2016年11月11日 星期五 09:15:33
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【原创】高导电碳纳米管复合纤维的制备方法

发表时间:2021/8/22

碳纳米管纤维具有优良的电学性能和易于自组装的优点,有成为高性能电缆线的潜力。但与金属(铜的电导率为5.8×107S/m)相比,由于其管间接触电阻过大、纤维内部结构缺陷(如局部缠结、致密化程度不匀)以及合成过程中的非晶态碳和芳香烃等杂质的影响,还达不到许多高端应用领域(航空航天、微电子器件等)对材料电导率的要求。因此开发及发展有效的复合纤维制备方法和技术以提升复合纤维的导电性,在提高纤维实用性中极其重要。


电沉积法和化学沉积法

电沉积法是指在沉积液中,碳纳米管纤维作为阴极,金属板作为阳极,接通电源后金属从化合物水溶液中沉积到纤维基底的方法。化学沉积法是指利用一种合适的还原剂使镀液中的金属离子还原并沉积在基体表面的化学还原过程。化学沉淀法对仪器设备依赖小,有批量化生产的可能,与电沉积法相比,该方法可获得致密均匀的镀层,也可用于不规则、不易接触的表面。


图 1 电沉积法制备碳纳米管复合纤维的相关研究及结果


磁控溅射法

磁控溅射法是指用磁控溅射仪将金属原子从金属靶上溅射出来,在电场力影响下沉积至碳纳米管纤维上的方法,也是物理气相沉淀法(PVD)的一种。


图2 磁控溅射法制备碳纳米管复合纤维的相关研究及结果


离子掺杂法

离子掺杂法是比较简单直接的方法,通过将碳纳米管纤维浸入掺杂剂中,用自然渗透或后处理的方式使离子进入纤维内部来提高其电学性能。


图 3 离子掺杂法制备碳纳米管复合纤维的相关研究及结果


提高碳纳米管纤维电学性能主要通过与金属粒子(铜、镍、银等)复合,但往往纤维电导率提高的同时金属层也会增加,进而影响复合纤维的断裂强度和断裂伸长。其中电沉积法和离子掺杂法工艺更为简单,前者由于装置限制无法进行大批量制备,而后者所能达到的电导率低于其他方法。用磁控溅射法所制备的金属层更加致密,复合纤维的电导率整体上更高,均匀度更好,解决仪器装置的限制是磁控溅射法发展的关键。化学沉积法由于无仪器装置方面的限制,复合纤维性能好,是目前唯一有望进行批量生产的方法,但其步骤较为复杂且成本较高。

根据文献调研,目前碳纳米管复合高导电纤维的生产主要需要解决如下几个问题:(1)金属层与碳纳米管基底的结合力弱;(2)金属层厚度(影响纤维电导率)与复合纤维强度间的平衡;(3)掺杂离子在纤维中的分散均匀性;(4)产业化生产的装置。随着对碳纳米管纤维加工-结构-性能关系研究的深入,新的加工工艺或改进方法有望解决相应问题,使碳纳米管纤维在航空航天、可穿戴智能产品等领域得到广泛应用。


更多内容,请关注《纺织导报》2021年第8期“碳纳米管纤维及其复合高导电纤维的研究进展”一文。