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金屬所高性能碳納米管纖維研究獲進展

文章來源：新能源網更新時間：2024-08-12 14:25:21

理論研究表明，高致密度且沿軸向高度順排的碳納米管纖維可具有高于商用碳纖維的強韌性和高于傳統金屬導線的比電導率。單根碳納米管的直徑為納米級，長度通常為微米級，而碳納米管纖維具有宏觀長度和微米級徑向尺寸。如何將納米尺度的碳納米管單體組裝制備成宏觀尺度的纖維，并最大限度保持其優異性能是實現碳納米管纖維應用的關鍵。

　　中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心劉暢與侯鵬翔團隊開展了濕法紡絲制備高導電性碳納米管纖維研究。該工作所得到的單壁碳納米管纖維的電導率比已有報道提高了32%。進而，研究通過優化界面結構和結合力，制備出核殼結構單壁碳納米管-銅復合纖維。該纖維電導率達4.84×10⁷ S m^-1，比電導率達1.15×10⁴ S ㎡ kg^-1。研究發展了碳納米管纖維與金屬電極互連方法。研究顯示，在-196度~150度熱震循環后，SnPb焊料互連節點處的電阻變化小于30%。

　　該團隊在碳納米管纖維濕紡工藝中引入空氣段，對雙壁碳納米管紡絲細流施加重力牽引以提高纖維的定向性和密實度，同時避免“皮芯結構”的形成，實現了高取向度、高致密度雙壁碳納米管纖維的可控制備。該纖維材料電導率達1.1×10⁷ S m^-1，載流量達8.0×10⁸ A m^-2，抗拉強度達1.65 GPa，斷裂韌性達130.9 MJ m^-3，比電導率和比電流容量達5.62×10³ S ㎡ kg^-1、4.09×10⁵ A m kg^-1（分別是銅導線的86%和3倍）。此外，該材料具有比銅更低的變溫電阻系數。這一纖維材料有望應用于航空航天和電力電子等領域。

　　近期，相關研究成果以Highly Conductive Double-Wall Carbon Nanotube Fibers Produced by Dry-Jet Wet Spinning為題，發表在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金和山東省自然科學基金的支持。

干噴濕紡制備高性能碳納米管纖維的過程示意圖

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