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      碳納米管纖維的單位重量強(qiáng)度和剛度比現(xiàn)有最佳工程纖維高出數(shù)倍，比其他已報(bào)道的碳納米管纖維高出二十多倍。此外，碳納米管纖維不易碎且堅(jiān)韌，使其在防止災(zāi)難性故障方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有材料。這些新型碳納米管纖維不僅將使成千上萬(wàn)的產(chǎn)品更堅(jiān)固、更輕便、更安全、更節(jié)能，還將使許多迄今為止因材料限制而無(wú)法實(shí)現(xiàn)的設(shè)想技術(shù)成為現(xiàn)實(shí)。

碳納米管的機(jī)械性能

      高強(qiáng)度、高剛度和低密度的結(jié)合使CNT碳納米管具有極高的比強(qiáng)度和比剛度。利用這些特性的最有效方法是將CNT碳納米管組裝成纖維。然而，盡管迄今為止世界范圍內(nèi)做出了廣泛的努力，但各研究小組報(bào)告的CNT碳納米管纖維的比強(qiáng)度和比剛度遠(yuǎn)低于目前可用的商用纖維。對(duì)于用于制造航天飛機(jī)、飛機(jī)和空間結(jié)構(gòu)的材料來(lái)說(shuō)，強(qiáng)度、剛度和重量輕是至關(guān)重要的特性要求。這些特性通過(guò)材料的比強(qiáng)度和比剛度來(lái)評(píng)估，比強(qiáng)度和比剛度定義為材料的強(qiáng)度或剛度（楊氏模量）除以其密度。

碳納米管的電學(xué)特性

      碳納米管 (CNT) 纖維因其獨(dú)特、可調(diào)的電學(xué)性質(zhì)而在導(dǎo)電和傳感應(yīng)用方面具有巨大潛力。由于其共軛和高度各向異性的一維結(jié)構(gòu)，碳納米管 (CNT) 無(wú)論從理論還是應(yīng)用角度來(lái)看都是一類(lèi)極具吸引力的新型電子材料。CNT 優(yōu)異的導(dǎo)電性和承載極高電流密度的能力，以及其高熱導(dǎo)率、化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，使其在廣泛的應(yīng)用中具有獨(dú)特的潛力，包括納米級(jí)電子設(shè)備的構(gòu)建塊、生物制劑和化學(xué)品的微傳感器以及航天飛機(jī)的電力電纜。在彈道傳導(dǎo)下，單壁 CNT 的電阻率低至 10-6 Ω·cm，多壁 CNT 的電阻率低至 3×10-5 Ω·cm，這表明在室溫下 CNT 可能是比銅等金屬更好的導(dǎo)體。然而，在大多數(shù)情況下，由于碳納米管生長(zhǎng)過(guò)程中形成的各種缺陷或雜質(zhì)的存在，單個(gè)碳納米管的電導(dǎo)率往往比無(wú)缺陷的納米管在彈道傳導(dǎo)下的電導(dǎo)率低得多。碳納米管組件中的電子傳輸與單個(gè)納米管中的電子傳輸不同。據(jù)報(bào)道，通過(guò)垂直浮動(dòng)化學(xué)氣相沉積 (CVD) 方法直接合成的單壁碳納米管 (SWNT) 纖維或從超酸懸浮液中擠出的單壁碳納米管 (SWNT) 纖維的室溫電阻率在 1 × 10-4 到 7×10-4 Ω.cm 范圍內(nèi)，這比單個(gè)納米管的電阻率高近 100 倍。多壁碳納米管 (MWNT) 纖維的電阻率通常比 SWNT 纖維高一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。單個(gè)納米管和纖維組件之間如此大的差異可能是由于纖維中雜質(zhì)含量高（例如無(wú)定形碳和催化顆粒）造成的，這可能會(huì)引起納米管之間的顯著散射和接觸電阻，從而嚴(yán)重影響電子傳輸。

      碳納米管纖維的直接紡絲法因其易于生產(chǎn)高性能材料且尺寸不受明顯限制而備受關(guān)注。碳納米管纖維或薄膜展現(xiàn)出無(wú)與倫比的性能，開(kāi)辟了新的研究和商業(yè)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。這項(xiàng)十多年前設(shè)計(jì)的工藝已經(jīng)為納米材料的基礎(chǔ)科學(xué)提供了令人關(guān)注的信息，并同時(shí)催生了首批在日常生活中具有巨大應(yīng)用潛力的原型產(chǎn)品的誕生。正因如此，人們對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的興趣日益濃厚，來(lái)自世界各地的相關(guān)研究論文也日益增多。

      制備高性能碳納米管纖維的關(guān)鍵在于使單個(gè)碳納米管沿纖維軸向排列。迄今為止，制備碳納米管纖維的主要方法有四種：

(1) 碳納米管溶液紡絲；

(2) 預(yù)先在基底上生長(zhǎng)的垂直排列碳納米管陣列紡絲；

(3) 化學(xué)氣相沉積 (CVD) 反應(yīng)器中形成的碳納米管氣凝膠紡絲；

(4) 碳納米管薄膜捻轉(zhuǎn)/軋制。第一種方法也稱(chēng)為溶液態(tài)（或濕法）紡絲，其他方法稱(chēng)為固相（或干法）紡絲。

      每種方法均可獲得純碳納米管纖維和聚合物滲透復(fù)合纖維。其他制備方法包括仿棉紡絲和電泳紡絲。

凝固紡絲廣泛用于制造凱夫拉纖維、腈綸纖維和聚丙烯腈 (PAN) 纖維。在該工藝中，聚合物溶液被擠壓到含有第二種液體的浴槽中，溶劑可溶于該液體，但聚合物不可溶于該液體。在過(guò)去十年中，人們開(kāi)發(fā)了各種凝固紡絲方法，用于紡制碳納米管復(fù)合纖維和純碳納米管纖維。

      如同從蠶繭中抽絲，碳納米管纖維可以通過(guò)從垂直排列的碳納米管陣列紡絲制成。2002年，從100μm高的碳納米管陣列紡出了30cm長(zhǎng)的碳納米管纖維。此后，人們致力于優(yōu)化紡絲工藝，以提高碳納米管纖維的性能。研究發(fā)現(xiàn)，并非所有碳納米管陣列都能紡成纖維，碳納米管的可紡性與碳納米管陣列的形貌密切相關(guān)。迄今為止，全球已有多個(gè)研究小組采用這種紡絲方法制備了連續(xù)的碳納米管纖維。

      上述將碳納米管組裝成連續(xù)纖維的方法，目前僅能通過(guò)后處理方法，即從碳納米管溶液和碳納米管陣列中紡絲而實(shí)現(xiàn)。碳納米管纖維也可以在合成單個(gè)碳納米管的爐腔中直接組裝。首次報(bào)道了在立式爐中使用浮動(dòng)催化劑化學(xué)氣相沉積 (CVD) 法直接合成長(zhǎng)鏈有序單壁碳納米管 (SWCNT)。

CNT的潛在應(yīng)用

      高性能碳納米管纖維制備技術(shù)的最新進(jìn)展，推動(dòng)了其在科學(xué)和工程應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。迄今為止，人們已探索了其在多功能復(fù)合材料、傳感、傳輸線和電化學(xué)裝置等眾多領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。

高強(qiáng)度/高韌性纖維

      碳納米管 (CNT) 憑借其卓越的機(jī)械和物理性能，以及低密度和高長(zhǎng)徑比，被認(rèn)為是太空電梯系繩以及輕質(zhì)、高強(qiáng)度、多功能復(fù)合材料增強(qiáng)材料的理想材料。研究表明，在基體材料中分散少量單個(gè)碳納米管可以顯著提升復(fù)合材料的機(jī)械和物理性能。

應(yīng)變/損傷傳感器

      碳納米管纖維可用作壓阻傳感器，具有優(yōu)異的重復(fù)性和穩(wěn)定性。碳納米管纖維具有可重復(fù)、穩(wěn)定的電阻-應(yīng)變特性以及低密度，可在制造過(guò)程中永久集成到復(fù)合材料部件中，且侵入性和重量損失極小。嵌入式紗線傳感器可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)復(fù)合材料的變形。

輸電線路

      由于金屬碳納米管 (CNT) 具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，CNT 纖維有望成為下一代電力傳輸線。電子在納米管中以彈道方式運(yùn)動(dòng)，不會(huì)像在銅和鋁等其他導(dǎo)電材料中那樣散射。由于散射會(huì)增加金屬的電阻，導(dǎo)致電力線升溫、膨脹，而下垂的電線會(huì)刮倒樹(shù)木并造成停電。迄今為止，制備的 CNT 纖維不僅包含金屬 CNT，還包含半導(dǎo)體 CNT，這極大地限制了 CNT 纖維的導(dǎo)電性。近年來(lái)，大量研究致力于降低 CNT 纖維的電阻，并提高 CNT 纖維作為電力傳輸線和低維互連的適用性。

電化學(xué)裝置

      由于碳納米管纖維具有較高的比表面積，加上其理想的機(jī)械性能和較高的電導(dǎo)率，因此在微電極、超級(jí)電容器和執(zhí)行器等電化學(xué)設(shè)備中具有廣泛的應(yīng)用前景。

生物傳感微電極

      CNT纖維的納米級(jí)表面形貌和孔隙率可以促進(jìn)與酶等介質(zhì)的分子尺度相互作用，有助于有效捕獲和促進(jìn)電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，這使得CNT纖維成為生物傳感的理想微電極。

超級(jí)電容器

      眾所周知，電化學(xué)裝置的電容取決于電極上的電荷層與反電荷層之間的分離和接觸面積。

      電解質(zhì)中的層。CNT 纖維電極內(nèi)較小的電荷層分離（約 1nm）和較高的納米管表面積可接觸電解質(zhì)，預(yù)計(jì)會(huì)導(dǎo)致CNT纖維超級(jí)電容器的高電容。在過(guò)去的幾年中，人們對(duì)CNT纖維超級(jí)電容器的電化學(xué)性能進(jìn)行了深入的研究。

機(jī)電執(zhí)行器

      早期研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管在電荷注入時(shí)能夠膨脹和收縮，可用于開(kāi)發(fā)機(jī)電致動(dòng)器。近年來(lái)，碳納米管纖維的機(jī)電性能及其應(yīng)用也得到了廣泛的研究。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在浸沒(méi)于電解液中的纖維和另一個(gè)電極之間施加電勢(shì)時(shí)，碳納米管纖維電極會(huì)發(fā)生收縮。這種收縮的機(jī)制與紗線中離子的插入以及紗線由于其螺旋扭曲結(jié)構(gòu)而發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化有關(guān)。

結(jié)論

      作為一種獨(dú)特的碳納米管組裝體，初步研究表明，碳納米管纖維可以將單個(gè)碳納米管的優(yōu)異性能轉(zhuǎn)移到微觀和宏觀結(jié)構(gòu)層面。碳納米管纖維的比模量和比強(qiáng)度高于商用碳纖維和聚合物纖維，盡管其模量和強(qiáng)度值仍然較低。此外，碳納米管纖維的制備工藝比傳統(tǒng)高性能纖維的制備工藝更簡(jiǎn)單。因此，這種新型纖維有望在許多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。然而，碳納米管纖維的科學(xué)技術(shù)仍處于起步階段。未來(lái)需要持續(xù)的研究努力才能充分發(fā)揮碳納米管纖維的潛力。