近期，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究團(tuán)隊(duì)在Advanced Materials期刊撰寫(xiě)綜述文章，系統(tǒng)回顧過(guò)去20余年間人們?cè)谔技{米管纖維基本物性研究方面開(kāi)展的工作，并對(duì)碳納米管纖維未來(lái)的發(fā)展關(guān)鍵做了展望。

1、碳納米管纖維工程化應(yīng)用有待突破

綜述指出，碳納米管是一種潛力巨大的超級(jí)材料，是構(gòu)建未來(lái)超強(qiáng)結(jié)構(gòu)和碳基半導(dǎo)體器件的理想核心基礎(chǔ)材料。將碳納米管組裝成宏觀體（如纖維、薄膜和泡沫等）是實(shí)現(xiàn)碳納米管宏量應(yīng)用的重要途徑之一。碳納米管纖維是碳納米管的一維連續(xù)組裝體，其不僅可以單獨(dú)使用，而且可以通過(guò)編織形成二維薄膜或者三維編織結(jié)構(gòu)，成為最受關(guān)注的碳納米管宏觀體。

近二十年來(lái)，人們致力于開(kāi)發(fā)碳納米管纖維連續(xù)紡絲工藝，揭示碳納米管纖維的工藝-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，并且開(kāi)發(fā)碳納米管纖維的工程應(yīng)用等?，F(xiàn)有的大量研究已經(jīng)表明，碳納米管纖維在結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料、纖維狀能源器件、人工肌肉以及輕質(zhì)導(dǎo)電線纜等方面具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

目前，從納米尺度的單根碳納米管到宏觀尺度的碳納米管纖維，碳納米管在力、電、熱等性能上能夠發(fā)揮的效率甚至不到10%，限制了碳納米管纖維的工程化應(yīng)用。理解和明晰碳納米管纖維的工藝-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系是進(jìn)一步提升碳納米管纖維性能的關(guān)鍵。

2、碳納米管研發(fā)20年風(fēng)雨兼程

綜述回顧了碳納米管纖維近20年的發(fā)展歷程：

• 2000年，法國(guó)科學(xué)家首次報(bào)道了通過(guò)濕法紡絲工藝，制備碳納米管含量高達(dá)50%以上的連續(xù)纖維材料，拉開(kāi)了碳納米管纖維研究的序幕。
• 2002年，清華大學(xué)吳德海教授團(tuán)隊(duì)和美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院P. M. Ajayan教授合作，首次報(bào)道了利用浮動(dòng)化學(xué)氣相沉積方法制備直徑約為300至500微米的碳納米管束，其長(zhǎng)度達(dá)到20厘米；
• 2002年，清華大學(xué)范守善教授團(tuán)隊(duì)首次報(bào)道了從碳納米管陣列拉絲制備碳納米管纖維的方法；
• 2004年，我國(guó)科學(xué)家李亞利教授在英國(guó)劍橋大學(xué)訪學(xué)期間，與Alan Windle教授合作，實(shí)現(xiàn)了浮動(dòng)催化化學(xué)氣相沉積法連續(xù)制備碳納米管纖維。
• 期間，美國(guó)科學(xué)家報(bào)道了濕法制備純碳納米管纖維工藝。
• 2018年，清華大學(xué)魏飛教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了米級(jí)超長(zhǎng)超細(xì)碳納米管管束，其強(qiáng)度達(dá)到80 GPa，纖維力學(xué)性能已為國(guó)際最好水平。

綜述指出，自2000年左右科學(xué)家成功實(shí)現(xiàn)碳納米管在宏觀尺度的纖維組裝后，碳納米管纖維的研究迅速興起，并在20年的發(fā)展中大體經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段：

在該研究進(jìn)展的綜述中，作者分別對(duì)碳納米管纖維的力、電、熱性能進(jìn)行了全面的闡述。在力學(xué)性能方面，目前可以通過(guò)溶劑致密化、機(jī)械致密化、逐級(jí)牽伸、纖維內(nèi)引入聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、管間誘導(dǎo)共價(jià)連接等方法實(shí)現(xiàn)纖維斷裂強(qiáng)度和彈性模量的顯著提升。另一方面，纖維內(nèi)極為豐富的界面結(jié)構(gòu)帶來(lái)了多樣化的能量耗散過(guò)程，使得碳納米管纖維（以及薄膜和復(fù)合材料）展現(xiàn)出傳統(tǒng)碳纖維所不具備的阻尼、蠕變等動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，實(shí)現(xiàn)了剛?cè)岵?jì)的雙功能結(jié)合。

碳納米管纖維還是優(yōu)良的“導(dǎo)”體。在導(dǎo)電特性上，通過(guò)摻雜手段拓寬管間電子躍遷通道后，纖維在比電導(dǎo)率性能上有望超越金屬導(dǎo)體的極限，在輕量化導(dǎo)線方向展現(xiàn)出發(fā)展優(yōu)勢(shì)；而通過(guò)與金屬的復(fù)合，則基于碳納米管快速導(dǎo)熱的性能，能夠大幅度提高復(fù)合導(dǎo)體的極限載流能力，在未來(lái)超大電流的應(yīng)用中有望取代傳統(tǒng)金屬導(dǎo)體。在導(dǎo)熱特性上，由于獨(dú)特的組裝特性，纖維表面的熱輻射尤為顯著，導(dǎo)致在實(shí)際測(cè)量中存在表觀熱導(dǎo)率與實(shí)際熱導(dǎo)率間存在巨大差異，并且前者隨樣品尺寸增加而快速發(fā)散。為此，除了優(yōu)化纖維結(jié)構(gòu)以改進(jìn)管間聲子輸運(yùn)之外，進(jìn)一步發(fā)展測(cè)試方法也是碳納米管纖維導(dǎo)熱研究的重要內(nèi)容。

綜述中，作者分別對(duì)力、電、熱性能相關(guān)的理論研究進(jìn)行了介紹，指出未來(lái)纖維性能的進(jìn)一步提高以及產(chǎn)業(yè)化實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，依然在于對(duì)加工—結(jié)構(gòu)—性能三者內(nèi)在關(guān)系的深入認(rèn)識(shí)。盡管碳納米管纖維物性已有一系列突破、器件應(yīng)用取得多項(xiàng)成功，從源頭重新認(rèn)知纖維的紡絲工藝過(guò)程依然顯得尤為必要。

中國(guó)科學(xué)院李清文研究團(tuán)隊(duì)介紹

該團(tuán)隊(duì)在納米碳宏觀組裝材料領(lǐng)域開(kāi)展了大量研究，特別在碳納米管可控制備及纖維化領(lǐng)域取得一系列前瞻性研究成果，包括半導(dǎo)體型碳納米管水平陣列可控制備、可紡絲碳納米管陣列的低成本合成、碳納米管網(wǎng)絡(luò)的規(guī)?；B續(xù)制備、碳納米管纖維紡絲工藝、石墨烯纖維濕法制備、力學(xué)性能逐級(jí)增強(qiáng)、纖維多功能特性開(kāi)發(fā)等，并開(kāi)展了包括光電能源轉(zhuǎn)換、光催化在內(nèi)的多功能特性研究，在Nature、Nature Communications、Advanced Materials、Advanced FunctionalMaterials、Nano Letters、ACS Nano、ACS Applied Materials & Interfaces、NanoResearch、Nanoscale等國(guó)際核心學(xué)術(shù)期刊發(fā)表論文200余篇，授權(quán)專(zhuān)利70余項(xiàng)。團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)邀參與我國(guó)高性能纖維技術(shù)叢書(shū)編寫(xiě)工作，撰寫(xiě)了國(guó)內(nèi)第一本《碳納米管纖維》專(zhuān)著，系統(tǒng)闡述了碳納米管纖維制備工藝、結(jié)構(gòu)性能關(guān)系、以及碳納米管纖維在復(fù)合材料、能源器件以及輕質(zhì)導(dǎo)線等方面的應(yīng)用。該書(shū)已由國(guó)防工業(yè)出版社于2018年出版發(fā)行。