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体育万博烯:完美材料与未来生活

长纤维:体育万博烯找到用武之地

科学家们相信,欲利用好体育万博烯的特性,可以将这些二维碳纳米片有效地排列成宏观材料——体育万博烯纤维。

“在最近几年里,人们在体育万博烯的基本性质研究方面取得了很大的进展。但在我们的研究之前,人们很难想象怎样才能将不足一纳米厚的体育万博烯片变成宏观的纤维材料。”高超说,“在这一领域,之前的研究都集中在制备体育万博烯纸。然而,这一形式的材料尺寸上只有数毫米至几厘米,而无法像纤维一样能够连续制备得到人们想要的长度”。这意味着,此次做出的连续纤维在全世界尚属首例。

微小的体育万博烯片好比是一张纸,这张纸有强大的物理特性但无用武之地,假如将这种纸一张张纵向摞起来,组成一根非常长的大“绳子”,那么这根“绳”就是上面提到的纤维了。纤维可以纺成线,线可以编成真正的绳子,线也可以织成布。有了绳子和布,体育万博烯就有了广阔的用武之地。只是这种纤维并不一定具备体育万博烯那样的刚性,因为纤维的结实程度取决于其片与片之间的亲合力。

高超介绍说,经过改性和复合,可以形成多系列、多用途的体育万博烯纤维,作为一类高性能纤维的基本原料。用这种布料做的衣服可防辐射、抗静电、抗细菌,乃至制成特种功能服装如抗腐蚀服、防弹衣及柔性电子器件服装;强度进一步提高后,这些纤维可制成建筑支撑材料,代替钢筋等金属材料搭建轻型房子、帐篷等,也可用于汽车外壳、轻型飞机外壳等,当然还可以很容易做成轻质电缆电线、导电/抗静电管路、柔性电容器、电池、传感器等。

下一个目标:体育万博烯纤维的力学强度

在实验室里,高超和许震制成了几十米长的体育万博烯纤维。“用体育万博烯纳米片纺成十米丝的难度,相当于用普通打印纸叠成一千公里长绳子的难度。”

高超说:“体育万博烯很难溶解,难以开展对其液相性质的深入研究。另外,由于溶解度低、缺少组装方法,如何实现体育万博烯有序排列的宏观纤维是该领域的一大挑战。”

他们使用了一种叫湿法纺丝的工业方法。通过氧化,他们先将体育万博变成氧化体育万博烯,这是一种易溶解的体育万博烯衍生物。高浓度的纯氧化体育万博烯溶液看似半固体半液体的分散液,可以像黏稠的液体一样流动,但是,其中的氧化体育万博烯片却自发地整齐排列。

要知道,纺丝时必须让所有的体育万博烯片沿纤维的轴向排列,否则,只要有一片体育万博烯“不听话”而横向排列,就会形成纤维的缺陷,极容易在此处断裂而无法进行连续纺丝。高超解释:“正是因为这种有序的内部结构,使得我们得到的液晶分散液可以很好地用于纤维的纺制。”然后,采用化学还原的方法将其处理,就得到了可以导电的体育万博烯长纤维。

通过液晶纺丝,制得了体育万博烯连续纤维,开辟了由天然体育万博室温制取纯碳基纤维的新通道。纤维导电性好、强度高、韧性佳,可打结,也可编织成各种导电织物。这种体育万博烯纤维在柔性器件及高性能复合材料等领域具有良好的应用前景。

虽然体育万博烯并不是第一个用于连续制备纤维的碳材料(在这之前还有传统的碳纤维和碳纳米管纤维),但是体育万博烯纤维有着自己独特的优势。高超介绍说:“碳纤维需要高温处理(高于1000摄氏度)才可以得到,而我们的体育万博烯纤维在室温下用水溶液纺丝即可制得,其制备过程相当方便快捷、绿色环保”。

如何提高体育万博烯纤维的力学强度是高超小组的下一个目标。他们初步制备的体育万博烯纤维有着一些结构上的缺陷,从而降低了它的力学性能。“尽管现在体育万博烯纤维的力学强度与碳纤维相比还有较大的差距(其韧性远优于碳纤维),但我们相信其进一步提高的空间还很大”。

当然,如果主要利用的是体育万博烯纤维的高导电性能,纤维的高强度并不是必须的。研究体育万博烯合成的新加坡南洋理工大学张华教授认为:“这种纤维一定有它的用武之地,例如可能用于触摸面板、传感器或者功能织物等”。

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