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《先進材料》綜述:碳納米管纖維何去何從?
2019-07-05 09:46:39 | 【 【打印】【關閉】

  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、薄膜和泡沫等)是實現碳納米管宏量應用的重要途徑之一。碳納米管纖維是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,成為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,揭示碳納米管纖維的工藝-結構-性能關系,并且開發碳納米管纖維的工程應用等。現有的大量研究已經表明,碳納米管纖維在結構功能一體化復合材料、纖維狀能源器件、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。然而遺憾的是,從納米尺度的單根碳納米管到宏觀尺度的碳納米管纖維,碳納米管在力、電、熱等性能上能夠發揮的效率甚至不到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-性能關系是進一步提升碳納米管纖維性能的關鍵。

  中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所李清文研究員團隊自2007成立以來,在碳納米管纖維領域開展了大量的基礎研究與應用開發工作。近期,該團隊應邀在Advanced Materials期刊撰寫綜述文章,系統回顧過去20余年間人們在碳納米管纖維基本物性研究方面開展的工作,并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歷史 

  回顧碳納米管纖維發展歷程,我們可以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達50%以上的連續纖維材料,拉開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和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沉積方法制備直徑約為300至500微米的碳納米管束,其長度達到20厘米;同年,清華大學范守善教授團隊首次報道了從碳納米管陣列拉絲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劍橋大學訪學期間,與Alan Windle教授合作,實現了浮動催化化學氣相沉積法連續制備碳納米管纖維。

  期間,美國科學家報道了濕法制備純碳納米管纖維工藝。2018年,清華大學魏飛教授團隊報道了米級超長超細碳納米管管束,其強度達到80 GPa,纖維力學性能已為國際最好水平。總體來看,自2000年左右科學家成功實現碳納米管在宏觀尺度的纖維組裝后,碳納米管纖維的研究迅速興起,并在20年的發展中大體經歷了三個發展階段:

  (1)碳納米管纖維紡絲方法的探索階段——基于凝固過程的濕法紡絲、利用碳納米管垂直陣列的抽絲紡紗以及基于生長過程預形成碳納米管凝膠的直接紡絲成為當前最主要的制備方法;

  (2)針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發展階段;

  (3)當前碳納米管纖維的發展已進入到產業應用的攻關階段,如何啃下硬骨頭需要科研工作者以及產業界的共同努力。

  2、碳納米管纖維的結構特征 

  基于不同的紡絲方法,碳納米管纖維展現出極為豐富的組裝結構。相比于其微觀結構,碳納米管在纖維中的取向度、緊密度、糾纏度,在纖維徑向的分布差異,表面形貌等結構特性更加決定了纖維的宏觀物性。更為重要的是,如果在改進纖維組裝結構的基礎上,對管間的力、電、熱的傳遞進行有效調控,是提高纖維性能、充分發揮單根納米管性能的關鍵所在。

  
  3、碳納米管纖維力、電、熱性能的研究現狀及面臨的挑戰 

  在該研究進展的綜述中,作者分別對碳納米管纖維的力、電、熱性能進行了全面的闡述。在力學性能方面,目前可以通過溶劑致密化、機械致密化、逐級牽伸、纖維內引入聚合物網絡結構、管間誘導共價連接等方法實現纖維斷裂強度和彈性模量的顯著提升。另一方面,纖維內極為豐富的界面結構帶來了多樣化的能量耗散過程,使得碳納米管纖維(以及薄膜和復合材料)展現出傳統碳纖維所不具備的阻尼、蠕變等動態力學特性,實現了剛柔并濟的雙功能結合。此外,纖維的紗線結構以及獨特的柔性,則在旋轉驅動、生物電極等領域展現出獨特的優勢。

  碳納米管纖維還是優良的“導”體。在導電特性上,通過摻雜手段拓寬管間電子躍遷通道后,纖維在比電導率性能上有望超越金屬導體的極限,在輕量化導線方向展現出發展優勢;而通過與金屬的復合,則基于碳納米管快速導熱的性能,能夠大幅度提高復合導體的極限載流能力,在未來超大電流的應用中有望取代傳統金屬導體。在導熱特性上,由于獨特的組裝特性,纖維表面的熱輻射尤為顯著,導致在實際測量中存在表觀熱導率與實際熱導率間存在巨大差異,并且前者隨樣品尺寸增加而快速發散。為此,除了優化纖維結構以改進管間聲子輸運之外,進一步發展測試方法也是碳納米管纖維導熱研究的重要內容。

  在該綜述中,作者分別對力、電、熱性能相關的理論研究進行了介紹,指出未來纖維性能的進一步提高以及產業化實現的基礎,依然在于對加工—結構—性能三者內在關系的深入認識。盡管碳納米管纖維物性已有一系列突破、器件應用取得多項成功,從源頭重新認知纖維的紡絲工藝過程依然顯得尤為必要。

  
  李清文研究團隊介紹:該團隊在納米碳宏觀組裝材料領域開展了大量研究,特別在碳納米管可控制備及纖維化領域取得一系列前瞻性研究成果,包括半導體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、碳納米管網絡的規模化連續制備、碳納米管纖維紡絲工藝、石墨烯纖維濕法制備、力學性能逐級增強、纖維多功能特性開發等,并開展了包括光電能源轉換、光催化在內的多功能特性研究,在Nature、Nature Communications、Advanced Materials、Advanced FunctionalMaterials、Nano Letters、ACS Nano、ACS Applied Materials & Interfaces、NanoResearch、Nanoscale等國際核心學術期刊發表論文200余篇,授權專利70余項。團隊應邀參與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、結構性能關系、以及碳納米管纖維在復合材料、能源器件以及輕質導線等方面的應用。該書已由國防工業出版社于2018年出版發行。

  文章來源:高分子科學前沿、新材料網

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