蘇州納米所李清文團(tuán)隊成功實現(xiàn)>7GPa碳納米管纖維制備
碳納米管纖維（Carbon nanotube fiber, CNTF）是由大量一維碳納米管組裝而成的宏觀纖維材料，其碳納米管組裝單元（CNT）在理論上具備超高的力學(xué)與電學(xué)性能，使得碳納米管纖維展現(xiàn)出兼具金屬纖維、高分子纖維及碳纖維的綜合性優(yōu)勢。在多種碳納米管纖維常用制備方法中，浮動催化直接紡絲法（floating catalysis chemical vapor deposition, FCCVD）由于具有極高的制備效率，被認(rèn)為是碳納米管纖維宏量制備的關(guān)鍵技術(shù)。然而，該方法制備的碳納米管纖維存在著大量的碳納米管彎曲、纏結(jié)及管間孔隙等缺陷，限制了纖維性能的充分發(fā)揮以及實際應(yīng)用。為此，研究人員通過多種后處理手段進(jìn)行浮動催化碳納米管纖維的性能增強研究?？傮w而言，現(xiàn)有后處理手段往往只著重關(guān)注纖維中的某一類型缺陷，且關(guān)于纖維微觀結(jié)構(gòu)變化對纖維載荷傳遞與性能的影響機(jī)理尚不明晰，阻礙了碳納米管纖維性能的進(jìn)一步提升。因此，發(fā)展出可同時實現(xiàn)纖維再取向及致密化的綜合后處理技術(shù)，已然成為高性能碳納米管纖維研究與應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵。
本工作中，中國科學(xué)院蘇州納米所李清文團(tuán)隊開發(fā)出一種針對浮動催化法碳納米管纖維的新型綜合后處理增強策略，主要包括氯磺酸輔助牽伸取向與輥壓致密，可實現(xiàn)碳納米管纖維中碳納米管取向度及管間堆積致密度的同步提升。此外，通過纖維表面及斷面的高分辨SEM、廣角X射線散射（WAXS）、偏振Raman光譜及BET分析等多種微觀結(jié)構(gòu)表征手段，揭示出纖維微觀結(jié)構(gòu)演變對纖維力電性能的影響及增強機(jī)理。研究表明，纖維內(nèi)碳納米管彎曲、纏結(jié)及管間孔隙等缺陷在后處理過程中得到顯著降低，對纖維性能提升十分有利。進(jìn)一步地，通過后處理參數(shù)優(yōu)化，得到了綜合性能優(yōu)異的碳納米管纖維，其中，纖維拉伸強度達(dá)到7.67 GPa，彈性模量達(dá)到230 GPa，電導(dǎo)率提升至4.36 106 S/m。
圖1. 碳納米管纖維多步后處理及相應(yīng)微觀結(jié)構(gòu)演變示意圖
浮動催化碳納米管纖維的多步后處理工藝，首先為氯磺酸輔助牽伸取向過程（圖1a），碳納米管纖維原絲進(jìn)入氯磺酸中，發(fā)生質(zhì)子化膨脹從而降低管間范德華作用，經(jīng)過牽伸取向作用及凝固浴中凝固收縮致密作用，然后進(jìn)行熱退火去除纖維中的雜質(zhì)（圖1b），最后進(jìn)行輥壓致密化（圖1c），從而實現(xiàn)碳納米管纖維取向度和致密度的同步提升。
圖2. 多步后處理過程中碳納米管纖維微觀結(jié)構(gòu)的SEM和TEM表征
多步后處理過程中碳納米管纖維微觀結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)顯著變化，纖維表面及斷面的SEM和纖維斷面TEM表征結(jié)果顯示，氯磺酸輔助牽伸可提升纖維內(nèi)碳納米管的取向度和排列致密度，而輥壓致密化處理可進(jìn)一步提升纖維致密度。
圖3. 多步后處理過程中碳納米管纖維微觀結(jié)構(gòu)演變表征（密度、BET、WAXS、偏振Raman）
圖3a-c中通過密度和BET分析表征了纖維致密度及孔隙缺陷的變化情況，顯示氯磺酸輔助牽伸和輥壓過程均有效降低了碳納米管纖維中孔隙缺陷，提升了纖維致密性。圖3d-h通過WAXS表征了纖維中碳納米管取向性的變化情況，圖3i偏振Raman表征驗證了纖維取向度變化，結(jié)果均顯示纖維取向度的提升主要來自氯磺酸輔助牽伸過程，而輥壓過程則可進(jìn)一步少量提升纖維的取向度。
圖4. 多步后處理過程工藝條件優(yōu)化提升碳納米管纖維力學(xué)性能
圖4為多步后處理過程中的不同牽伸率、牽伸速率、凝固浴成分及輥壓速度條件對碳納米管纖維力學(xué)拉伸性能的影響，從而獲得了多步后處理過程的最佳處理條件，牽伸率為16%，牽伸速率為0.058 m/min，凝固浴采用二氯甲烷（DCM），輥壓速率為0.5 cm/min。同時，研究團(tuán)隊也研究了不同處理條件對碳納米管纖維導(dǎo)電性的影響。
圖5. 多步后處理制備的高性能碳納米管纖維的典型力學(xué)、電學(xué)性能，柔性加熱應(yīng)用示范及與其他典型高性能纖維的對比
經(jīng)過處理條件優(yōu)化，研究團(tuán)隊制備的高性能碳納米管纖維具有極高的力學(xué)、電學(xué)性能，其拉伸強度達(dá)到7.67 GPa，彈性模量達(dá)到230 GPa，電導(dǎo)率達(dá)到4.36 106 S/m。與傳統(tǒng)高性能纖維相比，該高性能碳納米管纖維具有高強、高導(dǎo)電的綜合性能優(yōu)勢，同時，碳納米管纖維還展現(xiàn)出良好的可加工性和電熱轉(zhuǎn)化性能?？傮w而言，本工作中碳納米管纖維的力學(xué)與電學(xué)性能均達(dá)到浮動催化碳納米管纖維領(lǐng)域中的最高水平。相關(guān)工作以Carbon nanotube fibers with excellent mechanical and electrical properties by structural realigning and densification為題發(fā)表于Nano Research，中國科學(xué)院蘇州納米所吳昆杰副研究員、博士生牛宇濤及江西省納米技術(shù)研究院博士后王彬為論文的共同第一作者，通訊作者為中國科學(xué)院蘇州納米所張永毅研究員、勇振中研究員，北京石墨烯研究院蹇木強研究員和中國科學(xué)院蘇州納米所李清文研究員。上述研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目的支持。
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