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碳納米管制成的新型復合材料

2017-11-27 14:55:35 作者：本網(wǎng)整理來源：材料科技在線分享至：

碳納米管由于其獨特的性能，成為眾多應(yīng)用的理想選擇，但迄今為止，它們不能與其他材料充分結(jié)合，即使結(jié)合也失去其有益性能。科學家們已經(jīng)開發(fā)了一種可替代結(jié)合的方法，并且保留了它們的特性。通過這種方法，他們“粘結(jié)”線狀管成為一個穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)。

在這個簡單的過程中，水與碳納米管混合并滴入高度多孔的白色陶瓷材料中。它像海綿一樣吸收黑色液體。如果陶瓷支架被化學蝕刻掉，那么只留下細小的毛氈外套。由小管制成的氈狀體由此互連形成大管狀的網(wǎng)絡(luò)。空腔可以填充聚合物制成導電和抗撕裂復合材料。

從超輕型電池到高性能塑料，再到醫(yī)療植入物，碳納米管由于極輕、導電性好、比鋼更穩(wěn)定的性能，使其成為眾多應(yīng)用的理想選擇。然而，迄今為止，科學和工業(yè)難以將其在納米級的特性轉(zhuǎn)化為功能性工業(yè)應(yīng)用。碳納米管要么不能與其他材料充分結(jié)合，要么它們可以結(jié)合，也會失去有益特性。Kiel大學（CAU）功能納米材料工作組和Trento大學的科學家們現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出了一種替代方法，通過這種方法，可以將細管與其他材料結(jié)合起來，并且保持其特性。因此，他們將線狀管“氈化”成能夠承受極端外力的穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)。研究成果現(xiàn)已發(fā)表在“自然通訊”雜志上。

為了充分利用軋制石墨烯的非凡特性，工業(yè)界和科學界正在深入研究直徑小于100nm的碳管（碳納米管，CNT），然而目前仍停留在理論層面。“雖然碳納米管像纖維絲一樣具有彈性，但它們也對變化非常敏感。”CAU功能納米材料工作組負責人Rainer Adelung教授解釋說：“以前嘗試將它們與其他材料進行化學連接，但是它們的分子結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，這使得它們的性能變差，而且變化幅度很大。”

相反，Kiel and Trento研究小組的方法是基于一個簡單的濕化學滲透過程。他們將碳納米管與水混合并滴入由氧化鋅制成的多孔的陶瓷材料中，其像海綿一樣吸收液體。滴落的線狀CNT附著在陶瓷支架上，同時自動形成一個穩(wěn)定層，類似于毛氈。也可以說是陶瓷支架上涂有納米管，這對于支架以及納米管涂層都具有極好的效果。

一方面，陶瓷支架的穩(wěn)定性大大增加，可以承受10萬倍的自重。第一作者FabianSchütt總結(jié)道：“使用碳納米管涂層，陶瓷材料可以承受大約7.5公斤，而沒有碳納米管涂層只能承受50克，就好像我們已經(jīng)為它配備了一種由碳納米管制成的貼身套頭衫，為其提供了機械支撐。材料上的壓力被碳納米管氈的拉伸強度吸收，隨之壓縮力轉(zhuǎn)化為拉伸力。”

其中蘊含的道理可以與竹制建筑相比較，比如在亞洲廣泛流行的建筑。在這里，竹桿用一根簡單的繩子緊緊地綁在一起，使用輕質(zhì)材料就可以形成非常穩(wěn)定的支架，甚至是整個建筑物。該出版物的共同作者HelgeKrüger說：“我們在納米尺度上也是這樣做的，碳納米管線繞在陶瓷材料周圍，只不過尺寸小很多。”

材料科學家證明了他們方法的另一個主要優(yōu)勢。在第二步中，他們通過使用化學蝕刻工藝溶解陶瓷支架，余下的就是一個良好的三維管網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)都由一層微小的碳納米管組成。這樣，研究人員就能夠大大增加毛氈表面，從而創(chuàng)造更多的反應(yīng)機會。Schütt解釋說：“就好像我們將整個沙灘排球場表面積壓緊成一厘米的立方體。” 三維結(jié)構(gòu)內(nèi)的巨大空腔可以填充聚合物，因此，碳納米管可以與塑料機械連接，而不會改變其分子結(jié)構(gòu)，從而改進其性能。Schütt表示：“我們可以使用碳納米管制造一種導電復合材料，達到相同的導電率時，所需碳納米管比通常數(shù)量少很多。”

應(yīng)用范圍從作為導電塑料中電池和過濾器技術(shù)的填充材料，到再生醫(yī)療植入物，再到傳感器和納米級電子元件。比如，抗撕裂材料的良好的導電性將來對于靈活的電子應(yīng)用、功能性服裝或醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域也可能是有意義的。Adelung說：“制造出一種能刺激骨骼或心臟細胞生長的塑料是有可能的。”由于其簡單性，科學家們認為這一過程也可以轉(zhuǎn)移到由其他納米材料構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這將進一步擴大可能的應(yīng)用范圍。

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責任編輯：殷鵬飛

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