【引言】

航天活動對人類文明和社會進步的影響不言而喻。半個多世紀以來，以美國為首的航天強國不斷將各種航天器載入太空，試圖更進一步地揭開宇宙的“神秘面紗”。而美國去年提出“2024年前建成月球軌道基地、搭建地球與深空間的橋梁、開啟國際‘深空門’”的雄心勃勃的目標，則正將深空探索（Deep Space Exploration）推向新的制高點。面對復雜、苛刻甚至未知的太空環境以及極高的空間發射成本，全新一代高性能材料（超強、超輕、穩定、多功能）的研發及應用無疑是深空探索技術發展的重要驅動力之一。其中，作為節約成本的關鍵，超強、超輕結構材料一直是該領域的研究熱點，縱觀材料界發展歷史，不難發現近代頻繁誕生的超強、超輕結構材料多數就是為航天技術而生，或首先在航天領域得到發展和應用。而隨著深空探索邁向更深遠、更多未知空間，也對超輕材料提出了更高的功能需求，其中，具有導熱、導電等功能的非金屬導體材料（non-metal conductors）材料，如碳納米管導體材料（Carbon Nanotube （CNT） Conductors），成為該領域極具應用前景的新星。但目前這一領域的研究仍比較薄弱，除了材料本身存在導電、導熱性能還無法完全與金屬如銅、銀等匹敵的缺陷外，已有報道對這一材料領域研究現狀的總結和趨勢的展望也缺乏系統梳理。

【成果簡介】

近期，佛羅里達州立大學 （Florida State University） Songlin Zhang等在前期工作的基礎上，大量總結近年來碳納米管導體材料研究成果，系統、全面地梳理了碳納米管導體材料的最新進展，包括制備方法、表征手段、導電機理和工程應用；指出了該領域的發展機遇和挑戰，并對未來非金屬導體材料 （non-metal conductors）的潛在研究方向給出了建議。該成果近日以“Carbon‐Nanotube‐Based Electrical Conductors: Fabrication, Optimization, and Applications”為主題發表在知名期刊Advanced Electronic Materials上。

【圖文導讀】

圖一：碳納米管導體材料的應用分類

（1）微觀尺度應用，如X-ray發射源、掃描探針、藥物釋放系統等；

（2）宏觀尺度應用，如電極材料、復合材料、電纜材料等。

圖二：影響碳納米管導體材料導電性能的因素

（1）本征因素，包括碳納米管的長度、直徑、手性和原子尺度結構及缺陷等；

（2）外在因素，包括雜質、取向度、堆疊結構以及接觸電阻等。

圖三：不同尺度下的結構與材料導電性能的關系

圖四：近年報道的碳納米管導體材料導電性能及與銅的比較

圖五：碳納米管導體材料的發展歷史

（1）導電性能從104 S/m提高到106 S/m；

（2）樣品尺寸逐步增大，使得工業化大批量使用成為可能；

（3）導電性能穩定性得到了較大提升。

圖六：對碳納米管導體材料性能優化的展望與總結

（a） 導電性能與密度關系對比圖。碳納米管導體材料明顯優于其他導體材料包括傳統金屬導體材料如銅銀等。

（b）導電性能、密度、以及力學強度的綜合比較。碳納米管導體材料遠遠勝于其他導體材料。

【總結展望】

輕質碳納米管導體材料將在未來的深空探索中起到舉足輕重的作用，勢將在諸多應用中替代傳統金屬導體材料，進一步節省空間探索成本。該綜述從介紹碳納米管導體材料的優勢出發，全面歸納了碳納米管導體材料的最新前沿進展（包括制備方法、性能表征、導電原理和最新應用研究），進而系統地指出了在不同尺度（從納米尺度，到微米尺度，直至宏觀尺度）上影響碳納米管導體材料性能的綜合因素，及其導電能力的優化與提高方法（包括如何提高碳納米取向度、緊密排列程度、化學摻雜等）。總結得出后續研究的挑戰主要包括：

（1）進一步優化碳納米管導體材料的結構來提高其導電性能以期達到單根碳納米管的優良性能；

（2）突破超高導電碳納米管的制備方法以獲得高性價比；

（3）提高碳納米管導體材料在不同應用環境下的穩定性；

（4）大批量工業生產制造及其質量控制。

文獻鏈接：

Carbon‐Nanotube‐Based Electrical Conductors: Fabrication, Optimization, and Applications （Adv. Electron. Mater. 2019, https://doi.org/10.1002/aelm.201800811）

個人主頁：https://aclinzhang.wixsite.com/research

本文由佛羅里達州立大學 （Florida State University） Songlin Zhang供稿