来源 | 中国科学院金属研究所
理论研究表明，高致密度且沿轴向高度顺排的碳纳米管纤维可具有高于商用碳纤维的强韧性和高于传统金属导线的比电导率。单根碳纳米管的直径为纳米级，长度通常为微米级，而碳纳米管纤维具有宏观长度和微米级径向尺寸。如何将纳米尺度的碳纳米管单体组装制备成宏观尺度的纤维，并最大限度保持其优异性能是实现碳纳米管纤维重要应用的关键。
近期，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心刘畅、侯鹏翔团队开展了湿法纺丝制备高导电性碳纳米管纤维研究，所得单壁碳纳米管纤维的电导率比已有报道提高32%（ACS Nano 2022，20263）；进而通过优化界面结构和结合力，制备出核壳结构单壁碳纳米管-铜复合纤维，其电导率达到4.84×107 S m-1，比电导率达1.15×104 S m2 kg-1（ACS Nano 2023，9254）；发展了一种碳纳米管纤维与金属电极互连方法，在-196度~150度热震循环后，SnPb焊料互连节点处的电阻变化小于30%（ACS Nano 2023，18290）。
最近，团队在碳纳米管纤维湿纺工艺中引入空气段，对双壁碳纳米管纺丝细流施加重力牵引以提高纤维的定向性和密实度，同时避免“皮芯结构”的形成，实现了高取向度（取向因子达到0.994）、高致密度（1.96 g cm-3）双壁碳纳米管纤维的可控制备。其电导率达1.1×107 S m-1，载流量达8.0×108 A m-2，抗拉强度达1.65 GPa，断裂韧性达130.9 MJ m-3，比电导率和比电流容量达5.62×103 S m2 kg−1、4.09×105 A m kg−1,分别是铜导线的86 %和3倍，同时具有比铜更低的变温电阻系数。该纤维材料有望在航空航天、电力电子等领域获得应用。
图1. 干喷湿纺制备高性能碳纳米管纤维的过程示意图
图2. 高性能碳纳米管纤维的结构表征
图3. 高性能碳纳米管纤维的取向度和密实度
图4. 高性能碳纳米管纤维的电学特性
图5. 高性能碳纳米管纤维的综合物性
相关结果以“Highly Conductive Double-Wall Carbon Nanotube Fibers Produced by Dry-Jet Wet Spinning”为题，发表在Advanced Functional Materials期刊。
金属所博士研究生王昊梓轲为论文第一作者，侯鹏翔研究员和刘畅研究员为共同通讯作者。该研究工作得到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目和山东省自然科学基金基础研究项目的资助。
论文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202404538
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