說(shuō)到最強(qiáng)纖維材料,或許你想到的是凱夫拉。沒(méi)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(shuō)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(guò)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(wèn)號(hào)表情)沒(méi)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(shuí)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(jiǎn)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(zhǎng)分離開來(lái),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(lái)自美國(guó)萊斯大學(xué)的Matteo?Pasquali等研究者證明了,更高質(zhì)量、更長(zhǎng)的CNTs可通過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)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(cè)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(cè)試曲線,如圖2a所示。
此外,通過(guò)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(cè)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(zhǎng)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(wàn)用表測(cè)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(cè)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(méi)有隨著的CNTs長(zhǎng)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(guò)測(cè)量了每根纖維的懸浮長(zhǎng)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(zhǎng),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(cè),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(wàn)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(guò)去五年中,這代表了大約兩個(gè)數(shù)量級(jí)的產(chǎn)能增長(zhǎng)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(méi)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(jiǎn)直是強(qiáng)到?jīng)]朋友啊。)
小結(jié)綜上所述,研究者通過(guò)濕法紡絲工藝制成的長(zhǎng)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(guò)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(chǎng)帶來(lái)一種新型的經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的高性能材料。
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https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622320307193#!