說到最強(qiáng)纖維材料，或許你想到的是凱夫拉。沒錯(cuò)，就是那個(gè)被稱為“裝甲衛(wèi)士”的凱夫拉，由于剛?cè)岵?jì)現(xiàn)已廣泛用于軍事項(xiàng)目上。那如果說到導(dǎo)電最強(qiáng)的材料，或許你想到的是金屬材料——銀。但如果告訴你，現(xiàn)在有這樣一種材料，強(qiáng)度勝過凱夫拉，導(dǎo)電接近銅的80%的纖維，你會(huì)是什么的表情呢？(此處自行添加黑人問號(hào)表情)沒錯(cuò)，這樣的材料已經(jīng)誕生了。它不但性能優(yōu)越，而且靈活性極好，重量輕。那么它是誰呢？它就是碳納米管纖維(CNTF)。
目前，要想實(shí)現(xiàn)CNTF的廣泛應(yīng)用，就需要具有可控且可再生特性的大規(guī)模生產(chǎn)方法。當(dāng)前比較流行的商業(yè)方法有，溶液紡絲法(簡稱SS-CNTF)、直接紡絲法(DS-CNTF)和陣列旋轉(zhuǎn)紡絲法(AS-CNTF)。
由于溶液紡絲工藝將纖維生產(chǎn)與碳納米管的生長分離開來，它允許原始碳納米管縱橫比和CNTF性能之間有明確的關(guān)聯(lián)。碳納米管原料的性能與宏觀纖維的性能之間的基本聯(lián)系為CNTF的發(fā)展指明了前進(jìn)道路：即高結(jié)晶度、高縱橫比和低雜質(zhì)的CNTs。
近日，來自美國萊斯大學(xué)的Matteo?Pasquali等研究者證明了，更高質(zhì)量、更長的CNTs可通過溶液加工成CNTF，同時(shí)CNTF兼具有良好的力學(xué)、電氣性能以及靈活性。研究者所制得的CNTFs的抗拉強(qiáng)度為4.2?GPa而凱夫拉為3.6?GPa。CNTFs的導(dǎo)電性提升到10.9MS / m，這是CNT纖維第一次突破MS / m，按照質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，該纖維的導(dǎo)電性約為銅的80%。該研究成果以題為“Improved Properties, Increased Production, and the Path to Broad Adoption of Carbon Nanotube Fibers”的論文發(fā)表在《Carbon》上（見文后原文鏈接）。
CNT里面長的啥樣？
研究者對(duì)碳納米管原料進(jìn)行了拉曼光譜分析。圖1a顯示了使用532 nm、633 nm和785 nm激發(fā)波長的G和D峰的代表性光譜。532 nm、633 nm和785 nm的平均G/D分別為56、85和54，表明了CNTs的高結(jié)晶度。
拉曼光譜的徑向呼吸模?(RBM)區(qū)域表明了存在0.8-2 nm的單壁和雙壁CNTs(圖1b)。而高分辨率透射電子顯微鏡(HR-TEM)也證實(shí)了這一結(jié)果(圖1c)，確定了平均直徑為1.76 nm，平均為1.9壁。
CNT-CSA溶液的透射(圖1d)和偏振光(圖1e)顯微鏡顯示，CNTs完全溶解，含有少量雜質(zhì)，形成清晰的液晶。
圖1f顯示了CNTF表面的典型掃描電子顯微鏡(SEM)圖像，可用于評(píng)估形貌和測量平均直徑。發(fā)現(xiàn)，纖維在軸向高度排列(圖1g)，平均直徑為8.9 ±?0.9 μm。
圖1h顯示了使用聚焦離子束銑削得到的CNTF截面的SEM圖像。雖然纖維的直徑不是完美的圓形，但纖維中充滿了少量的空隙。
CNTFs有哪些特性呢？
對(duì)纖維使用了ARES G2流變儀，得到其代表性拉伸測試曲線，如圖2a所示。
此外，通過擬合威布爾分布，分析了對(duì)纖維進(jìn)行的每次斷裂試驗(yàn)所獲得的拉伸強(qiáng)度(圖3b)，可看到除了在低端的兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，其他收集的數(shù)據(jù)是線性的。采用標(biāo)準(zhǔn)威布爾對(duì)其拉伸強(qiáng)度測定為4.2 ±?0.15 GPa。
由拉伸應(yīng)力曲線從0-0.2%的延伸率開始的斜率計(jì)算，得到其楊氏模量為260?± 40 GPa。斷裂伸長率平均為3.5 ±?0.65%，平均韌性為50?± 14 J/g。
纖維電導(dǎo)率采用HP34401-A四探針萬用表測量得到，室溫的平均電導(dǎo)率為10.9 ± 1.2 MS/m。此外，纖維從生產(chǎn)到提交本文的15個(gè)月期間，它們的抗性在實(shí)驗(yàn)室條件下是穩(wěn)定的。
研究者使用穩(wěn)態(tài)光纖加熱方法測量了在300 K時(shí)的熱導(dǎo)率為390?± 60 W/m K，這與之前在由5 μm CNTs組成的SS-CNTF上的結(jié)果相媲美。
研究分析表明，CNTS導(dǎo)熱系數(shù)并沒有隨著的CNTs長度增加而增加，這表明熱輸運(yùn)可能主要是碳納米管內(nèi)部輸運(yùn)，而不是碳納米管之間的界面阻力。
通過測量了每根纖維的懸浮長度，其值在2.9~3.2 mm之間。熱模擬表明，纖維的對(duì)流損失和輻射損失可以忽略不計(jì)
性能對(duì)比。圖3顯示了CNT纖維的性能，并與碳纖維、DS-CNTF、聚合物纖維和金屬的性能進(jìn)行了比較。SS-CNTF將商用碳纖維的抗拉強(qiáng)度和DS-CNTF類似金屬導(dǎo)電性完美結(jié)合。然而，這些新的SS-CNTF的比強(qiáng)度和電導(dǎo)率現(xiàn)在都在領(lǐng)先纖維(強(qiáng)度為IM10，電導(dǎo)率為鋁)的范圍之內(nèi)，并與領(lǐng)先纖維的比導(dǎo)熱率(K13D2U)相當(dāng)。
SS-CNTF的性能改進(jìn)與時(shí)間關(guān)系。圖4中，研究者繪制了SS-CNTF性能改進(jìn)與時(shí)間的關(guān)系圖，注意到電導(dǎo)率和抗拉強(qiáng)度以每年20-25%的速度在增長，即它們每三年翻一番，而熱導(dǎo)率似乎已經(jīng)穩(wěn)定在約400 W/m K。電導(dǎo)率的理論極限是100 MS/m，抗拉強(qiáng)度的極限是40 GPa，研究者猜測，3到5年內(nèi)這些性能可以再翻一番。然后，SS-CNTF將比任何其他纖維材料更強(qiáng)，并像大多數(shù)金屬一樣導(dǎo)電和導(dǎo)熱。
CNTF有啥用？該實(shí)驗(yàn)中所得纖維，在其橫截面上有數(shù)千萬個(gè)納米管，目前正研究用于修復(fù)受損心臟的橋梁、與大腦的電子接口、用于耳蝸植入、柔性天線以及汽車和航空航天應(yīng)用。
CNTF面臨的挑戰(zhàn)。CNTF要想成為聚合物和金屬材料的可行替代品，仍然面臨著挑戰(zhàn)：碳納米管的生產(chǎn)速率必須提高，材料的總成本必須顯著降低。截至2019年，纖維-級(jí)CNTs年產(chǎn)量為100噸，銷售價(jià)格為2000-100000美元/kg，生產(chǎn)成本已明顯降低。盡管總產(chǎn)量仍然很小，但在過去五年中，這代表了大約兩個(gè)數(shù)量級(jí)的產(chǎn)能增長和大約兩個(gè)數(shù)量級(jí)的價(jià)格下降。令人驚嘆的是，目前還沒有其他材料具有CNTF所提供的強(qiáng)度、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性以及靈活性的多重結(jié)合。(簡直是強(qiáng)到?jīng)]朋友啊。)
小結(jié)綜上所述，研究者通過濕法紡絲工藝制成的長碳納米管，已經(jīng)開發(fā)出了迄今為止最強(qiáng)和最導(dǎo)電的纖維。CNTF在從生物醫(yī)學(xué)設(shè)備到下一代電線和電纜等廣泛應(yīng)用領(lǐng)域的使用才剛剛開始。通過擴(kuò)大和改善學(xué)術(shù)和企業(yè)合作伙伴之間的合作，可以進(jìn)一步加快這一進(jìn)程。最終，這些努力將為市場帶來一種新型的經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的高性能材料。
原文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622320307193#!
