在材料科学的浩瀚星空中，碳纳米管（CNTs）以其独特的电学、力学、热学及光学性能，如同一颗璀璨的新星，持续吸引着全球科研界的目光。近年来，双壁碳纳米管（DWCNTs）作为碳纳米管家族中的佼佼者，更是因其独特的双层结构而展现出更加优异的综合性能，成为构建下一代高性能纤维材料的理想候选。近日，中国科学院金属研究所的研究团队在双壁碳纳米管纤维研究领域取得了突破性进展，这一成果不仅为材料科学领域带来了新的曙光，更为未来轻质、高强电缆及电加热元件等应用开辟了新的道路。
突破性的研究背景
碳纳米管自被发现以来，便因其卓越的物理性能而备受瞩目。然而，将纳米尺度的单根碳管高效组装成宏观纤维，并实现其优异性能的跨尺度传递，一直是材料科学家面临的巨大挑战。传统的湿法纺丝技术虽能制备出导电性良好的碳纳米管纤维，但过程中易形成的“皮芯结构”却极大地限制了纤维的取向度、密实度及电学和力学性能的提升。因此，如何突破这一瓶颈，成为推动碳纳米管纤维应用的关键。
创新性的研究方法
面对这一难题，中国科学院金属研究所的王昊梓轲博士研究生、侯鹏翔研究员和刘畅研究员等组成的科研团队，经过不懈探索，终于在碳纳米管纤维纺丝工艺中引入了前所未有的创新——空气段干喷湿纺技术。这一技术通过在纺丝过程中加入一段空气段，对双壁碳纳米管纺丝细流施加重力牵引，有效提高了纤维的定向性和密实度，同时巧妙地规避了“皮芯结构”的形成。
卓越的研究成果
采用这一创新技术，研究团队成功制备出了高取向度（取向因子达到0.994）、高致密度（1.96 g cm^-3）的双壁碳纳米管纤维。该纤维不仅电导率高达1.1×10^7 S m^-1，载流量也达到了惊人的8.0×10^8 A m^-2，其比电导率和比容量分别达到5.62×10^3 S m^2 kg^-1和4.09×10^5 A m kg^-1，分别是铜导线的86%和3倍。更令人瞩目的是，该纤维的变温电阻系数仅为铜导线的1/2，展现了优异的温度稳定性。
在力学性能方面，该双壁碳纳米管纤维同样表现出色。其拉伸强度和断裂韧性分别提升了1.8倍和2.5倍，达到了1.65 GPa和130.9 MJ m^-3。此外，在1V电压下，相较于传统钨铼丝，该纤维展现出了更优异的电加热性能，预示着其在航空航天等需要轻质电加热元件的领域具有广阔的应用前景。
深入的技术解析
这一突破性成果的取得，关键在于“皮芯结构”的消除以及纤维取向度和密实度的显著提升。通过空气段干喷湿纺技术，研究团队有效改善了纤维的内部结构，增加了碳纳米管之间的有效接触面积，从而实现了纤维电学和力学性能的双重飞跃。同时，该技术还显著提高了纤维的制备效率，为大规模工业化生产奠定了基础。
展望未来的应用前景
随着双壁碳纳米管纤维研究的不断深入，其在多个领域的应用潜力正逐步显现。在电缆领域，高导电性、低电阻系数及轻质高强的特性使得该纤维有望成为传统金属导线的替代品，广泛应用于电力传输、航空航天等领域。在电加热元件方面，其优异的电加热性能则为其在极端环境下的应用提供了可能。
