《Carbon》：史上最强碳纳米管纤维！强度超越凯夫拉

说到最强纤维材料，或许你想到的是凯夫拉。没错，就是那个被称为“装甲卫士”的凯夫拉，由于刚柔并济现已广泛用于军事项目上。那如果说到导电最强的材料，或许你想到的是金属材料——银。但如果告诉你，现在有这样一种材料，强度胜过凯夫拉，导电接近铜的80%的纤维，你会是什么的表情呢？(此处自行添加黑人问号表情)没错，这样的材料已经诞生了。它不但性能优越，而且灵活性极好，重量轻。那么它是谁呢？它就是碳纳米管纤维(CNTF)。

目前，要想实现CNTF的广泛应用，就需要具有可控且可再生特性的大规模生产方法。当前比较流行的商业方法有，溶液纺丝法(简称SS-CNTF)、直接纺丝法(DS-CNTF)和阵列旋转纺丝法(AS-CNTF)。

由于溶液纺丝工艺将纤维生产与碳纳米管的生长分离开来，它允许原始碳纳米管纵横比和CNTF性能之间有明确的关联。碳纳米管原料的性能与宏观纤维的性能之间的基本联系为CNTF的发展指明了前进道路：即高结晶度、高纵横比和低杂质的CNTs。

近日，来自美国莱斯大学的Matteo Pasquali等研究者证明了，更高质量、更长的CNTs可通过溶液加工成CNTF，同时CNTF兼具有良好的力学、电气性能以及灵活性。研究者所制得的CNTFs的抗拉强度为4.2 GPa而凯夫拉为3.6 GPa。CNTFs的导电性提升到10.9MS / m，这是CNT纤维第一次突破MS / m，按照质量标准，该纤维的导电性约为铜的80%。该研究成果以题为“Improved Properties, Increased Production, and the Path to Broad Adoption of Carbon Nanotube Fibers”的论文发表在《Carbon》上。

【图文详解】

CNT里面长的啥样？研究者对碳纳米管原料进行了拉曼光谱分析。图1a显示了使用532 nm、633 nm和785 nm激发波长的G和D峰的代表性光谱。532 nm、633 nm和785 nm的平均G/D分别为56、85和54，表明了CNTs的高结晶度。拉曼光谱的径向呼吸模 (RBM)区域表明了存在0.8-2 nm的单壁和双壁CNTs(图1b)。而高分辨率透射电子显微镜(HR-TEM)也证实了这一结果(图1c)，确定了平均直径为1.76 nm，平均为1.9壁。

CNT-CSA溶液的透射(图1d)和偏振光(图1e)显微镜显示，CNTs完全溶解，含有少量杂质，形成清晰的液晶。图1f显示了CNTF表面的典型扫描电子显微镜(SEM)图像，可用于评估形貌和测量平均直径。发现，纤维在轴向高度排列(图1g)，平均直径为8.9 ± 0.9 μm。图1h显示了使用聚焦离子束铣削得到的CNTF截面的SEM图像。虽然纤维的直径不是完美的圆形，但纤维中充满了少量的空隙。

图1 对CNT原料的拉曼光谱研究

CNTFs有哪些特性呢？对纤维使用了ARES G2流变仪，得到其代表性拉伸测试曲线，如图2a所示。此外，通过拟合威布尔分布，分析了对纤维进行的每次断裂试验所获得的拉伸强度(图3b)，可看到除了在低端的两个数据点，其他收集的数据是线性的。采用标准威布尔对其拉伸强度测定为4.2 ± 0.15 GPa。由拉伸应力曲线从0-0.2%的延伸率开始的斜率计算，得到其杨氏模量为260 ± 40 GPa。断裂伸长率平均为3.5 ± 0.65%，平均韧性为50 ± 14 J/g。纤维电导率采用HP34401-A四探针万用表测量得到，室温的平均电导率为10.9 ± 1.2 MS/m。此外，纤维从生产到提交本文的15个月期间，它们的抗性在实验室条件下是稳定的。

研究者使用稳态光纤加热方法测量了在300 K时的热导率为390 ± 60 W/m K，这与之前在由5 μm CNTs组成的SS-CNTF上的结果相媲美。研究分析表明，CNTS导热系数并没有随着的CNTs长度增加而增加，这表明热输运可能主要是碳纳米管内部输运，而不是碳纳米管之间的界面阻力。通过测量了每根纤维的悬浮长度，其值在2.9~3.2 mm之间。热模拟表明，纤维的对流损失和辐射损失可以忽略不计

图2 性能测试。

性能对比。图3显示了CNT纤维的性能，并与碳纤维、DS-CNTF、聚合物纤维和金属的性能进行了比较。SS-CNTF将商用碳纤维的抗拉强度和DS-CNTF类似金属导电性完美结合。然而，这些新的SS-CNTF的比强度和电导率现在都在领先纤维(强度为IM10，电导率为铝)的范围之内，并与领先纤维的比导热率(K13D2U)相当。

图3 各种材料性能的而对比。

SS-CNTF的性能改进与时间关系。图4中，研究者绘制了SS-CNTF性能改进与时间的关系图，注意到电导率和抗拉强度以每年20-25%的速度在增长，即它们每三年翻一番，而热导率似乎已经稳定在约400 W/m K。电导率的理论极限是100 MS/m，抗拉强度的极限是40 GPa，研究者猜测，3到5年内这些性能可以再翻一番。然后，SS-CNTF将比任何其他纤维材料更强，并像大多数金属一样导电和导热。

图 4 SS-CNTF性能改进与时间的关系图

CNTF有啥用？该实验中所得纤维，在其横截面上有数千万个纳米管，目前正研究用于修复受损心脏的桥梁、与大脑的电子接口、用于耳蜗植入、柔性天线以及汽车和航空航天应用。

CNTF面临的挑战。CNTF要想成为聚合物和金属材料的可行替代品，仍然面临着挑战：碳纳米管的生产速率必须提高，材料的总成本必须显著降低。截至2019年，纤维-级CNTs年产量为100吨，销售价格为2000-100000美元/kg，生产成本已明显降低。尽管总产量仍然很小，但在过去五年中，这代表了大约两个数量级的产能增长和大约两个数量级的价格下降。令人惊叹的是，目前还没有其他材料具有CNTF所提供的强度、导热性和导电性以及灵活性的多重结合。(简直是强到没朋友啊。)

小结

综上所述，研究者通过湿法纺丝工艺制成的长碳纳米管，已经开发出了迄今为止最强和最导电的纤维。CNTF在从生物医学设备到下一代电线和电缆等广泛应用领域的使用才刚刚开始。通过扩大和改善学术和企业合作伙伴之间的合作，可以进一步加快这一进程。最终，这些努力将为市场带来一种新型的经济实惠的高性能材料。