碳納米管功能材料()是將納米科學(xué)和納米技術(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，在科學(xué)、技術(shù)和工程領(lǐng)域具有潛在的影響。

文章綜述了的最新研究進(jìn)展和應(yīng)用前景，突出了關(guān)鍵問題和未來(lái)的挑戰(zhàn)。重點(diǎn)研究了宏觀長(zhǎng)纖維、薄膜、塊狀海綿等不同尺寸、特征明顯的典型，并涵蓋了多種衍生復(fù)合/分層材料。本文還特別討論了與它們的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和應(yīng)用有關(guān)的關(guān)鍵問題，如在機(jī)械和電子設(shè)備、先進(jìn)的能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)系統(tǒng)以及環(huán)境領(lǐng)域中作為堅(jiān)固的導(dǎo)電骨架或高性能柔性電極的應(yīng)用。最后，為克服目前的障礙和促進(jìn)今后的工作提出了可能的解決方案和方向。

CNT纖維基功能材料:現(xiàn)狀與展望

碳納米管具有大長(zhǎng)徑比的一維結(jié)構(gòu)，可以紡成與傳統(tǒng)棉線相似的長(zhǎng)連續(xù)纖維。最吸引人的特性是，CNT纖維集成了優(yōu)良的機(jī)械和電氣性能以及優(yōu)越的柔韌性，而傳統(tǒng)的聚合物或碳纖維通常只有一或兩種這些性能。目前，通過化學(xué)氣相沉積(CVD)、溶液擠壓或超對(duì)齊陣列干紡絲等工藝，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)度可達(dá)公里的CNT纖維的連續(xù)大規(guī)模制備。此外，具有大表面積的CNT組裝結(jié)構(gòu)使制備功能器件成為可能，將未來(lái)的應(yīng)用從結(jié)構(gòu)材料擴(kuò)展到能源、環(huán)境、電子設(shè)備和智能紡織品等廣泛領(lǐng)域。最有前景的兩個(gè)方向可能是:(1)以碳納米管纖維為主要骨架(像碳纖維一樣;見表1）(2)纖維形狀的功能材料和器件，將是柔性和可編織的，用于傳感器和執(zhí)行器，以及能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)。為此，許多研究集中在工程微結(jié)構(gòu)，提高強(qiáng)度和電導(dǎo)率，以及探索優(yōu)化的器件配置和性能。

圖文解析

表1. CNT纖維基材料的應(yīng)用:目前的競(jìng)爭(zhēng)材料和研究方向

圖1. 增強(qiáng)導(dǎo)電多功能碳納米管纖維及納米復(fù)合材料。(a) CNT纖維的軋制和致密化。(b) CNT纖維的聚合物滲透和碳化。(c) CNT纖維的金屬包覆與擴(kuò)散。

圖2. CNT纖維傳感器和執(zhí)行器。應(yīng)變、溫度、液體和氣體傳感器。(b)拉伸和扭轉(zhuǎn)執(zhí)行器。(c)能源收割機(jī)和冷藏設(shè)備。

圖3. CNT纖維為基礎(chǔ)的柔性能源裝置。(a)在CNT纖維上裝載活性材料。(b) CNT纖維基LED、超級(jí)電容器、鋰離子電池和其他電池。(c)基于CNT纖維的可拉伸分層電極。

圖4.(a)碳納米管膜的結(jié)構(gòu)特征示意圖，包括隨機(jī)碳納米管、定向碳納米管和基于碳納米管的雜化膜，(b)它們對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)工程，(c)應(yīng)用前景廣闊

圖5. (a, b)隨機(jī)碳納米管薄膜的合成方法及熱點(diǎn)應(yīng)用。(c, d)定向CNT薄膜的合成方法及熱點(diǎn)應(yīng)用。(e, f) CNT基雜化膜的合成方法及應(yīng)用熱點(diǎn)。

圖6. 三維CNT組件和復(fù)合材料示意圖:其制造方法和結(jié)構(gòu)(內(nèi)圓)和典型的結(jié)構(gòu)工程策略(外圓)。

圖7. 三維CNT組件和復(fù)合材料的典型應(yīng)用。(a)環(huán)境應(yīng)用 (b)機(jī)電設(shè)備、柔性導(dǎo)體和電磁干擾屏蔽 (c)熱電應(yīng)用程序 (d)電催化作用的應(yīng)用程序 (e)電化學(xué)儲(chǔ)能和后發(fā)電系統(tǒng)。

表2. 3D CNT組件和復(fù)合材料()應(yīng)用:目前的競(jìng)爭(zhēng)材料和研究方向

本文綜述了基于一維到三維結(jié)構(gòu)(纖維、薄膜和陣列/海綿)的的特點(diǎn)和最新研究進(jìn)展，并討論了在各個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)和可能的解決方案。

機(jī)械相關(guān)應(yīng)用和CNT材料方法。未來(lái)的研究包括高性能(如強(qiáng)度、電導(dǎo)率和熱傳導(dǎo)率)CNT纖維和多功能增強(qiáng)納米復(fù)合材料。如前所述，機(jī)械致密化(如收縮和軋制)、聚合物滲透(碳化)和最近的金屬封裝(隨后是熱擴(kuò)散)是進(jìn)一步改善纖維性能的有效方法。超長(zhǎng)無(wú)缺陷碳納米管如果能夠大規(guī)模生產(chǎn)，將導(dǎo)致具有額外普通力學(xué)性能(例如極高的強(qiáng)度、韌性和抗疲勞性能)的先進(jìn)纖維材料。此外，3D多孔CNT海綿、CNT海綿/碳纖維多尺度結(jié)構(gòu)，甚至CNT海綿/CNT纖維結(jié)構(gòu)都是制備多功能碳納米復(fù)合材料的潛在內(nèi)置框架，具有增強(qiáng)界面/基體和高導(dǎo)電性。多層碳納米管纖維(如扭曲、盤繞和滲透)及其拉伸/扭轉(zhuǎn)致動(dòng)器可以擴(kuò)展其在能源收集和熱制冷方面的應(yīng)用。在纖維、紡織品和3D多孔網(wǎng)絡(luò)/復(fù)合材料的基礎(chǔ)上，可以開發(fā)出多種功能系統(tǒng)，還可以提高可穿戴設(shè)備的靈活性和抗疲勞能力，或增強(qiáng)電池電極的面積/體積容量。

電子，光電子，熱電應(yīng)用， CNT材料方法。網(wǎng)狀自立式CNT薄膜是作為機(jī)械堅(jiān)固，但高柔性，耐腐蝕，透明導(dǎo)電電極的理想候選人，用于各種電子和光電子取代ITO和金屬基電極。通過摻入碳納米管，調(diào)整微觀結(jié)構(gòu)(如定向或隨機(jī)網(wǎng)絡(luò))，形成一維/二維雜化復(fù)合材料(如碳納米管/石墨烯和碳納米管/ MoS2)，可以進(jìn)一步提高碳納米管的導(dǎo)電性能和透明度。晶片規(guī)模的高純度和高密度半導(dǎo)體 CNT晶體管和集成電路最近已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，在低成本的可擴(kuò)展生產(chǎn)(通過直接增長(zhǎng)或后組裝路線)高性能CNT器件將有更多的進(jìn)展。此外，碳納米管薄膜的互連多孔結(jié)構(gòu)和三維網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致高導(dǎo)電性但很低的熱導(dǎo)率。這一特點(diǎn)為開發(fā)太陽(yáng)能蒸汽發(fā)電系統(tǒng)帶來(lái)了機(jī)遇，該系統(tǒng)具有更好的光吸收、水運(yùn)輸和隔熱性能，以及熱電裝置具有更強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。將碳納米管與傳統(tǒng)半導(dǎo)體和許多新興二維材料相結(jié)合，探索混合維范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)和下一代光電子器件的物理性質(zhì)也將是非常有趣的。

電化學(xué)催化和能量存儲(chǔ)應(yīng)用以及CNT材料方法。3D碳納米管網(wǎng)絡(luò)(如海綿)在電化學(xué)應(yīng)用方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈兙哂懈邔?dǎo)電性的電子傳輸路徑、用于離子傳輸和電解質(zhì)/氣體通道的分層多孔結(jié)構(gòu)、機(jī)穩(wěn)定性和作為獨(dú)立柔性電極的潛力。3D碳納米管網(wǎng)絡(luò)可直接應(yīng)用于各種電化學(xué)系統(tǒng)，包括電催化、超級(jí)電容器、金屬離子電池和下一代金屬?S/?空氣電池，或作為陰極和陽(yáng)極的導(dǎo)電框架。三維多孔碳納米管網(wǎng)絡(luò)作為陰極，適合接枝活性材料構(gòu)建具有定制微結(jié)構(gòu)、可容納放電產(chǎn)物和電極體積變化的雜化復(fù)合材料。與傳統(tǒng)的鋰箔相比，復(fù)合陽(yáng)極可以通過將鋰滲透到三維碳納米管網(wǎng)絡(luò)中來(lái)設(shè)計(jì)，有望克服樹枝晶形成和粉碎等重大挑戰(zhàn)。這些策略利用了高多孔和分層的三維碳納米管復(fù)合電極，大幅提高了電化學(xué)系統(tǒng)的整體性能，包括比容量、速率能力、循環(huán)穩(wěn)定性、可靠性和安全性。此外，高柔韌性和導(dǎo)電性的碳納米管纖維和薄膜可以構(gòu)建成智能紡織品和可穿戴電源系統(tǒng)。

CNT材料實(shí)用應(yīng)用的安全問題。提到的實(shí)際應(yīng)用(如在可穿戴設(shè)備上)，納米毒性和電化學(xué)安全應(yīng)受到高度關(guān)注。一方面，碳納米管于2020年被作為一個(gè)整體加入到SIN(“立即替換”)清單中。另一方面，僅某些類型的長(zhǎng)而剛性的CNTs（純度> 55％的，直徑小于2 nm，長(zhǎng)度5-15μm和-7）被國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)（IARC）歸類為“可疑致癌物”。實(shí)際上，CNTs是一類具有豐富多樣性的材料，大多數(shù)它們（尤其是短的和可溶的）沒有明顯的毒性證據(jù)。對(duì)于那些有潛在風(fēng)險(xiǎn)的碳納米管，適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)功能化可以減少其危害。我們還強(qiáng)調(diào)指出，上述宏觀1D，2D和3D組件中的CNTs通常被范德華相互作用緊密纏結(jié)，形成穩(wěn)定的整體結(jié)構(gòu)，即不容易脫落和被吸入，或穿透皮膚此外，在較寬的電壓范圍內(nèi)，碳納米管與溫和的化學(xué)試劑具有化學(xué)穩(wěn)定性和惰性。綜上所述，具有廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)，但應(yīng)避免過度接觸，并采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，以確保安全。和相關(guān)技術(shù)為改變我們的生活和社會(huì)提供了巨大的潛力，未來(lái)存在著巨大的機(jī)遇。

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