東華大學在碳納米管紗線結構與功能調控領域的研究取得系列進展

2020-12-14 騰訊網

近期，東華大學紡織學院許福軍副教授課題組基於仿生原理對碳納米管紗線的結構與性能進行調控，取得系列進展。相關成果以「循環拉伸訓練誘導碳納米管紗線的仿生結構重組行為」（Bioinspired microstructure-reorganized behavior ofcarbon nanotube yarn induced by cyclic stretching training）和「用於可穿戴電子器件的仿生結構超拉伸導電纖維」（Bioinspired Super elastic Electroconductive Fiberfor Wearable Electronics）為題，以東華大學為第一單位分別發表於材料領域著名期刊J Mater. Chem. C（材料化學雜誌C）和ACS Appl. Mater. Inter.（美國化學學會應用材料與界面）上，論文的第一作者分別為紡織學院本科畢業生吳建花和王志勇，通訊作者為許福軍副教授。

碳納米管紗線是一種多層級結構的純碳納米管線狀集合體。目前，紡絲得到的碳納米管紗線內部結構鬆散，相互作用較弱，導致碳納米管各項優異性能不能在宏觀尺度上有效進行傳遞。需要調控其微觀結構，改善其宏觀力學和電學性能，擴大其應用前景。肌肉纖維具有特殊的多層次結構，人們通過多次機械訓練後的肌肉纖維柔韌性和力量得到顯著提高。

基於肌肉纖維結構重組行為的啟發，該課題組提出一種新的應變工程策略(循環拉伸或循環加載)，通過施加優化的拉伸應變(10%)進行循環拉伸，CNT紗線在拉伸強度(+64%)、楊氏模量(+148%)、電導率(+30%)和壓阻敏感性(+35%)等性能方面顯著提高。經微觀結構重組的碳納米管紗線可廣泛應用於高級耐磨紡織品、柔性電子產品和多功能複合材料等領域，該論文內容發表在J. Mater. Chem. C（材料化學雜誌C）2020, 8, 117，併入選為2020年熱點論文。

圖1.碳納米管紗微觀結構重組行為。(a)機械運動引起的人腓腸肌內側層次結構變化示意圖。(b)機械重組引起的類似CNT紗線分層結構(束和線)調整(循環拉伸訓練)。(c)經循環拉伸訓練後碳納米管紗的力學和電學性能

受到大自然中藤蔓、黃瓜須從等螺旋捲曲結構具有高柔韌性和延展性的啟發，該課題組開發出一種具有螺旋仿生結構的超彈性導電纖維。這種導電纖維是通過將柔韌但導電的碳納米管/聚二甲基矽氧烷(CNT/PDMS)複合紗包裹在聚酯長絲(PET)上製成的螺旋結構包纏紗。其中，聚酯長絲具有良好的力學性能和延展性，而捲曲的CNT/PDMS複合紗(C/P CY)具有良好的導電性。所製備的電子纖維具有很高的拉伸性能(165%)、拉伸強力(660 cN)、耐磨性以及在各種變形下具有顯著的電學穩定性，更適用於可穿戴織物的導電材料。基於螺旋結構仿生導電紗線織造的多功能織物，透氣性良好和電熱穩定性，該論文內容發表在ACS Appl. Mater. Inter.（美國化學學會應用材料與界面）2019, 11, 44735。

圖2.螺旋仿生結構的超彈性導電纖維的設計製備及智能紡織品上的應用

此外，該課題組採用等離子體處理、聚合物複合等手段對輕質柔性碳納米管薄膜的多尺度結構和綜合性能進行了設計與調控，開發的基於碳納米管薄膜材料的輕質高強多功能材料，在電熱除冰、軟機器人、智能結構和系統領域具有重要應用，該論文發表在Aouraghe MA（敬民）, et. al.,Compos. Sci. Technol.（複合材料科技） 2019,107824。

圖3.碳納米管薄膜的電熱穩定性及其在織物上的應用

上述研究成果得到了國家自然科學基金、上海市自然科學基金、東華大學勵志計劃等項目的支持。該課題組近兩年在碳納米管紗線和薄膜結構與性能調控領域的研究論文連結如下：

https://doi.org/10.1021/acsami.9b16051;https://doi.org/10.1039/C9TC06056A;

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2019.107824;

https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2019.105728;

https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2019.03.015

來源：東華大學新聞中心

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