在材料科學(xué)的浩瀚星空中，碳納米管（CNTs）以其獨(dú)特的電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)及光學(xué)性能，如同一顆璀璨的新星，持續(xù)吸引著全球科研界的目光。近年來，雙壁碳納米管（DWCNTs）作為碳納米管家族中的佼佼者，更是因其獨(dú)特的雙層結(jié)構(gòu)而展現(xiàn)出更加優(yōu)異的綜合性能，成為構(gòu)建下一代高性能纖維材料的理想候選。近日，中國科學(xué)院金屬研究所的研究團(tuán)隊(duì)在雙壁碳納米管纖維研究領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，這一成果不僅為材料科學(xué)領(lǐng)域帶來了新的曙光，更為未來輕質(zhì)、高強(qiáng)電纜及電加熱元件等應(yīng)用開辟了新的道路。

突破性的研究背景

碳納米管自被發(fā)現(xiàn)以來，便因其卓越的物理性能而備受矚目。然而，將納米尺度的單根碳管高效組裝成宏觀纖維，并實(shí)現(xiàn)其優(yōu)異性能的跨尺度傳遞，一直是材料科學(xué)家面臨的巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的濕法紡絲技術(shù)雖能制備出導(dǎo)電性良好的碳納米管纖維，但過程中易形成的“皮芯結(jié)構(gòu)”卻極大地限制了纖維的取向度、密實(shí)度及電學(xué)和力學(xué)性能的提升。因此，如何突破這一瓶頸，成為推動碳納米管纖維應(yīng)用的關(guān)鍵。

創(chuàng)新性的研究方法

面對這一難題，中國科學(xué)院金屬研究所的王昊梓軻博士研究生、侯鵬翔研究員和劉暢研究員等組成的科研團(tuán)隊(duì)，經(jīng)過不懈探索，終于在碳納米管纖維紡絲工藝中引入了前所未有的創(chuàng)新——空氣段干噴濕紡技術(shù)。這一技術(shù)通過在紡絲過程中加入一段空氣段，對雙壁碳納米管紡絲細(xì)流施加重力牽引，有效提高了纖維的定向性和密實(shí)度，同時巧妙地規(guī)避了“皮芯結(jié)構(gòu)”的形成。

卓越的研究成果

采用這一創(chuàng)新技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)成功制備出了高取向度（取向因子達(dá)到0.994）、高致密度（1.96 g cm^-3）的雙壁碳納米管纖維。該纖維不僅電導(dǎo)率高達(dá)1.1×10^7 S m^-1，載流量也達(dá)到了驚人的8.0×10^8 A m^-2，其比電導(dǎo)率和比容量分別達(dá)到5.62×10^3 S m^2 kg^-1和4.09×10^5 A m kg^-1，分別是銅導(dǎo)線的86%和3倍。更令人矚目的是，該纖維的變溫電阻系數(shù)僅為銅導(dǎo)線的1/2，展現(xiàn)了優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性。

在力學(xué)性能方面，該雙壁碳納米管纖維同樣表現(xiàn)出色。其拉伸強(qiáng)度和斷裂韌性分別提升了1.8倍和2.5倍，達(dá)到了1.65 GPa和130.9 MJ m^-3。此外，在1V電壓下，相較于傳統(tǒng)鎢錸絲，該纖維展現(xiàn)出了更優(yōu)異的電加熱性能，預(yù)示著其在航空航天等需要輕質(zhì)電加熱元件的領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

深入的技術(shù)解析

這一突破性成果的取得，關(guān)鍵在于“皮芯結(jié)構(gòu)”的消除以及纖維取向度和密實(shí)度的顯著提升。通過空氣段干噴濕紡技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)有效改善了纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增加了碳納米管之間的有效接觸面積，從而實(shí)現(xiàn)了纖維電學(xué)和力學(xué)性能的雙重飛躍。同時，該技術(shù)還顯著提高了纖維的制備效率，為大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

展望未來的應(yīng)用前景

隨著雙壁碳納米管纖維研究的不斷深入，其在多個領(lǐng)域的應(yīng)用潛力正逐步顯現(xiàn)。在電纜領(lǐng)域，高導(dǎo)電性、低電阻系數(shù)及輕質(zhì)高強(qiáng)的特性使得該纖維有望成為傳統(tǒng)金屬導(dǎo)線的替代品，廣泛應(yīng)用于電力傳輸、航空航天等領(lǐng)域。在電加熱元件方面，其優(yōu)異的電加熱性能則為其在極端環(huán)境下的應(yīng)用提供了可能。