佛罗里达州立大学Advanced Electronic Materials：碳纳米管导体材料研究现状及未来发展方向综述

【引言】

航天活动对人类文明和社会进步的影响不言而喻。半个多世纪以来，以美国为首的航天强国不断将各种航天器载入太空，试图更进一步地揭开宇宙的“神秘面纱”。而美国去年提出“2024年前建成月球轨道基地、搭建地球与深空间的桥梁、开启国际‘深空门’”的雄心勃勃的目标，则正将深空探索（Deep Space Exploration）推向新的制高点。面对复杂、苛刻甚至未知的太空环境以及极高的空间发射成本，全新一代高性能材料（超强、超轻、稳定、多功能）的研发及应用无疑是深空探索技术发展的重要驱动力之一。其中，作为节约成本的关键，超强、超轻结构材料一直是该领域的研究热点，纵观材料界发展历史，不难发现近代频繁诞生的超强、超轻结构材料多数就是为航天技术而生，或首先在航天领域得到发展和应用。而随着深空探索迈向更深远、更多未知空间，也对超轻材料提出了更高的功能需求，其中，具有导热、导电等功能的非金属导体材料（non-metal conductors）材料，如碳纳米管导体材料（Carbon Nanotube (CNT) Conductors），成为该领域极具应用前景的新星。但目前这一领域的研究仍比较薄弱，除了材料本身存在导电、导热性能还无法完全与金属如铜、银等匹敌的缺陷外，已有报道对这一材料领域研究现状的总结和趋势的展望也缺乏系统梳理。

【成果简介】

近期，佛罗里达州立大学 (Florida State University) Songlin Zhang等在前期工作的基础上，大量总结近年来碳纳米管导体材料研究成果，系统、全面地梳理了碳纳米管导体材料的最新进展，包括制备方法、表征手段、导电机理和工程应用；指出了该领域的发展机遇和挑战，并对未来非金属导体材料 (non-metal conductors)的潜在研究方向给出了建议。该成果近日以“Carbon‐Nanotube‐Based Electrical Conductors: Fabrication, Optimization, and Applications”为主题发表在知名期刊Advanced Electronic Materials上。

【图文导读】

图一：碳纳米管导体材料的应用分类

（1）微观尺度应用，如X-ray发射源、扫描探针、药物释放系统等；

（2）宏观尺度应用，如电极材料、复合材料、电缆材料等。

图二：影响碳纳米管导体材料导电性能的因素

（1）本征因素，包括碳纳米管的长度、直径、手性和原子尺度结构及缺陷等；

（2）外在因素，包括杂质、取向度、堆叠结构以及接触电阻等。

图三：不同尺度下的结构与材料导电性能的关系

图四：近年报道的碳纳米管导体材料导电性能及与铜的比较

图五：碳纳米管导体材料的发展历史

（1）导电性能从10⁴S/m提高到10⁶S/m；

（2）样品尺寸逐步增大，使得工业化大批量使用成为可能；

（3）导电性能稳定性得到了较大提升。

图六：对碳纳米管导体材料性能优化的展望与总结

（a） 导电性能与密度关系对比图。碳纳米管导体材料明显优于其他导体材料包括传统金属导体材料如铜银等。

（b）导电性能、密度、以及力学强度的综合比较。碳纳米管导体材料远远胜于其他导体材料。

（更多图文解读，请查看原文）

【总结展望】

轻质碳纳米管导体材料将在未来的深空探索中起到举足轻重的作用，势将在诸多应用中替代传统金属导体材料，进一步节省空间探索成本。该综述从介绍碳纳米管导体材料的优势出发，全面归纳了碳纳米管导体材料的最新前沿进展（包括制备方法、性能表征、导电原理和最新应用研究），进而系统地指出了在不同尺度（从纳米尺度，到微米尺度，直至宏观尺度）上影响碳纳米管导体材料性能的综合因素，及其导电能力的优化与提高方法（包括如何提高碳纳米取向度、紧密排列程度、化学掺杂等）。总结得出后续研究的挑战主要包括：

（1）进一步优化碳纳米管导体材料的结构来提高其导电性能以期达到单根碳纳米管的优良性能；

（2）突破超高导电碳纳米管的制备方法以获得高性价比；

（3）提高碳纳米管导体材料在不同应用环境下的稳定性；

（4）大批量工业生产制造及其质量控制。

文献链接：

Carbon‐Nanotube‐Based Electrical Conductors: Fabrication, Optimization, and Applications(Adv. Electron. Mater. 2019, https://doi.org/10.1002/aelm.201800811)

个人主页：https://aclinzhang.wixsite.com/research

本文由佛罗里达州立大学 (Florida State University) Songlin Zhang供稿

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