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萊斯大學(xué)為工業(yè)制造最佳碳納米管纖維方面取得新進展

文章來源：賽奧碳纖維技術(shù) 更新時間：2020-09-07 14:07:13

文章來源：碳纖維體驗館

記者了解到，萊斯大學(xué)生產(chǎn)的碳納米管纖維現(xiàn)在比凱夫拉爾纖維更堅固，并且在銅的導(dǎo)電性上也越來越微。

萊斯化學(xué)和生物分子工程師Matteo Pasquali實驗室在Carbon網(wǎng)站上報道說，它已經(jīng)開發(fā)出最堅固，導(dǎo)電性最強的纖維，它是由長碳納米管通過濕紡工藝制成的。

在萊斯大學(xué)研究生Lauren Taylor和Oliver Dewey領(lǐng)導(dǎo)的這項新研究中，研究人員指出，濕紡碳納米管纖維可能會導(dǎo)致許多醫(yī)療和材料應(yīng)用領(lǐng)域的突破，其強度和電導(dǎo)率每三年翻一番，這一趨勢跨越了近二十年。

盡管這可能永遠無法模仿摩爾定律，該定律為數(shù)十年來計算機芯片的發(fā)展樹立了標(biāo)桿，但Pasquali和他的團隊正在盡自己的一份力量來推動他們開創(chuàng)的制造碳納米管纖維的方法。

實驗室的線狀纖維橫截面數(shù)以千萬計，目前正在研究中，它們用作修復(fù)受損心臟的橋梁，與大腦的電接口，用于耳蝸植入物，用作柔性天線以及用于汽車和航空航天應(yīng)用。

它們也是Carbon Hub的一部分，Carbon Hub是Rice在2019年發(fā)起的一項多大學(xué)研究計劃，在Shell，Prysmian和Mitsubishi的支持下創(chuàng)建了零排放的未來。

帕斯夸利說：“碳納米管纖維因其潛在的優(yōu)越性能而長期受到吹捧。” “在賴斯和其他地方的二十年研究使這種潛力得以實現(xiàn)。現(xiàn)在，我們需要全球范圍內(nèi)的努力來提高生產(chǎn)效率，以便可以在零二氧化碳排放的情況下制造這些材料，并有可能同時生產(chǎn)清潔氫。”

泰勒說：“本文的目的是提出我們實驗室生產(chǎn)的纖維的記錄性能。” “這些改進意味著我們現(xiàn)在的強度已經(jīng)超過凱夫拉爾纖維，這對我們來說是一個巨大的成就。再加倍，我們將超過市場上最堅固的纖維。”

柔性萊斯纖維的抗張強度為4.2吉帕斯卡（GPa），而凱夫拉爾纖維為3.6 GPa。纖維需要具有高結(jié)晶度的長納米管。也就是說，碳原子環(huán)的規(guī)則排列幾乎沒有缺陷。杜威說，賴斯工藝中使用的酸性溶液還有助于減少可能干擾纖維強度的雜質(zhì)，并通過殘留摻雜增強納米管的金屬性能。

他說：“納米管的長度或長寬比是決定我們纖維性能的決定性特征。”他指出，萊斯纖維中使用的12微米納米管的表面積有助于更好的范德華鍵。“這還有助于控制納米管生長的納米管的合作者通過控制催化劑中金屬雜質(zhì)的數(shù)量以及所謂的無定形碳雜質(zhì)來優(yōu)化溶液處理。”

研究人員說，這種纖維的電導(dǎo)率已經(jīng)提高到每米10.9兆西門子（百萬西門子）。杜威說：“這是碳納米管纖維首次超過10兆西門子閾值，因此我們已經(jīng)將納米管纖維的數(shù)量級提高到了一個新的數(shù)量級。” 他說，按重量進行歸一化處理后，萊斯纖維可達到銅導(dǎo)電率的80％左右。

泰勒說：“但是我們已經(jīng)超越了鉑絲，這對我們來說是一個巨大的成就，并且纖維瀝青的導(dǎo)熱性比任何金屬和任何合成纖維都要好，除了瀝青石墨纖維。”

杜威說，該實驗室的目標(biāo)是使高效纖維的生產(chǎn)既高效又便宜，足以被工業(yè)大規(guī)模采用。在包括凱夫拉纖維（Kevlar）在內(nèi)的其他類型纖維的生產(chǎn)中，溶液加工很常見，因此工廠可以使用熟悉的過程而無需進行大量的重新裝備。

他說：“我們方法的好處是它實際上是即插即用的。” “它具有固有的可擴展性，并且與合成纖維的制造方式相匹配。”

泰勒說：“有一種觀念認(rèn)為碳納米管永遠無法獲得人們幾十年來一直在大肆宣傳的所有特性。” “但是我們每年都在取得豐碩的成果。這并不容易，但是我們?nèi)匀粓孕胚@項技術(shù)將改變世界。”

該論文的合著者是萊斯校友羅伯特·海德里克（Robert Headrick）。研究生Natsumi Komatsu和Nicolas Marquez Peraca；機械工程學(xué)助理教授Geoff Wehmeyer；以及卡爾·哈塞爾曼（Karl F. Hasselmann）工程學(xué)教授，電氣與計算機工程，物理學(xué)與天文學(xué)，材料科學(xué)與納米工程學(xué)教授Junichiro Kono。Pasquali是AJ Hartsook教授，化學(xué)和生物分子工程，化學(xué)，材料科學(xué)和納米工程。

美國空軍科研辦公室，羅伯特·A·韋爾奇基金會，能源部高級制造辦公室和能源高級研究計劃局為這項研究提供了支持。

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