碳纳米管纤维是如何变得更强的

莱斯大学(Rice University)制造的碳纳米管纤维现在比凯夫拉纤维(Kevlar)更强，并且正在一点点接近铜的导电性。

莱斯大学化学和生物分子工程师Matteo Pasquali的实验室已经开发出了迄今为止最强和最导电的纤维，由长碳纳米管通过湿纺丝工艺制成。

在由莱斯大学研究生劳伦·泰勒和奥利弗·杜威领导的新研究中，研究人员指出，湿纺碳纳米管纤维的强度和导电性每三年就会翻一番，这一趋势跨越了近20年。这种纤维可能会在许多医疗和材料应用方面取得突破。

虽然这可能永远无法模仿摩尔定律，但帕斯夸里和他的团队正在尽自己的一份力量，推进他们首创的制造碳纳米管纤维的方法。摩尔定律为计算机芯片的进步设定了几十年的基准。

该实验室的线状纤维，横截面上有数千万个纳米管，正在研究用于修复受损心脏的桥梁，作为与大脑的电接口，用于人工耳蜗植入物，作为柔性天线，以及用于汽车和航空航天应用。

他们也是碳中心的一部分，碳中心是由莱斯大学于2019年在壳牌、普睿司曼和三菱的支持下发起的一项多所大学的研究计划，旨在创造零排放的未来。

“碳纳米管纤维长期以来一直因其潜在的优越性能而被吹捧，”帕斯夸里说。莱斯大学和其他地方20年的研究已经使这种潜力成为现实。现在我们需要在全球范围内努力提高生产效率，这样这些材料就可以在零二氧化碳排放的情况下生产，并有可能同时生产清洁的氢气。”

泰勒说:“这篇论文的目标是提出我们实验室生产的纤维的记录性能。”“这些改进意味着我们现在在强度上超过了凯夫拉，这对我们来说是一个很大的成就。只要再增加一倍，我们就能超过市场上最强的纤维。”

柔性大米纤维的抗拉强度为4.2吉帕斯卡(GPa)，而凯夫拉纤维的抗拉强度为3.6吉帕斯卡。纤维需要高结晶度的长纳米管;也就是说，碳原子环的规则排列几乎没有缺陷。杜威说，Rice工艺中使用的酸性溶液还有助于减少干扰纤维强度的杂质，并通过残留掺杂增强纳米管的金属性能。

他说:“纳米管的长度或纵横比是决定我们纤维性能的决定性特征。”他指出，Rice纤维中使用的12微米纳米管的表面积有利于更好的范德华键。“这也有助于培养纳米管的合作者通过控制来自催化剂的金属杂质和我们所谓的非晶碳杂质的数量来优化溶液处理。”

研究人员表示，这种纤维的导电性已经提高到每米10.9兆西门子(100万西门子)。杜威说:“这是碳纳米管纤维首次超过10兆级的阈值，因此我们实现了纳米管纤维的一个新的数量级。”他说，将重量归一化后，Rice纤维的导电性达到铜的80%左右。

“但我们正在超越铂金丝，这对我们来说是一个很大的成就，”泰勒说，“这种纤维的导热性优于任何金属和任何合成纤维，除了沥青石墨纤维。”

杜威说，实验室的目标是使优质纤维的生产效率和成本足够低，从而被工业大规模采用。溶液加工在生产其他种类的纤维(包括凯夫拉纤维)中很常见，因此工厂可以使用熟悉的工艺，而无需进行重大的改造。

“我们的方法的好处是，它基本上是即插即用的，”他说。“它具有固有的可扩展性，符合现有合成纤维的制造方式。”

泰勒说:“有一种观点认为，碳纳米管永远不可能获得人们几十年来一直吹捧的所有特性。”“但我们每年都在取得良好的进展。这并不容易，但我们仍然相信这项技术将改变世界。”

-副主编克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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