：碳纳米管强度高却不脆。弯曲碳纳米管或在轴向对其施加压力时，即使外力超过Euler强度极限或弯曲强度，碳纳米管也不会断裂，而是首先发生大角度弯曲，当外力释放后，碳纳米管又恢复原状。

• 良好的导电性：碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，具有良好的导电性。碳纳米管的电阻和其长度及直径无关，电子通过碳纳米管时不会产生热量加热碳纳米管。电子在碳纳米管中的传输就像光信号在光学纤维电缆中传输一样，能量损失微小，是优良的电池导电剂。

• 储氢性能良好：碳纳米管本身具有高比表面积，再经过处理后具有优异的储氢能力。

• 优越的嵌锂特性：碳纳米管的中空管腔、管与管之间的间隙、管壁中层与层之间的空隙及管结构中的各种缺陷，为锂离子提供了丰富的存储空间和运输通道。

• 化学稳定性：碳纳米管化学性质稳定，具有耐酸性和耐碱性。在高分子复合材料中添加碳纳米管可以提高材料本身的阻酸抗氧化性能。

• 电弧法：电弧法是最早用于制备碳纳米管的方法，也是最主要的方法。其主要求是：在真空容器中充满一定压力的惰性气体或氢气，以掺有催化剂（金属锐、钻、铁等）的石墨为了电极，在电弧放电的过程中阳极石墨被蒸发消耗时，在阴极石墨上沉积碳纳米管，从而生产出碳纳米管。电弧放电法制备单壁纳米碳管具有设备简洁、原料易得、本钱低的优势，一直受到科学工作者的关注。电弧法的特点是简洁快速制得的碳纳米管管直结晶度高，但产量不高，而且由于电弧温度高达3000—3700C，形成的碳纳米管会被烧结成束，束中还存在很多非晶碳杂质，造成较多的缺陷，电弧法目前主要用于生产单壁碳纳米管。

• 激光蒸发法：其原理是利用激光束照射至含有金属的石墨靶上，将其蒸发，同时结合一定的反响气体，在基底和反响腔壁上沉积出碳纳米管。碳纳米管的生长主要受到激光强度、生长腔的压强以及气体流速等因素的影响，此法得到的大多是单壁碳纳米管，水平高，但产量较低。激光烧蚀法合成的单壁纳米碳管纯度高，但所用设备比较昂贵，合成单壁纳米碳管的量极其有限且容易缠结，因而难以推广。

• 催化热解法( CVD ) ：也叫做化学气相沉积法，含有碳的气体流经催化剂纳米颗粒外表时分解产生碳原子，在催化剂外表生成碳纳米管。催化热解法亦以催化剂存在方式的不同被分为了基体法和浮游法等。基体法利用石墨或陶瓷等作载体，将催化剂附着于其上，高温下通入含碳气体使之分解并在催化剂颗粒上长出碳纳米管。浮游法就是直接加热催化剂前驱体使其成气态，同时与气态氢一起被引入反响室，在不同温区各自分解，分解的催化剂原子逐渐聚集成纳米级颗粒，浮游在反响空间分解的碳原子在催化剂颗粒上析出，形成碳纳米管。载体的类型、催化剂的种类和制备方法、反响气体种类，以及流量和反响温度等对碳纳米管生长有较大影响，此方法的反响过程易于控制反响温度相对较低，产品纯度较高、本钱低、产量高、适合性强，现被广泛用于碳纳米管的制备。

此外，研究者还利用电解法、太阳能法、微波等离子体增强化学气相沉积法、球磨法、火焰法和爆炸法等成功制备了碳纳米管，但这些方法并不是主流方法。

• 催化剂的制备研发：

催化剂是决定碳纳米管管径、纯度的关键因素，不同公司使用的催化剂不同得到产品存在明显的差异，催化剂的质量、性能将直接影响碳纳米管的质量、性能。催化剂研发流程如下，（1）溶解：将硝酸镁等硝酸盐完全溶解在纯水中（通常为过渡金属）；（2）沉淀：加入NH₃H₂O使硝酸盐生成金属氢氧化物沉淀，化学反应式为MNO₃+NH₃H₂O—>MOH+NH₄NO₃（其中M金属）；（3）焙烧：将金属氢氧化物分解成金属氧化物的催化剂，达到催化剂产品要求后进入到下一道工序，化学反应式为 2MOH—>M₂O+H₂O。

• 碳纳米管积碳生长研发：

采用气相沉积法（CVD）研发制备碳纳米管，主要生成机理为：碳源气体丙烯在高温条件下吸附到金属催化剂上，之后碳源气体反应裂解生成碳原子，当碳浓度达到一定程度后过饱和析出，在催化剂颗粒四周上生长碳纳米管。碳纳米管生成的化学方程式为：2C₃H₈—>C₆（碳纳米管）+8H₂。此时得到的为碳纳米管粗品，需要经过纯化后才能得到碳纳米管纯品。不同品质的碳纳米管粗品需要经过不同的纯化工序，其中高温氧化主要除去无定形碳杂质；酸洗、石墨化主要除去催化剂金属杂质；纯化工序越复杂，纯化后的碳纳米管性能越好。

图：碳纳米管积碳生长的研发流程

• 碳纳米管应用研发（导电浆料）：

碳纳米管由于是尺度很小的纳米材料，比表面积大，长径比高，容易团聚，实际导电效率低，不易分散。因此，把碳纳米管完全分散到非聚集的“单根状态”，以提高导电浆料的导电性至关重要。目前，用于制备碳纳米管的高效分散溶液，溶剂主要为有机溶剂N-甲基吡咯烷酮（NMP），添加适量的分散剂聚乙烯吡咯烷酮（PVP）可以加强分散效果。

图：碳纳米管应用的研发流程

• 碳纳米管中下游分布

根据天奈科技2020年成本构成情况，碳纳米管浆料的原材料成本占比达69%，而原材料主要为丙烯、NMP、分散剂、液氮等，其中NMP成本占比较重，高达89%。

根据2021年碳纳米管下游需求结构占比情况，锂电池服务产业占比较重，达86%；导电塑料企业占比较低，仅占14%。

 

从全球碳纳米管市场需求量情况来看，碳纳米管市场需求持续提升。据GGII数据，2019年全球碳纳米管粉体和碳纳米管浆料需求量分别为0.1万吨和3万吨，2020年全球碳纳米管粉体和浆料需求量分别为0.2万吨和4万吨，2021年全球碳纳米管粉体和浆料需求量分别为0.4万吨和9万吨。预计到2025年，全球市场碳纳米管粉体需求量将达到2.4万吨，碳纳米管浆料需求量将达到59万吨。

从市场规模来看，2021年全球碳纳米管粉体市场规模为9亿元，碳纳米管浆料市场规模为35亿元。预计到2025年全球碳纳米管粉体和碳纳米管浆料市场规模将分别达到60亿元和224亿元。

目前，碳纳米管导电浆料生产企业主要集中在国内，国外则主要掌握性价比更高的炭黑类导电剂。但因为碳纳米管优异的导电性能以及价格的逐年下降，国外企业也开始布局碳纳米管产能建设。

从国内碳纳米管行业竞争格局来看，天奈科技在碳纳米管行业龙头地位稳固。在碳纳米管导电浆体行业中，天奈科技出货量稳居第一。2020年，天奈科技市场份额占32.3%，2021年大幅度提高，市场占有率达到43.4%，主要是供应高端锂电池市场。集越纳米位居第二，2020年市场份额为23.8%，2021年下降至15.3%。海外企业卡博特因收购了三顺纳米进入该领域，2021年市场占有率较2020年也是大幅度下降。