强大的弹性碳纳米管薄膜超越凯夫拉纤维和碳纤维 | 化学和工程新闻
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Web Date: January 29, 2016

高硬度碳纳米管薄膜问世

通过简单新方法获得由高度对齐的、致密排列的碳纳米管所构成的高硬度、高弹性薄膜。
Department: Science & Technology
Keywords: carbon nanotubes, carbon fibers, nanotube films
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图:滚轮压平前和压平后的碳纳米管薄膜照片。 科学家们将由碳纳米管吹制而成的圆柱体绕到一个卷筒上,从而获得一种对齐的、致密排列的纳米管所构成的黑色薄膜(左图)。在碾压后,薄膜变得扁平,纳米管更加紧致(右图)。这种新薄膜有较高的度度和弹性。 版权: Nano Lett.
用滚轮压平之前和之后的碳纳米管照片。
 
图:滚轮压平前和压平后的碳纳米管薄膜照片。 科学家们将由碳纳米管吹制而成的圆柱体绕到一个卷筒上,从而获得一种对齐的、致密排列的纳米管所构成的黑色薄膜(左图)。在碾压后,薄膜变得扁平,纳米管更加紧致(右图)。这种新薄膜有较高的度度和弹性。 版权: Nano Lett.

碳纳米管具有高硬度、弹性大的特性,为了利用这些良好的特性,科学家们一直在试图用碳纳米管制作薄膜,将其用于汽车或航空部件的结构涂层或军用、体育装备的保护涂层。但目前为止,纳米管薄膜的强度和弹性等机械特性仍然无法同单个纳米管相提并论。来自中国华东理工大学机械与动力工程学院的王健农教授及其团队研发出一种由碳纳米管构成的新材料,他们使用一种简单的制备方法,所产出的碳纳米管薄膜硬度提升至之前薄膜的五倍,甚至比凯夫拉纤维(Kevlar)或碳纤维制成的薄膜的硬度更高 (Nano Lett. 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b03863)。

视频:
将乙醇溶液吹入充有氮气的加热管中,可使纳米碳管构成的圆柱体从另一端飘出。
版权:Nano Lett..

“这种新型薄膜由致密排列的纳米管构成,几乎所有的纳米管都互相平行,从而使薄膜具有非常高的硬度”,华东理工大学机械与动力工程学院王健农教授介绍说。

据了解,此前许多研究团队都尝试过对齐纳米管并将其组装进薄膜中,他们往往采用喷射或过滤的办法将纳米管悬浮液涂到表面上。但这些技术所采用的纳米管较短,且不能很好地对齐,故所生成薄膜的硬度很低。

王健农和他的团队使用一种类似吹制玻璃的方法来制作纳米管。在 1150~1130 °C 的高温下,他们用氮气流将乙醇注入直径50 毫米的水平管道内,并加入少量二茂铁(Ferrocene)和噻吩(Thiophene )作为催化剂。经过该过程,管内会形成一个空心圆柱体,其内壁由对齐的碳纳米管构成,圆柱体在氮气的推动下,从管道另一端飘出。当圆柱体从管道飘出后,科学家将漂浮的碳纳米管圆柱体绕至一个转筒上。随转筒的转动,空心的圆柱体会逐渐凝结,变平,形成双层的黑色碳纳米管薄膜。最后,科学家们用两个滚轮反复碾压薄膜,从而进一步提高其致密度。

与此同时,科学家们发现卷绕速度越快,纳米管对齐度越高。

据介绍,该新型薄膜的平均硬度为 9.6 吉帕斯卡(GPA)。而此前的纳米管薄膜硬度度通常只有约2吉帕斯卡,而凯夫拉纤维及商业上使用的碳纤维分别为3.7 和7 吉帕斯卡。此外,这些新型薄膜的弹性是常规碳纤维的四倍,它平均能拉伸8%,而碳纤维只能拉伸2%。

王健农表示,除了实用的机械特性(硬度、弹性)外,新型薄膜还具有很高的导电性,可用作可穿戴设备的电极以及人造肌肉。

东京大学的化学教授 Yutaka Matsuo, 指出,值得关注的是,这种能够对齐纳米管,并制备超强薄膜的机械卷绕技术如此简单。该技术能简单获得纯碳薄膜,而此前基于溶液的方法是将预制纳米管压入薄膜中,其中使用的表面活性剂则会对薄膜造成污染。

 

 
Chemical & Engineering News
ISSN 0009-2347
Copyright © American Chemical Society

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