碳納米管螺旋纖維的可控制備及應(yīng)用研究.pdf

1、碳納米管纖維是由大量碳納米管自組裝形成的一維宏觀體結(jié)構(gòu)，具有輕質(zhì)、柔性、高強度、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、可編織等特點，在多功能纖維、功能復(fù)合材料、傳感、能源材料及柔性可穿戴器件等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。常規(guī)的碳納米管纖維采用直接生長、液態(tài)紡絲、氣凝膠紡絲、陣列抽絲等方法合成，一般為直絲形態(tài)。該結(jié)構(gòu)纖維在拉伸過程中，碳納米管易互相滑脫造成不可逆的塑性變形，使得纖維不能彈性回復(fù)。此外，直纖維斷裂應(yīng)變也比較低（<10％），限制了其作為傳感器的應(yīng)用。本論文

2、通過可控的紡絲方法，對纖維結(jié)構(gòu)進行調(diào)控，首次制備了含有密排微觀螺旋結(jié)構(gòu)、長程有序的單壁碳納米管纖維，發(fā)現(xiàn)其具有超大應(yīng)變拉伸、彈性回復(fù)等獨特性能。基于這種螺旋纖維，制備了應(yīng)變傳感器、旋轉(zhuǎn)致動器和人造肌肉等器件，以及可任意變形、抗疲勞的全固態(tài)纖維型超級電容器。實驗結(jié)果表明，碳納米管螺旋纖維是一種新型的碳納米管自組裝結(jié)構(gòu)，具有常規(guī)直纖維難以獲得的力學(xué)特性，且在力學(xué)、電學(xué)、能源等領(lǐng)域都有潛在的應(yīng)用。
　　利用化學(xué)氣相沉積直接合成的大面積單

3、壁碳納米管薄膜，采用傳統(tǒng)的紡絲方法，通過過扭制備了碳納米管螺旋纖維。纖維上的螺旋均勻密排，數(shù)量和螺距可控。通過控制過扭度，獲得了單螺旋、雙螺旋以及復(fù)雜螺旋等一系列結(jié)構(gòu)。測試了力學(xué)性能并研究了形變機制，在拉伸應(yīng)力下螺旋互相分開，并被拉直，從而產(chǎn)生大的應(yīng)變。發(fā)現(xiàn)單螺旋的拉伸應(yīng)變可達285%，在一定應(yīng)變范圍內(nèi)能夠彈性回復(fù)，且電阻隨應(yīng)變呈有規(guī)律的變化；發(fā)現(xiàn)雙螺旋具有兩次斷裂的特性，其中的兩根單螺旋總是一前一后斷裂，且斷裂應(yīng)變相差較大；發(fā)現(xiàn)復(fù)雜螺

4、旋在拉伸的過程中其螺旋解開和回復(fù)的位置不變，且過程可逆。
　　探索了螺旋纖維在傳感器和致動器方面的應(yīng)用。利用復(fù)雜螺旋中儲存的大量扭轉(zhuǎn)，制備了超大應(yīng)變傳感器，在500%的應(yīng)變范圍內(nèi)電阻呈規(guī)律變化。同時，利用重物的拉力解開復(fù)雜螺旋，釋放扭轉(zhuǎn)，使得碳納米管螺旋纖維能夠帶動自身重量30000倍的重物高速旋轉(zhuǎn)，并重復(fù)使用。將相變材料石蠟灌注到纖維的孔隙內(nèi)，制備了碳納米管-石蠟復(fù)合螺旋纖維，能夠像人造肌肉一樣在電致驅(qū)動下實現(xiàn)收縮、形狀改變、纏

5、繞等各種動作。其中，施加較小的電壓（1-2 V），處于拉伸狀態(tài)的復(fù)合螺旋纖維能夠產(chǎn)生大應(yīng)變（90%）的軸向收縮，遠高于基于碳納米管直纖維的人造肌肉所產(chǎn)生的收縮應(yīng)變。
　　利用碳納米管螺旋纖維作為柔性可拉伸電極，制備了全固態(tài)、不依賴任何基底材料的纖維型超級電容器，可在150%的拉伸應(yīng)變下正常工作，遠高于其它依附在有機物基底上的碳納米管薄膜或纖維超級電容器的拉伸范圍。在碳納米管表面負載贗電容材料聚吡咯，將電極的比電容提升了近4倍。螺旋