先進碳納米管功能纖維的制備與應(yīng)用

(../../index.htm)先進碳納米管功能纖維的制備與應(yīng)用文章綜述了碳納米管纖維在制備、功能化及應(yīng)用三方面的研究進展，深入探討了碳納米管功能纖維面向?qū)嶋H應(yīng)用時的關(guān)鍵問題，并對碳納米管功能纖維的發(fā)展前景進行了展望。▲圖1.碳納米管纖維的優(yōu)越性質(zhì)、功能化策略及應(yīng)用。背景介紹碳納米管具有優(yōu)越的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)等性能，近年來高性能碳納米管宏觀體在眾多研究領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用。而碳納米管纖維是一種典型的一維碳納米管宏觀體材料，具有高抗拉強度、高柔韌性、輕質(zhì)、高比表面積、優(yōu)良的電學(xué)性能和高導(dǎo)熱性等多項優(yōu)點。因此高性能碳納米管纖維是構(gòu)建功能化纖維與智能柔性織物的理想材料。然而，直接制備得到的碳納米管纖維由于其單體碳納米管在生長或組裝過程中產(chǎn)生的缺陷，性能遠遠低于碳納米管的理論值。為了充分發(fā)揮碳納米管的本征強度，研究者開發(fā)了多種高性能碳納米管纖維的制備及后處理策略。而為了賦予碳納米管纖維更多的功能與更廣闊的應(yīng)用，硏究者硏發(fā)了多種碳納米管纖維的功能化方法并據(jù)此實現(xiàn)了碳納米管纖維在柔性機器人、智能織物、柔性可穿戴設(shè)備、熱管理等多個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。P3）本文亮點綜述了碳納米管纖維在制備、功能化及應(yīng)用三方面的研究進展?？偨Y(jié)并分析了碳納米管纖維的三種功能化策略及其優(yōu)缺點?？偨Y(jié)了碳納米管纖維在不同應(yīng)用場合下所起到的作用、所利用的性能及其所使用的功能化策略。深入探討了碳納米管功能纖維面向?qū)嶋H應(yīng)用時的關(guān)鍵問題，并對碳納米管功能纖維的發(fā)展前景進行了展望。04)圖文解析□4.1碳納米管纖維的制備碳納米管纖維的性能受碳納米管單體本身的長度、缺陷及組裝過程中的取向性、致密程度等因素的影響。因此優(yōu)化碳納米管纖維的制備及其后處理方法對實現(xiàn)高性能碳納米管纖維的制備十分重要。通常來說碳納米管纖維的制備方法主要有：基于碳納米管溶液的濕法紡絲法、基于碳納米管垂直陣列的抽絲紡紗法和基于浮動催化劑法生成的碳納米管凝膠的直接紡絲法。4.1.1基于碳納米管溶液的濕法紡絲法制備碳納米管纖維濕法紡絲制備碳納米管纖維是一種可應(yīng)用于大規(guī)模生產(chǎn)的方法。濕法紡絲制備碳納米管纖維過程中，碳納米管首先在表面活性劑的輔助下被分散從而形成溶液，再被注射到凝劑溶液中凝固形成碳納米管纖維。4.1.2基于碳納米管垂直陣列的陣列紡絲法制備碳納米管纖維陣列紡絲法制備碳納米管纖維是利用碳納米管垂直陣列中碳納米管之間的相互作用力，通過抽絲使得碳納米管自發(fā)組裝形成碳納米管纖維。陣列紡絲法制備得到的碳納米管纖維相較于濕法紡絲法具有更高的潔凈度。4.1.3基于碳納米管凝膠的直接紡絲法制備碳納米管纖維直接紡絲法是利用浮動催化劑法制備碳納米管時在反應(yīng)器內(nèi)形成的碳納米管凝膠，通過牽引使得碳納米管凝膠在出處自發(fā)組裝形成連續(xù)的碳納米管纖維。這種方法制備碳納米管纖維沒有明顯的長度限制，可應(yīng)用于碳納米管纖維的連續(xù)化規(guī)模化生產(chǎn)。

▲圖2.碳納米管纖維的制備方法。（A-B）濕法紡絲法制備碳納米管纖維過程示意圖；（C?D）陣列紡絲法制備碳納米管纖維過程SEM圖及示意圖；（E?F）直接紡絲法制備碳納米管纖維過程示意圖及實物圖。4.2碳納米管纖維的功能化方法碳納米管纖維具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)性能，因而在多個領(lǐng)域都擁有廣泛的應(yīng)用前景。但在實際應(yīng)用的過程中，為了滿足應(yīng)用的具體需求，往往需要對碳納米管纖維進行相應(yīng)的功能化處理來增強碳納米管纖維的相關(guān)性能或者賦予碳納米管纖維更多的功能。碳納米管纖維功能化的策略主要包括：宏觀尺度下的材料復(fù)合、微觀尺度下的材料復(fù)合及表面處理和結(jié)構(gòu)設(shè)計。4.2.1宏觀尺度下的材料復(fù)合宏觀尺度下的材料復(fù)合是指為實現(xiàn)多功能、高性能碳納米管纖維的制備，而直接將碳納米管纖維與所需其他功能材料進行宏觀層面的復(fù)合。宏觀尺度下的材料復(fù)合方法大多具有操作簡單，成本較低等優(yōu)勢，其主要的方法包括液相噴涂法、提拉法、浸漬法、電沉積法、卷曲纏繞法、氣相沉積法等。armATeFkiiiphXELNTCWTftnSi-anLRoflaLed.D■-Rultcr,1時砂i「當yonFirtl!armATeFkiiiphXELNTCWTftnSi-anLRoflaLed.D■-Rultcr,1時砂i「當yonFirtl!CtMiipwikofCoflnu^TuppedCNTjaniJ[ky■診pii口(.NItLbcr■▲圖3.宏觀尺度下的碳納米管纖維功能化。（A-B）噴涂法制備碳納米管/四氧化三鐵/銀納米線復(fù)合纖維示意圖;（C）浸漬法制備碳納米管/離子液體/聚偏二氟乙烯復(fù)合纖維示意圖；（D-E）碳納米管/棉線復(fù)合纖維制備示意圖及實物圖；（F?G）碳納米管/蜘蛛絲復(fù)合纖維制備過程圖及實物圖。

4.2.2微觀尺度下的材料復(fù)合及修飾宏觀尺度下的材料復(fù)合的碳納米管纖維功能化策略雖然操作方便，但是存在結(jié)合力不好、穩(wěn)定性差等問題。而微觀尺度下的材料復(fù)合及修飾策略可以很好的解決這些問題，還能一定程度上改變碳納米管的本征性能以更好地滿足應(yīng)用要求。其主要的功能化方法包括雜原子摻雜、基于濕法紡絲的原位摻雜、靜電紡絲法、等離子體處理等。4.2.3結(jié)構(gòu)設(shè)計直接制備得到的碳納米管纖維的結(jié)構(gòu)一般為加捻而成的簡單的卷曲纏繞型結(jié)構(gòu)。而通過不同的纖維結(jié)構(gòu)設(shè)計（例如螺旋結(jié)構(gòu)、多級結(jié)構(gòu)等），可以實現(xiàn)對碳納米管纖維力學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)的調(diào)控,Bio-InspiredtoughfiberC^traiglilyarnTwistYamHelicalyamInjectiondopingWal-?pinnkigofcontkiLioutCMTflfcwrSprayOrientedfibers并進一步滿足實際應(yīng)用中的具體需求。歸 |donble-helixh芒】it曲I、HFBio-InspiredtoughfiberC^traiglilyarnTwistYamHelicalyamInjectiondopingWal-?pinnkigofcontkiLioutCMTflfcwrSprayOrientedfibers并進一步滿足實際應(yīng)用中的具體需求。歸 |donble-helixh芒】it曲I、HF口軋一?tforce▲圖4.微觀尺度下的碳納米管纖維功能化方法及碳納米管纖維的結(jié)構(gòu)設(shè)計。（A）酸處理輔助濕法紡絲制備功能化碳納米管纖維示意圖；（B）濕法紡絲制備碳納米管/氧化石墨烯/聚氨酯復(fù)合纖維制備示意圖；（C）雙螺旋結(jié)構(gòu)碳納米管纖維制備示意圖；（D）螺旋結(jié)構(gòu)碳納米管纖維制備示意圖。No HCIGraphomoxideCarbonnanolubePolyurethaneCNTs4.3碳納米管纖維的應(yīng)用4.3.1碳納米管纖維的應(yīng)用現(xiàn)狀碳納米管纖維本征優(yōu)越性能使其有著廣闊的應(yīng)用前景。經(jīng)過二十余年的努力，碳納米管纖維已實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，這為碳納米管纖維的實際應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。近些年來，碳納米管纖維已

在電子器件、儲能、健康管理、軍事及航空航天等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了實際應(yīng)用。這部分主要介紹了碳納米管纖維目前的應(yīng)用現(xiàn)狀與應(yīng)用實例。▲圖5.碳納米管纖維的實際應(yīng)用。（A）碳納米管纖維實物圖；（B）使用碳納米管纖維作為導(dǎo)線的電器；（C）碳納米管纖維基電池織物；（D）碳納米管纖維保護的壓力容器。4.3.2基于碳納米管纖維的人工肌肉碳納米管纖維具有高比表面積、高化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)越的機械與電學(xué)性能等優(yōu)勢，因而成為制備人工肌肉的理想材料。一般而言，碳納米管纖維可以直接通過不同的多級結(jié)構(gòu)設(shè)計制備實現(xiàn)不同運動形式的電驅(qū)動人工肌肉（如扭轉(zhuǎn)型、伸縮型等）。為了進一步實現(xiàn)提高人工肌肉性能并設(shè)計出多種驅(qū)動的人工肌肉，研究者又進行一系列材料設(shè)計，通過材料復(fù)合、表面處理等功能化處理分別實現(xiàn)了電、熱、溶液等多種高性能人工肌肉。AA▲圖6.基于碳納米管纖維的電化學(xué)驅(qū)動人工肌肉.（A-B）碳納米管纖維基人工肌肉形態(tài)及驅(qū)動機理示意圖；（C）電化學(xué)驅(qū)動碳納米管纖維基人工肌肉示意圖；（D）有機溶劑體系下的電化學(xué)驅(qū)動碳納米管纖維基人工肌肉機理示意圖；（町鞘驅(qū)動碳納米管纖維基人工肌肉機理示意圖；（F）離子液體填充納米纖維鞘層的電化學(xué)驅(qū)動碳納米管纖維基人工肌肉示意圖。AB-7七-sTT-sB1.0 15 20 2.S^-9—AB-7七-sTT-sB1.0 15 20 2.S^-9—Time忸）▲圖7.基于碳納米管纖維的熱、溶液及蒸汽驅(qū)動人工肌肉。（A）焦耳熱驅(qū)動碳納米管纖維基人工肌肉性能；（B）焦耳熱驅(qū)動自修復(fù)碳納米管纖維基人工肌肉性能；（C）等離子處理實現(xiàn)水驅(qū)動碳納米管纖維基人工肌肉示意圖；（D）水驅(qū)動碳納米管/聚合物復(fù)合纖維基人工肌肉機理示意圖；（E）水驅(qū)動碳納米管/氧化石墨烯纖維基人工肌肉機理示意圖。

4.3.3基于碳納米管纖維的儲能和電子顯示器件近年來，可穿戴設(shè)備與智能織物引起了人們的廣泛關(guān)注，其中一個核心問題就是高性能柔性電子器件的開發(fā)。碳納米管纖維具有電導(dǎo)率高、輕質(zhì)、力學(xué)拉伸性能強、扭轉(zhuǎn)性能好等優(yōu)點，是一種理想的纖維電極的材料。因此碳納米管纖維在纖維電池、纖維電容器、纖維電致發(fā)光以及纖維電致變色器件中均有著良好的應(yīng)用前景?！鴪D&基于碳納米管的纖維電池。（A?C）碳納米管/▲圖&基于碳納米管的纖維電池。（A?C）碳納米管/硅復(fù)合纖維電池制備示意圖、SEM圖及實物圖；（D）碳納米管/二硫化鉗纖維電池制備示意圖。l)i|>pedwkthAdm祁叩副BRPTAfvtwrIL-PVDFPPTA/AtfFCNTllPEDOT;P55▲圖9.基于碳納米管的纖維電容器。（A）碳納米管/二氧化猛復(fù)合纖維電容器制備示意圖；（B-C）碳納米管/聚對苯二甲酰對苯二胺復(fù)合纖維電容器制備示意圖及實物圖。

PtfiTjnHJjxa_ PEO-poravsiciteon嚴円嚴「Mobilecoalingbladepreoui^&rsolutionAJ^iMCNTLigRt-em枱nglayefSilSwelastornerAlignedCNTshe?tE審引icpolymerfiberAgnmncwi曲PtfiTjnHJjxa_ PEO-poravsiciteon嚴円嚴「Mobilecoalingbladepreoui^&rsolutionAJ^iMCNTLigRt-em枱nglayefSilSwelastornerAlignedCNTshe?tE審引icpolymerfiberAgnmncwi曲discMrsionHdplaJeCoatingsetupAnnasledcomposilaODani^llycoaledlight-emittirigliberAgnancwneFilm▲圖10.基于碳納米管的纖維電致發(fā)光及電致變色器件。（A）碳納米管纖維電致發(fā)光效果展示圖；（B）碳納米管/硅樹脂復(fù)合電致發(fā)光纖維實物圖及結(jié)構(gòu)示意圖；（C）碳納米管/鈣鈦礦/銀線復(fù)合電致發(fā)光纖維制備示意圖；（D-E）碳納米管/聚氨酯復(fù)合電致變色纖維制備示意圖及效果展示圖。4.3.4基于碳納米管纖維的傳感器柔性傳感器能實現(xiàn)對人體及其所處環(huán)境的原位檢測，因而得到了廣泛的研究。碳納米管纖維具有高柔性、高比表面積、優(yōu)越的機械與電學(xué)性能等優(yōu)越性能，成為了制備柔性傳感器的理想材料。碳納米管纖維基傳感器具有輕質(zhì)、高柔性、高穩(wěn)定性等優(yōu)點，并且容易通過編織等手段實現(xiàn)多種傳感器的集成，因此在柔性可穿戴設(shè)備與智能織物等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。這部分主要介紹了碳納米管纖維在力學(xué)、電化學(xué)、熱及濕度傳感器等幾個方面的應(yīng)用。

C曠EQ<旦『▲C曠EQ<旦『▲圖11?基于碳納米管纖維的力學(xué)、電化學(xué)、熱及濕度傳感器。（A）強加捻的電阻式碳納米管纖維基力學(xué)傳感器示意圖；（B）電容式碳納米管基力學(xué)傳感器示意圖；（C）碳納米管纖維基維生素C傳感器檢測的差分脈沖伏安圖；（D）多功能電化學(xué)碳納米管纖維基織物傳感器示意圖；（E）熱電型碳納米管纖維基熱傳感器示意圖。4.3.5基于碳納米管纖維的熱管理材料及器件隨著環(huán)境問題日益嚴重，熱管理材料也逐漸受到人們的廣泛關(guān)注。碳納米管具有高導(dǎo)熱率、可調(diào)控費米能級等獨特的熱學(xué)性質(zhì)。這部分介紹了碳納米管纖維在熱電材料、相變儲熱材料、輻射制冷材料等多個領(lǐng)域的應(yīng)用。▲圖12.基于碳納米管纖維的熱管理材料及器件。（A?B）碳納米管/金顆粒復(fù)合熱電纖維材料SEM圖、熱電轉(zhuǎn)換器件示意圖及效果展示圖；（C-D）碳納米管/聚對苯二甲酸/聚對苯二甲酸乙二酯復(fù)合相變纖維材料結(jié)構(gòu)示意圖及SEM圖。（0J碳納米管功能纖維面臨的挑戰(zhàn)雖然碳納米管功能纖維在多個應(yīng)用領(lǐng)域均擁有著巨大的發(fā)展?jié)摿Γ悄壳疤技{米管纖維在制備、功能化方法以及應(yīng)用等方面仍然存在著許多挑戰(zhàn)，阻礙了碳納米管纖維的大規(guī)模應(yīng)用，例如碳納米管纖維的工業(yè)化生產(chǎn)產(chǎn)量不足；為了提高產(chǎn)量，當前生產(chǎn)的碳納米管纖維所含的結(jié)構(gòu)缺陷太多導(dǎo)致其性能遠遠未發(fā)揮出碳納米管的本征強度；目前所使用的許多功能化方法的成本太高；碳納米管對人體健康存在影響以及碳納米管纖維基纖維器件組裝繁瑣等問題。研究人員們需要進一步解決這些現(xiàn)存的挑戰(zhàn)與問題，以進一步推動碳納米管