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碳納米管纖維何去何從
2019-07-02| 文章來源:先進材料部 吕卫帮| 【

  碳納米管是一種潛力巨大的超級材料,是構建未來超強結構和碳基半導體器件的理想核心基礎材料。將碳納米管組裝成宏觀體(如纖維、薄膜泡沫等是實現碳納米管宏量應用的重要途徑之一。碳納米管纖維碳納米管的一維連續組裝體,其不僅可以單獨使用,而且可以通過編織形成二維薄膜或者三維編織結構,成爲最受關注的碳納米管宏觀體。近二十年來人們致力于開發碳納米管纖維連續紡絲工藝,揭示碳納米管纖維工藝-結構-性能關系,並且開發碳納米管纖維的工程應用現有的大量研究已經表明,碳納米管纖維結構功能一體化複合材料、纖維状能源器件人工肌肉以及輕質導電線纜等方面具有非常廣泛的應用前景。然而遗憾的是,從纳米尺度的单根碳納米管到宏观尺度的碳納米管纖維,碳納米管在力、电、热等性能上发挥的效率甚至不到10%,限制了碳納米管纖維的工程化應用理解和明晰碳納米管纖維的工藝-結構-性能关系是進一步提升碳納米管纖維性能的关键。 

  中國科學院苏州纳米技术与纳米仿生研究所李清文研究員团队2007成立以來,在碳納米管纖維领域开展了大量的基础研究与應用開發工作。近期,該團隊應邀Advanced Materials期刊撰写综述文章DOI:10.1002/adma. 201902028),系統回顧過去近二十年人們碳納米管纖維基本物性研究方面開展的工作,對碳納米管纖維未來的發展關鍵做了展望。    

  1、碳納米管纖維的發展历史 

  回顧碳納米管纖維的發展曆程可以發現,我國在國際上較早開展碳納米管纖維研究2000年,法國科學家首次報道了通過濕法紡絲工藝,制備碳納米管含量高达50%以上的連續纖維材料,拉开了碳納米管纖維研究的序幕。2002年,清華大學吳德海教授團隊美國倫斯勒理工學院P. M. Ajayan教授合作,首次報道了利用浮動化學氣相沈積方法制備直徑約爲300500微米的碳納米管束其長度達到20厘米;同年清華大學範守善教授团队首次報道了碳納米管陣列拉丝制備碳納米管纖維的方法;2004年我國科學家李亞利教授在英國剑桥大學訪學期間,與Alan Windle教授合作,實現了浮動催化化學氣相沈積法連續制備碳納米管纖維。期間,美國科学家報道了濕法制備纯碳納米管纖維工藝。2018年,清華大學魏飞教授团队報道厘米级碳納米管管束,其強度達到80 GPa。總體來看,2000年左右科学家成功實現碳納米管在宏观尺度的纖維组装后,碳納米管纖維的研究迅速兴起,並在20年的發展中大体经历了三个发展阶段:(1)碳納米管纖維紡絲方法的探索阶段——基于凝固过程的濕法紡絲、利用碳納米管垂直陣列的抽丝纺纱以及基于生长过程预形成碳納米管凝胶的直接紡絲成为当前最主要的制備方法;(2)针對碳納米管纖維宏量連續制備、基本性能提升以及功能特性開發的快速发展阶段;(3)当前碳納米管纖維的發展已进入到产业應用的攻关阶段,如何啃下硬骨头需要科研工作者以及产业界的共同努力。     

  2、碳納米管纖維的結構特征 

  基于不同的紡絲方法,碳納米管纖維展现出极为丰富的组装結構。相比于其微观結構,碳納米管在纖維中的取向度、紧密度、纠缠度,在纖維径向的分布差异,表面形貌等結構特性更加决定了纖維的宏观物性。更为重要的是,如果在改进纖維组装結構的基础上,对管间的力、电、热的传递进行有效调控,是提高纖維性能、充分发挥单根纳米管性能的关键所在。 

    

  3、碳納米管纖維力、电、热性能的研究现状及面临的挑战 

  在該研究进展的综述中,作者分别對碳納米管纖維的力、电、热性能进行了全面的阐述。在力学性能方面,目前可以通过溶剂致密化、机械致密化、逐级牵伸、纖維内引入聚合物网络結構、管间诱导共价连接等方法實現纖維断裂强度和弹性模量的显著提升。另一方面,纖維内极为丰富的界面結構带來了多样化的能量耗散过程,使得碳納米管纖維(以及薄膜和复合材料)展现出传统碳纖維所不具备的阻尼、蠕变等动态力学特性,實現了刚柔並济的双功能结合。此外,纖維的纱线結構以及独特的柔性,则在旋转驱动、生物电极等领域展现出独特的优势。 

  碳納米管纖維还是优良的“导”体。在导电特性上,通过掺杂手段拓宽管间电子跃迁通道后,纖維在比电导率性能上有望超越金属导体的极限,在轻量化导线方向展现出发展优势;而通过与金属的复合,基于碳納米管快速导热的性能,能够大幅度提高复合导体的极限载流能力,在未來超大电流的應用中有望取代传统金属导体。在导热特性上,由于独特的组装特性,纖維表面的热辐射尤为显著,导致在实际测量中表观热导率与实际热导率间存在巨大差异,並且前者随样品尺寸增加而快速发散。为此,除了优化纖維結構以改进管间声子输运之外,進一步发展测试方法也是碳納米管纖維导热研究的重要内容。 

  在該综述中,作者分别对力、电、热性能相关的理论研究进行了介绍,指出未來纖維性能的進一步提高以及产业化實現的基础,依然在于对加工—結構—性能三者内在关系的深入认识。尽管碳納米管纖維物性已有一系列突破、器件應用取得多项成功,從源头重新认知纖維的紡絲工藝过程依然显得尤为必要。 

        

  李清文研究團隊介紹:團隊成立2007年10余年來在纳米碳宏观组装材料领域开展了大量研究,特别在碳納米管可控制備及纖維化领域取得一系列前瞻性研究成果,包括半导体型碳納米管水平陣列可控制備、可紡絲碳納米管陣列的低成本合成、碳納米管网络的规模化連續制備、碳納米管纖維紡絲工藝、石墨烯纖維濕法制備、力学性能逐级增强、纖維多功能特性開發等,並开展了包括光电能源转换、光催化在内的多功能特性研究,在Nature、Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Nano Letters、ACS Nano、ACS Applied Materials & Interfaces、Nano Research、Nanoscale等国际核心学术期刊发表論文200余篇,授權專利70余項。團隊應邀参与我國高性能纖維技術叢書編寫工作,撰寫了國內第一本《碳納米管纖維專著,系統闡述了碳納米管纖維制備工藝、結構性能关系、以及碳納米管纖維在复合材料、能源器件以及輕質导线等方面的應用已由國防工業出版社于2018年出版發行。 

    

 
 
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