科学家开发具有高强度和高模量的碳纳米管纤维

　　预计将为航空航天和国防工业创造下一个增长引擎，为韩国成为材料超级大国提供途径。
　　太空升降舱（space elevator）是一种将地球表面连接到空间站的技术，它将实现人员和材料的经济高效运输。然而，一种非常轻且坚固的材料对于使这种技术成为现实至关重要。理论上的考虑表明，碳纳米管 (CNT) 纤维的强度非常出色；然而，它们的机械性能值远低于理论值。为了获得具有超高性能的宏观纤维，近日，一项新研究开发了一种通过单个纳米管聚结形成多维纳米结构的方法。将高度排列的单壁或双壁碳纳米管束湿纺纤维石墨化，以诱导纳米管坍塌和多壁结构。这些先进的纳米结构形成了一个相互连接、紧密排列的石墨域网络。它们近乎完美的排列和高纵向结晶度，增加了CNTs之间的剪切强度，同时保持了优异的柔韧性。由此产生的纤维具有高拉伸强度(6.57 GPa)、模量(629 GPa)、导热系数(482 W/m·K)和导电性(2.2 MS/m)的出色组合，从而克服了传统合成纤维的限制。
　　图片来源：韩国科学技术研究院
　　碳纳米管在不同退火温度下的结构变化示意图
　　韩国科学技术研究院(KIST)全北先进复合材料研究所的Bon-Cheol Ku 博士研究组宣布，与水原大学Seongwoo Ryu 教授研究组和西班牙IMDEA材料研究所的Juan José Vilatela博士共同研究开发出了超高强度、超高模量的碳纳米管纤维材料 。他们的研究发表在  Science Advances  上。
　　现有的聚丙烯腈(PAN)基碳纤维强度高、模量低，沥青基碳纤维强度低、模量高。以往关于同时提高碳纤维拉伸强度和模量的研究仅集中在添加少量碳纳米管。但是，KIST和水原大学、IMDEA联合研究小组在没有使用传统的碳纤维前体、聚合物、沥青的情况下，生产出了完全由碳纳米管组成的纤维。
　　该团队通过适用于大规模生产的湿纺制造工艺制造了高密度、高排列的碳纳米管纤维，然后在高温下对其进行退火，使其结构转化为包括石墨在内的各种特定类型。因此，碳纳米管的接触面积增加。以这种方式生产的这些碳纳米管纤维有望具有各种应用，因为它们同时具有传统碳纤维无法实现的超高强度 (6.57 GPa) 和超高模量 (629 GPa) 特性。纤维还显示出高的结强度，表明柔韧性。
　　图1. 通过纳米管的聚结开发 CNT 纤维。
　　( A )碳纳米管在不同退火温度下的结构变化示意图。
　　( B ) 所制备的具有 S·DWNT 束的 CNT 纤维的横截面透射电子显微镜 (TEM) 图像。
　　具有 MIW-CNT 和 C-CNT 混合结构的 CNT 纤维在 ( C ) 1400、( D ) 1700、( E ) 2000 和 ( F ) 2400 C退火后的横截面 TEM 图像。
　　( G ) 在 2700 C 退火后具有高度排列的 GNR 结构的 CNT 纤维的 TEM 图像。
　　( H ) 折叠的 DWNT、( I ) MIW-CNT 和 ( J ) 用折叠的 SWNT 包裹的 DWNT 束的高分辨率 TEM 图像。
　　Bon-Cheol Ku博士表示：＂使用碳纳米管材料的K-碳纤维制造技术将使韩国作为碳纤维领域的后发者成为行业领先者。这一重要技术将成为韩国进入材料超级大国的航空航天和国防产业的未来增长动力。
　　他还表示：＂虽然已经掌握了以碳纳米管为基础的超高强度、超高模量碳纤维的原始制造技术，但要想实现超高性能碳纤维的大规模生产，必须首先实现核心材料——双壁碳纳米管的大规模生产。＂并称：＂要想取得进一步的进展，不仅需要国家层面的支持，还需要业界的关注。＂
　　文献信息：
　　Dongju Lee et al, Ultrahigh strength, modulus, and conductivity of graphitic fibers by macromolecular coalescence,  Science Advances  (2022).
　　DOI: 10.1126/sciadv.abn0939
　　https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn0939