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            2016年11月11日 星期五 09:15:33
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            【原創】高導電碳納米管復合纖維的制備方法

            發表時間:2021/8/22

            碳納米管纖維具有優良的電學性能和易于自組裝的優點,有成為高性能電纜線的潛力。但與金屬(銅的電導率為5.8×107S/m)相比,由于其管間接觸電阻過大、纖維內部結構缺陷(如局部纏結、致密化程度不勻)以及合成過程中的非晶態碳和芳香烴等雜質的影響,還達不到許多高端應用領域(航空航天、微電子器件等)對材料電導率的要求。因此開發及發展有效的復合纖維制備方法和技術以提升復合纖維的導電性,在提高纖維實用性中極其重要。


            電沉積法和化學沉積法

            電沉積法是指在沉積液中,碳納米管纖維作為陰極,金屬板作為陽極,接通電源后金屬從化合物水溶液中沉積到纖維基底的方法?;瘜W沉積法是指利用一種合適的還原劑使鍍液中的金屬離子還原并沉積在基體表面的化學還原過程?;瘜W沉淀法對儀器設備依賴小,有批量化生產的可能,與電沉積法相比,該方法可獲得致密均勻的鍍層,也可用于不規則、不易接觸的表面。


            圖 1 電沉積法制備碳納米管復合纖維的相關研究及結果


            磁控濺射法

            磁控濺射法是指用磁控濺射儀將金屬原子從金屬靶上濺射出來,在電場力影響下沉積至碳納米管纖維上的方法,也是物理氣相沉淀法(PVD)的一種。


            圖2 磁控濺射法制備碳納米管復合纖維的相關研究及結果


            離子摻雜法

            離子摻雜法是比較簡單直接的方法,通過將碳納米管纖維浸入摻雜劑中,用自然滲透或后處理的方式使離子進入纖維內部來提高其電學性能。


            圖 3 離子摻雜法制備碳納米管復合纖維的相關研究及結果


            提高碳納米管纖維電學性能主要通過與金屬粒子(銅、鎳、銀等)復合,但往往纖維電導率提高的同時金屬層也會增加,進而影響復合纖維的斷裂強度和斷裂伸長。其中電沉積法和離子摻雜法工藝更為簡單,前者由于裝置限制無法進行大批量制備,而后者所能達到的電導率低于其他方法。用磁控濺射法所制備的金屬層更加致密,復合纖維的電導率整體上更高,均勻度更好,解決儀器裝置的限制是磁控濺射法發展的關鍵?;瘜W沉積法由于無儀器裝置方面的限制,復合纖維性能好,是目前唯一有望進行批量生產的方法,但其步驟較為復雜且成本較高。

            根據文獻調研,目前碳納米管復合高導電纖維的生產主要需要解決如下幾個問題:(1)金屬層與碳納米管基底的結合力弱;(2)金屬層厚度(影響纖維電導率)與復合纖維強度間的平衡;(3)摻雜離子在纖維中的分散均勻性;(4)產業化生產的裝置。隨著對碳納米管纖維加工-結構-性能關系研究的深入,新的加工工藝或改進方法有望解決相應問題,使碳納米管纖維在航空航天、可穿戴智能產品等領域得到廣泛應用。


            更多內容,請關注《紡織導報》2021年第8期“碳納米管纖維及其復合高導電纖維的研究進展”一文。