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  碳納米管是一種潛力巨大的超級(jí)材料，是構(gòu)建未來超強(qiáng)結(jié)構(gòu)和碳基半導(dǎo)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(shí)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(dú)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(dǎo)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(jìn)一步提升碳納米管纖維性能的關(guān)鍵。

  中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所李清文研究員團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)?wèi)?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?cè)谔技{米管纖維基本物性研究方面開展的工作，并對(duì)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(xué)家首次報(bào)道了通過濕法紡絲工藝，制備碳納米管含量高達(dá)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(xué)吳德海教授團(tuán)隊(duì)和美國倫斯勒理工學(xué)院P. M.Ajayan教授合作，首次報(bào)道了利用浮動(dòng)化學(xué)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(dá)到20厘米；同年，清華大學(xué)范守善教授團(tuán)隊(duì)首次報(bào)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(xué)家李亞利教授在英國劍橋大學(xué)訪學(xué)期間，與Alan Windle教授合作，實(shí)現(xiàn)了浮動(dòng)催化化學(xué)氣相沉積法連續(xù)制備碳納米管纖維。期間，美國科學(xué)家報(bào)道了濕法制備純碳納米管纖維工藝。2018年，清華大學(xué)魏飛教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了厘米級(jí)碳納米管管束，其強(qiáng)度達(dá)到80GPa。總體來看，自2000年左右科學(xué)家成功實(shí)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(gè)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(dāng)前最主要的制備方法；（2）針對(duì)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(dāng)前碳納米管纖維的發(fā)展已進(jìn)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(jìn)纖維組裝結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)管間的力、電、熱的傳遞進(jìn)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(jìn)展的綜述中，作者分別對(duì)碳納米管纖維的力、電、熱性能進(jìn)行了全面的闡述。在力學(xué)性能方面，目前可以通過溶劑致密化、機(jī)械致密化、逐級(jí)牽伸、纖維內(nèi)引入聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、管間誘導(dǎo)共價(jià)連接等方法實(shí)現(xiàn)纖維斷裂強(qiáng)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(dòng)態(tài)力學(xué)特性，實(shí)現(xiàn)了剛?cè)岵?jì)的雙功能結(jié)合。此外，纖維的紗線結(jié)構(gòu)以及獨(dú)特的柔性，則在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)、生物電極等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。 

  碳納米管纖維還是優(yōu)良的“導(dǎo)”體。在導(dǎo)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(dǎo)率性能上有望超越金屬導(dǎo)體的極限，在輕量化導(dǎo)線方向展現(xiàn)出發(fā)展優(yōu)勢(shì)；而通過與金屬的復(fù)合，基于碳納米管快速導(dǎo)熱的性能，能夠大幅度提高復(fù)合導(dǎo)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(dǎo)體。在導(dǎo)熱特性上，由于獨(dú)特的組裝特性，纖維表面的熱輻射尤為顯著，導(dǎo)致在實(shí)際測(cè)量中表觀熱導(dǎo)率與實(shí)際熱導(dǎo)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(jìn)管間聲子輸運(yùn)之外，進(jìn)一步發(fā)展測(cè)試方法也是碳納米管纖維導(dǎo)熱研究的重要內(nèi)容。 

  在該綜述中，作者分別對(duì)力、電、熱性能相關(guān)的理論研究進(jìn)行了介紹，指出未來纖維性能的進(jìn)一步提高以及產(chǎn)業(yè)化實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，依然在于對(duì)加工—結(jié)構(gòu)—性能三者內(nèi)在關(guān)系的深入認(rèn)識(shí)。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(xiàng)成功，從源頭重新認(rèn)知纖維的紡絲工藝過程依然顯得尤為必要。 

李清文研究團(tuán)隊(duì)介紹：

  團(tuán)隊(duì)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(dǎo)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(xué)性能逐級(jí)增強(qiáng)、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(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文200余篇，授權(quán)專利70余項(xiàng)。團(tuán)隊(duì)?wèi)?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(dǎo)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