碳纳米管制成的新型复合材料
2017-11-27 14:55:35
作者：本网整理 来源：材料科技在线
碳纳米管由于其独特的性能，成为众多应用的理想选择，但迄今为止，它们不能与其他材料充分结合，即使结合也失去其有益性能。科学家们已经开发了一种可替代结合的方法，并且保留了它们的特性。通过这种方法，他们“粘结”线状管成为一个稳定的三维网络。
在这个简单的过程中，水与碳纳米管混合并滴入高度多孔的白色陶瓷材料中。它像海绵一样吸收黑色液体。如果陶瓷支架被化学蚀刻掉，那么只留下细小的毛毡外套。由小管制成的毡状体由此互连形成大管状的网络。空腔可以填充聚合物制成导电和抗撕裂复合材料。
从超轻型电池到高性能塑料，再到医疗植入物，碳纳米管由于极轻、导电性好、比钢更稳定的性能，使其成为众多应用的理想选择。然而，迄今为止，科学和工业难以将其在纳米级的特性转化为功能性工业应用。碳纳米管要么不能与其他材料充分结合，要么它们可以结合，也会失去有益特性。Kiel大学（CAU）功能纳米材料工作组和Trento大学的科学家们现在已经开发出了一种替代方法，通过这种方法，可以将细管与其他材料结合起来，并且保持其特性。因此，他们将线状管“毡化”成能够承受极端外力的稳定的三维网络。研究成果现已发表在“自然通讯”杂志上。
为了充分利用轧制石墨烯的非凡特性，工业界和科学界正在深入研究直径小于100nm的碳管（碳纳米管，CNT），然而目前仍停留在理论层面。“虽然碳纳米管像纤维丝一样具有弹性，但它们也对变化非常敏感。”CAU功能纳米材料工作组负责人Rainer Adelung教授解释说：“以前尝试将它们与其他材料进行化学连接，但是它们的分子结构也发生了变化，这使得它们的性能变差，而且变化幅度很大。”
相反，Kiel and Trento研究小组的方法是基于一个简单的湿化学渗透过程。他们将碳纳米管与水混合并滴入由氧化锌制成的多孔的陶瓷材料中，其像海绵一样吸收液体。滴落的线状CNT附着在陶瓷支架上，同时自动形成一个稳定层，类似于毛毡。也可以说是陶瓷支架上涂有纳米管，这对于支架以及纳米管涂层都具有极好的效果。
一方面，陶瓷支架的稳定性大大增加，可以承受10万倍的自重。第一作者FabianSchütt总结道：“使用碳纳米管涂层，陶瓷材料可以承受大约7.5公斤，而没有碳纳米管涂层只能承受50克，就好像我们已经为它配备了一种由碳纳米管制成的贴身套头衫，为其提供了机械支撑。材料上的压力被碳纳米管毡的拉伸强度吸收，随之压缩力转化为拉伸力。”
其中蕴含的道理可以与竹制建筑相比较，比如在亚洲广泛流行的建筑。在这里，竹杆用一根简单的绳子紧紧地绑在一起，使用轻质材料就可以形成非常稳定的支架，甚至是整个建筑物。该出版物的共同作者HelgeKrüger说：“我们在纳米尺度上也是这样做的，碳纳米管线绕在陶瓷材料周围，只不过尺寸小很多。”
材料科学家证明了他们方法的另一个主要优势。在第二步中，他们通过使用化学蚀刻工艺溶解陶瓷支架，余下的就是一个良好的三维管网络，每个网络都由一层微小的碳纳米管组成。这样，研究人员就能够大大增加毛毡表面，从而创造更多的反应机会。Schütt解释说：“就好像我们将整个沙滩排球场表面积压紧成一厘米的立方体。” 三维结构内的巨大空腔可以填充聚合物，因此，碳纳米管可以与塑料机械连接，而不会改变其分子结构，从而改进其性能。Schütt表示：“我们可以使用碳纳米管制造一种导电复合材料，达到相同的导电率时，所需碳纳米管比通常数量少很多。”
应用范围从作为导电塑料中电池和过滤器技术的填充材料，到再生医疗植入物，再到传感器和纳米级电子元件。比如，抗撕裂材料的良好的导电性将来对于灵活的电子应用、功能性服装或医疗技术领域也可能是有意义的。Adelung说：“制造出一种能刺激骨骼或心脏细胞生长的塑料是有可能的。”由于其简单性，科学家们认为这一过程也可以转移到由其他纳米材料构成的网络结构，这将进一步扩大可能的应用范围。
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