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金屬所高性能碳納米管纖維研究獲進(jìn)展

文章來源：新能源網(wǎng) 更新時(shí)間：2024-08-12 14:25:21

理論研究表明，高致密度且沿軸向高度順排的碳納米管纖維可具有高于商用碳纖維的強(qiáng)韌性和高于傳統(tǒng)金屬導(dǎo)線的比電導(dǎo)率。單根碳納米管的直徑為納米級，長度通常為微米級，而碳納米管纖維具有宏觀長度和微米級徑向尺寸。如何將納米尺度的碳納米管單體組裝制備成宏觀尺度的纖維，并最大限度保持其優(yōu)異性能是實(shí)現(xiàn)碳納米管纖維應(yīng)用的關(guān)鍵。

　　中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心劉暢與侯鵬翔團(tuán)隊(duì)開展了濕法紡絲制備高導(dǎo)電性碳納米管纖維研究。該工作所得到的單壁碳納米管纖維的電導(dǎo)率比已有報(bào)道提高了32%。進(jìn)而，研究通過優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)和結(jié)合力，制備出核殼結(jié)構(gòu)單壁碳納米管-銅復(fù)合纖維。該纖維電導(dǎo)率達(dá)4.84×10⁷ S m^-1，比電導(dǎo)率達(dá)1.15×10⁴ S ㎡ kg^-1。研究發(fā)展了碳納米管纖維與金屬電極互連方法。研究顯示，在-196度~150度熱震循環(huán)后，SnPb焊料互連節(jié)點(diǎn)處的電阻變化小于30%。

　　該團(tuán)隊(duì)在碳納米管纖維濕紡工藝中引入空氣段，對雙壁碳納米管紡絲細(xì)流施加重力牽引以提高纖維的定向性和密實(shí)度，同時(shí)避免“皮芯結(jié)構(gòu)”的形成，實(shí)現(xiàn)了高取向度、高致密度雙壁碳納米管纖維的可控制備。該纖維材料電導(dǎo)率達(dá)1.1×10⁷ S m^-1，載流量達(dá)8.0×10⁸ A m^-2，抗拉強(qiáng)度達(dá)1.65 GPa，斷裂韌性達(dá)130.9 MJ m^-3，比電導(dǎo)率和比電流容量達(dá)5.62×10³ S ㎡ kg^-1、4.09×10⁵ A m kg^-1（分別是銅導(dǎo)線的86%和3倍）。此外，該材料具有比銅更低的變溫電阻系數(shù)。這一纖維材料有望應(yīng)用于航空航天和電力電子等領(lǐng)域。

　　近期，相關(guān)研究成果以Highly Conductive Double-Wall Carbon Nanotube Fibers Produced by Dry-Jet Wet Spinning為題，發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）上。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金和山東省自然科學(xué)基金的支持。

干噴濕紡制備高性能碳納米管纖維的過程示意圖

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