碳納米管是一種潛力巨大的超級材料，是構(gòu)建未來超強結(jié)構(gòu)和碳基半導體器件的理想核心基礎(chǔ)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(xiàn)碳納米管宏量應(yīng)用的重要途徑之一。碳納米管纖維是碳納米管的一維連續(xù)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(jié)構(gòu)，成為最受關(guān)注的碳納米管宏觀體。近二十年來，人們致力于開發(fā)碳納米管纖維連續(xù)紡絲工藝，揭示碳納米管纖維的工藝-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，并且開發(fā)碳納米管纖維的工程應(yīng)用等。現(xiàn)有的大量研究已經(jīng)表明，碳納米管纖維在結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料、纖維狀能源器件、人工肌肉以及輕質(zhì)導電線纜等方面具有非常廣泛的應(yīng)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、熱等性能上發(fā)揮的效率甚至不到10%，限制了碳納米管纖維的工程化應(yīng)用。理解和明晰碳納米管纖維的工藝-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系是進一步提升碳納米管纖維性能的關(guān)鍵。
中國科學院蘇州納米技術(shù)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(lǐng)域開展了大量的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開發(fā)工作。近期，該團隊應(yīng)邀在Advanced Materials期刊撰寫綜述文章（DOI:10.1002/adma. 201902028），系統(tǒng)回顧過去近二十年來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(fā)展關(guān)鍵作了展望。
1、碳納米管纖維的發(fā)展歷史
回顧碳納米管纖維的發(fā)展歷程可以發(fā)現(xiàn)，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(xù)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(xiàn)了浮動催化化學氣相沉積法連續(xù)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厘米級碳納米管管束，其強度達到80GPa。總體來看，自2000年左右科學家成功實現(xiàn)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(fā)展中大體經(jīng)歷了三個發(fā)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(yù)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(xù)制備、基本性能提升以及功能特性開發(fā)的快速發(fā)展階段；（3）當前碳納米管纖維的發(fā)展已進入到產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的攻關(guān)階段，如何啃下硬骨頭需要科研工作者以及產(chǎn)業(yè)界的共同努力。
2、碳納米管纖維的結(jié)構(gòu)特征
基于不同的紡絲方法，碳納米管纖維展現(xiàn)出極為豐富的組裝結(jié)構(gòu)。相比于其微觀結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對管間的力、電、熱的傳遞進行有效調(diào)控，是提高纖維性能、充分發(fā)揮單根納米管性能的關(guān)鍵所在。
3、碳納米管纖維力、電、熱性能的研究現(xiàn)狀及面臨的挑戰(zhàn)
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(nèi)引入聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、管間誘導共價連接等方法實現(xiàn)纖維斷裂強度和彈性模量的顯著提升。另一方面，纖維內(nèi)極為豐富的界面結(jié)構(gòu)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(fù)合材料）展現(xiàn)出傳統(tǒng)碳纖維所不具備的阻尼、蠕變等動態(tài)力學特性，實現(xiàn)了剛?cè)岵碾p功能結(jié)合。此外，纖維的紗線結(jié)構(gòu)以及獨特的柔性，則在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動、生物電極等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。
碳納米管纖維還是優(yōu)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(xiàn)出發(fā)展優(yōu)勢；而通過與金屬的復(fù)合，基于碳納米管快速導熱的性能，能夠大幅度提高復(fù)合導體的極限載流能力，在未來超大電流的應(yīng)用中有望取代傳統(tǒng)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(fā)散。為此，除了優(yōu)化纖維結(jié)構(gòu)以改進管間聲子輸運之外，進一步發(fā)展測試方法也是碳納米管纖維導熱研究的重要內(nèi)容。
在該綜述中，作者分別對力、電、熱性能相關(guān)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(chǎn)業(yè)化實現(xiàn)的基礎(chǔ)，依然在于對加工—結(jié)構(gòu)—性能三者內(nèi)在關(guān)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(yīng)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：
團隊成立于2007年，10余年來在納米碳宏觀組裝材料領(lǐng)域開展了大量研究，特別在碳納米管可控制備及纖維化領(lǐng)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(wǎng)絡(luò)的規(guī)模化連續(xù)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(fā)等，并開展了包括光電能源轉(zhuǎn)換、光催化在內(nèi)的多功能特性研究，在Nature、Nature Communications、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Nano Letters、ACS Nano、ACS Applied Materials & Interfaces、Nano Research、Nanoscale等國際核心學術(shù)期刊發(fā)表論文200余篇，授權(quán)專利70余項。團隊應(yīng)邀參與我國高性能纖維技術(shù)叢書編寫工作，撰寫了國內(nèi)第一本《碳納米管纖維》專著，系統(tǒng)闡述了碳納米管纖維制備工藝、結(jié)構(gòu)性能關(guān)系、以及碳納米管纖維在復(fù)合材料、能源器件以及輕質(zhì)導線等方面的應(yīng)用。該書已由國防工業(yè)出版社于2018年出版發(fā)行。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201902028
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