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莱斯实验室为高性能碳纳米管纤维的工业化生产提供理论依据

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  • 发布时间:2020-11-06 13:45
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现在,由美国莱斯大学制造的碳纳米管纤维要比凯夫拉芳纶纤维更强,而且其与铜相比的导电性正在逐渐提高。莱斯实验室的化学与生物分子工程师Matteo Pasquali连同其他合作者发表在《Carbon》杂志上的论文表明,该实验室已经开发出其最强、最具导电性的纤维,它由长碳纳米管通过湿法纺丝工艺制成。

Matteo Pasquali说:“长期以来,碳纳米管纤维因其潜在的优越性能而一直备受追捧,20年来,在莱斯和其他地方所作的研究已使这一潜能成为现实。现在,我们需要全球的努力来提高生产效率,以便能以零碳排放的方式制造这些材料,同时还能潜在地生产出清洁的氢气。”该项目也是Carbon Hub研究项目的一部分。Carbon Hub研究项目由莱斯大学与壳牌、普睿司曼和三菱于2019年发起,由多所大学参与,旨在共同创造零排放的未来。

莱斯大学研究生Lauren Taylor表示:“发表这篇论文的目的,是为了记录我们在实验室生产的纤维的性能。这些改进意味着,现在我们的纤维已在强度上超过了凯夫拉纤维,这对我们来说是一个很大的成就。只要强度再增加一倍,我们就能超越市场上最强的纤维。”

与拉伸强度3.6 GPa的凯夫拉纤维相比,柔韧的莱斯纤维拥有4.2 GPa的拉伸强度。这些纤维需要结晶度高的长纳米管,也就是说,碳原子环呈规则排列,缺陷很少。加工莱斯纤维的过程中使用的酸性溶液,还有助于减少可能影响纤维强度的杂质,并通过残留掺杂来增强纳米管的金属属性。

莱斯大学研究生Oliver Dewey补充道:“碳纳米管的长度或长宽比,是决定我们的纤维特性的关键因素。用在莱斯纤维中的12µm纳米管的表面积,有利于我们获得更好的范德瓦尔斯结合,它还有助于为我们生成纳米管的合作者通过控制催化剂中的金属杂质数量来优化对溶液的处理,我们称之为无定形碳杂质。”

这些研究人员表示,这种纤维的导电性已提高到10.9百万西门子/米。“这是第一次碳纳米管纤维通过了10百万西门子的门槛,所以我们实现了纳米管纤维的新的数量级。”Dewey 说道,按重量规范,莱斯纤维的导电性大约已达到铜的80%。

Taylor说:“但是,我们已经超过了铂丝,这对我们来说是一个很大的成就,而且这种纤维的热导率比任何金属和任何合成纤维都要好,除了沥青石墨纤维。”该实验室的目标是使高级纤维的生产更加高效且成本更低,足以被工业界大规模采纳。

Dewey表示,在包括凯夫拉纤维在内的其他种类的纤维生产中,溶液处理是常见的,因此工厂可以使用熟悉的流程,而不需要进行大规模的改造。莱斯方法的好处是,基本上是即插即用,本质上是可扩展的,符合合成纤维的生产方式。“有一种观点认为,碳纳米管永远不可能获得几十年来人们一直在炒作的所有性能。”Taylor说道,“但是我们每年都会取得很大的进步,虽然不容易,但我们仍然相信这项技术将改变世界。”

在由莱斯研究生Lauren Taylor和Oliver Dewey领导的新的研究中, 研究人员们注意到,湿纺的碳纳米管纤维,可能会在医学和材料应用领域取得突破,其强度和导电性每3年就翻一番,这一趋势已持续了近20年。虽然这可能永远不会模仿几十年来成为计算机芯片发展基准的摩尔定律,但Pasquali及其团队正在努力推进他们开创的碳纳米管纤维制造方法。

莱斯大学的研究生Lauren Taylor和Oliver Dewey 在努力完善从碳纳米管中提炼丝状纤维的过程,现在,他们制成的纤维,其强度已超过凯夫拉纤维

该实验室制造的丝状纤维,其横截面上有数以千万计的碳纳米管,科研人员们正在研究将其用作修复受损心脏的桥梁、与大脑的电接口、人工耳蜗的植入物以及汽车和航空航天应用的柔性天线。

莱斯大学生产的纤维,其横截面上含有数以千万计的碳纳米管。该实验室不断地改进纤维制造方法,测试显示,其制造的纤维比凯夫拉纤维更强

美国空军科学研究办公室、Robert a. welch 基金会、美国能源部先进制造办公室和美国高级研究项目能源局为这项研究提供了支持。

 

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