碳原子可以以各种方式结合在一起，产生许多具有不同物理性质的碳的同素异形形式。已知的同素异形体包括石墨、金刚石、富勒烯、纳米管和石墨烯。后三个大多是人为的。

      它们的起源、形态和生产方法会影响这些碳同素异形体用作添加剂时赋予材料的性能，并且一种形式的碳与另一种形式的碳有很大不同。石墨烯和纳米管具有较好的性能和优点组合。

单壁碳纳米管（SWCNT）	石墨烯	多壁碳纳米管（MWCNT）	纳米石墨结构	石墨结构
石墨烯层无缝卷成管状	紧密结合在六角形蜂窝晶格中的单片或单层碳原子	单壁碳纳米管同心排列，即多层石墨烯无缝卷成同心管状结构	石墨烯薄片是石墨的小片；GO/RGO是少层纳米级石墨，具有氧基团或经过额外还原	一大组多个石墨烯片

      碳纳米管基本上分为两类：单壁碳纳米管（SWCNT）和多壁碳纳米管（MWCNT）。尽管存在明显的共性，但单壁碳纳米管和多壁碳纳米管由于结构差异而具有显着不同的物理性能。

      单壁碳纳米管重要的区别特征是纳米管壁仅由一层石墨烯层组成。换句话说，单壁碳纳米管可以被描述为无缝卷起形成空心圆柱体的石墨烯片。这就是为什么它们经常被称为石墨烯纳米管（GNT）。

      与单壁纳米管不同，多壁碳纳米管可以被视为单壁碳纳米管的同心排列，即由无缝卷绕成管状的多层石墨烯组成。

碳纳米管的合成主要有以下三种方法

等离子体电弧放电：在氦气氛中通过电弧放电等离子体生产碳纳米管。

激光蒸发（脉冲激光烧蚀）：通过脉冲激光的作用，在高温反应中蒸发石墨靶材。

化学气相沉积（CVD）：从碳氢化合物（甲烷、乙烯、乙炔）中催化（镍、钴、铁或其组合）沉积碳。

单壁碳纳米管应用

      单壁碳纳米管正在证明其作为多功能添加剂和创造具有以前无法达到的性能的新产品的巨大潜力。它们可以改善几乎所有已知材料的各种特性：赋予导电和抗静电性能，并根据所需的应用增加强度、抗裂性、柔韧性和粘附力以及许多其他参数。此外，这通常是在十分之一或百分之一的单壁碳纳米管浓度下实现的，这通常使得可以保留用于制造最终产品的现有技术。

      单壁碳纳米管应用的分类有多种方法。最常见的是按行业、材料或工业产品类型划分。按工业产品类型分类还可以根据单壁碳纳米管的潜在消费量进一步分类。

      复合材料和增强塑料、工业涂料、汽车轮胎和橡胶技术产品、结构材料以及电化学电源材料占单壁碳纳米管消费量的最大部分。就单壁碳纳米管的使用量而言，下一组应用包括粘合剂和润滑剂、抗静电塑料、透明导电薄膜和电缆。还有一些使用有限数量的单壁碳纳米管的利基应用。

具有潜力的单壁碳纳米管市场

单壁碳纳米管复合材料

      单壁碳纳米管正在进入这个市场，主要关注替代能源和基础设施（管道、建筑结构元件）以及汽车和飞机结构材料中的应用。这些行业需要轻质、坚固且具有改善物理性能的材料（风力发电机叶片、船体、飞机零部件、船舶等）。使用单壁碳纳米管提高复合材料强度的解决方案数量正在稳步增加。

含有SWCNT的增强塑料

      单壁碳纳米管在增强塑料中的使用越来越多，主要是由于汽车工业的需求，即通过减轻所有汽车部件的重量来减少燃料输入或电池负载，以及航空航天工业的需求，除了减轻重量外，需要能够抵抗极端条件和负载的材料。所有这些挑战都可以使用单壁碳纳米管来解决。

工业涂料中的单壁碳纳米管

      在该领域，单壁碳纳米管用作底漆和油漆的多功能添加剂，用于车辆涂料（汽车车身、飞机、船体等）、设备（电气和家用电器）和储存容器/容器以及防静电地板。在广阔的工业涂料市场中，半数以上的产品都可以应用SWCNT。

汽车轮胎中的单壁碳纳米管

      单壁碳纳米管在轮胎中的应用可以显着提高轮胎的刚度、抗撕裂性、燃油效率和抓地力。这种改进是在非常低的浓度下实现的，不需要对现有生产技术进行额外的改变。SWCNT无需任何其他导电填料（例如，无需炭黑）即可赋予轮胎所需的导电性。SWCNT的潜在应用估计在高端轮胎市场中占30%，在标准轮胎市场中占10%左右。

采用SWCNT的电化学电源

      事实证明，在电化学电源中使用单壁碳纳米管对几乎100%的可用技术都是有益的。该市场的主要细分市场是可充电电源、电动汽车用锂离子电池、笔记本电脑和手机电池以及碱性电池。它们包含在电池电极中使得可以显着改善目标参数，例如对电源的使用寿命有直接影响的存储密度和可循环性。

橡胶技术产品中的单壁碳纳米管

      单壁碳纳米管为基于各种橡胶、有机硅和热塑性弹性体的产品提供了技术优势。在提高橡胶复合材料的强度和弹性性能的同时，单壁碳纳米管还可以保留并在某些情况下增强其他重要性能，例如肖氏硬度、内聚强度、动态强度、耐磨性、减少滞后损失和保留产品颜色。单壁碳纳米管有潜力用于约三分之一的橡胶技术产品。

含有单壁碳纳米管的结构材料

      在诸如沥青、柏油和金属基复合材料的材料中，SWCNT允许控制材料的结构特征，同时提供改进的性能特性。

单壁碳纳米管的健康和安全问题

      研究表示，与其他碳纳米材料相比，单壁碳纳米管具有很高的柔韧性，这意味着它们在健康和安全方面具有许多完全不同的特性，并且环境考虑。

潜在的肺部风险

      对特定单壁碳纳米管的评估表明，由于其尺寸相对较大，无法进行气溶胶测试，从而得出团聚的单壁碳纳米管无法进入肺部深处的结论。SWCNT不表现出刚性，这是其柔性的结果，并且它们具有降低表面能的倾向以及形成束或团聚体的倾向。国际癌症研究机构 (IARC) 将单壁碳纳米管归类为“无法归类为人类致癌性”的物质。

嵌入材料基体中

      就消费者接触而言，假设不存在风险，因为消费者仅在将单壁碳纳米管纳入复合材料（主要是基于聚合物的材料）时接触单壁碳纳米管。一旦单壁碳纳米管被用作聚合物复合材料中的增强材料或导电材料，它们就会高度聚集并被聚合物包围。因此，它们不再具有任何纳米颗粒特征，即使在复合材料被研磨、切割或以其他方式机械降解的情况下，纯单壁碳纳米管通常也不会释放，而仅作为更高聚集的聚合物结合颗粒的一部分。总之，消费者对单壁碳纳米管的接触极为有限，并且认为它们不会对消费者造成任何危害，无论是通过吸入还是通过皮肤或口腔接触。

生态毒性

      正如毒理学家所指出的，与多壁碳纳米管和碳纤维不同，单壁碳纳米管具有高度柔性，因此通常具有较低的损害细胞壁的可能性。一项关于多壁碳纳米管对海洋藻类影响的研究证明了多壁碳纳米管对海洋藻类的急性和慢性毒性作用。一项用单壁碳纳米管进行的研究发现，藻类暴露于单壁碳纳米管后没有毒性作用。