說到最強纖維材料,大家第一個反應可能會是凱夫拉。沒錯,就是那個被稱為「裝甲衛士」的凱夫拉,由於剛柔並濟現已廣泛用於軍事項目上。那如果說到導電最強的材料,或許你想到的是金屬材料——銀、銅。但現在有這樣一種材料,強度勝過凱夫拉,導電接近銅的80%的纖維,兼具硬度和導電,沒錯,這樣的材料已經誕生了。它不但性能優越,而且靈活性極好,重量輕,它就是碳納米管纖維(CNTF)。
碳納米管纖維(CNTF)具有輕質、高強、多功能性等特點,作為新一代特種纖維材料,對高端科技發展有著重大的戰略意義。雖然全球目前尚未形成碳納米纖維及其複合材料行業,但學術界普遍認為其將成為下一代新型高強度纖維材料。
目前,要想實現CNTF的廣泛應用,就需要具有可控且可再生特性的大規模生產方法。當前比較流行的商業方法有,溶液紡絲法(簡稱SS-CNTF)、直接紡絲法(DS-CNTF)和陣列旋轉紡絲法(AS-CNTF)。由於溶液紡絲工藝將纖維生產與碳納米管的生長分離開來,它允許原始碳納米管縱橫比和CNTF性能之間有明確的關聯。碳納米管原料的性能與宏觀纖維的性能之間的基本聯繫為CNTF的發展指明了前進道路:即高結晶度、高縱橫比和低雜質的CNTs。
美國萊斯大學的Matteo Pasquali等人利用更高質量、長度更長的碳納米管,通過溶液紡絲工藝製成碳納米管纖維,該纖維不僅質量輕且兼具良好的力學性能、電學性能以及靈活性。
據悉,研究者所製得的碳納米管纖維的楊氏模量為260GPa,平均斷裂伸長率為3.5%,抗拉強度為4.2GPa,遠高於Kevlar®的3.6GPa。而且,其導電率提升到了10.9MS/m,約為銅的80%,這也是碳納米管纖維的導電率首次突破10MS/m。
研究者通過比較該碳納米管纖維與碳纖維、直接紡絲碳納米管纖維、聚合物纖維和金屬的性能發現,本實驗製備的碳納米管纖維將商用碳纖維的抗拉強度和直接紡絲碳納米管纖維類似金屬的導電性完美結合,而且導熱性極佳。
該碳納米管纖維在橫截面上有數千萬個納米管,目前正研究用於修復受損心臟的橋梁、與大腦的電子接口、耳蝸植入、柔性天線以及汽車和航空航天等領域。但提高碳納米管纖維的生產速率並降低生產成本仍是目前面臨的巨大挑戰。CNTF在從生物醫學設備到下一代電線和電纜等廣泛應用領域的使用才剛剛開始,毫無疑問它具有極大的潛力。
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