碳納米管功能材料()是將納米科學和納米技術(shù)轉(zhuǎn)化為實際應用的一個重要研究領域，在科學、技術(shù)和工程領域具有潛在的影響。

文章綜述了的最新研究進展和應用前景，突出了關鍵問題和未來的挑戰(zhàn)。重點研究了宏觀長纖維、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)和應用有關的關鍵問題，如在機械和電子設備、先進的能量轉(zhuǎn)換和存儲系統(tǒng)以及環(huán)境領域中作為堅固的導電骨架或高性能柔性電極的應用。最后，為克服目前的障礙和促進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

碳納米管具有大長徑比的一維結(jié)構(gòu)，可以紡成與傳統(tǒng)棉線相似的長連續(xù)纖維。最吸引人的特性是，CNT纖維集成了優(yōu)良的機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，通過化學氣相沉積(CVD)、溶液擠壓或超對齊陣列干紡絲等工藝，已經(jīng)實現(xiàn)了長度可達公里的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，將未來的應用從結(jié)構(gòu)材料擴展到能源、環(huán)境、電子設備和智能紡織品等廣泛領域。最有前景的兩個方向可能是:(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。為此，許多研究集中在工程微結(jié)構(gòu)，提高強度和電導率，以及探索優(yōu)化的器件配置和性能。

圖文解析

表1. CNT纖維基材料的應用:目前的競爭材料和研究方向

圖1. 增強導電多功能碳納米管纖維及納米復合材料。(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散。

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

圖3. CNT纖維為基礎的柔性能源裝置。(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)它們對應的結(jié)構(gòu)工程，(c)應用前景廣闊

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

圖6. 三維CNT組件和復合材料示意圖: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組件和復合材料的典型應用。(a)環(huán)境應用 (b)機電設備、柔性導體和電磁干擾屏蔽 (c)熱電應用程序 (d)電催化作用的應用程序 (e)電化學儲能和后發(fā)電系統(tǒng)。

表2. 3D CNT組件和復合材料()應用:目前的競爭材料和研究方向

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)的的特點和最新研究進展，并討論了在各個領域的實際應用面臨的挑戰(zhàn)和可能的解決方案。

機械相關應用和CNT材料方法。未來的研究包括高性能(如強度、電導率和熱傳導率)CNT纖維和多功能增強納米復合材料。如前所述，機械致密化(如收縮和軋制)、聚合物滲透(碳化)和最近的金屬封裝(隨后是熱擴散)是進一步改善纖維性能的有效方法。超長無缺陷碳納米管如果能夠大規(guī)模生產(chǎn)，將導致具有額外普通力學性能(例如極高的強度、韌性和抗疲勞性能)的先進纖維材料。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合材料的潛在內(nèi)置框架，具有增強界面/基體和高導電性。多層碳納米管纖維(如扭曲、盤繞和滲透)及其拉伸/扭轉(zhuǎn)致動器可以擴展其在能源收集和熱制冷方面的應用。在纖維、紡織品和3D多孔網(wǎng)絡/復合材料的基礎上，可以開發(fā)出多種功能系統(tǒng)，還可以提高可穿戴設備的靈活性和抗疲勞能力，或增強電池電極的面積/體積容量。

電子，光電子，熱電應用， CNT材料方法。網(wǎng)狀自立式CNT薄膜是作為機械堅固，但高柔性，耐腐蝕，透明導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)(如定向或隨機網(wǎng)絡)，形成一維/二維雜化復合材料(如碳納米管/石墨烯和碳納米管/ MoS2)，可以進一步提高碳納米管的導電性能和透明度。晶片規(guī)模的高純度和高密度半導體 CNT晶體管和集成電路最近已經(jīng)實現(xiàn)，在低成本的可擴展生產(chǎn)(通過直接增長或后組裝路線)高性能CNT器件將有更多的進展。此外，碳納米管薄膜的互連多孔結(jié)構(gòu)和三維網(wǎng)絡導致高導電性但很低的熱導率。這一特點為開發(fā)太陽能蒸汽發(fā)電系統(tǒng)帶來了機遇，該系統(tǒng)具有更好的光吸收、水運輸和隔熱性能，以及熱電裝置具有更強的優(yōu)點。將碳納米管與傳統(tǒng)半導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。

電化學催化和能量存儲應用以及CNT材料方法。3D碳納米管網(wǎng)絡(如海綿)在電化學應用方面具有獨特的優(yōu)勢，因為它們具有高導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)、機穩(wěn)定性和作為獨立柔性電極的潛力。3D碳納米管網(wǎng)絡可直接應用于各種電化學系統(tǒng)，包括電催化、超級電容器、金屬離子電池和下一代金屬?S/?空氣電池，或作為陰極和陽極的導電框架。三維多孔碳納米管網(wǎng)絡作為陰極，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合材料。與傳統(tǒng)的鋰箔相比，復合陽極可以通過將鋰滲透到三維碳納米管網(wǎng)絡中來設計，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合電極，大幅提高了電化學系統(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材料實用應用的安全問題。提到的實際應用(如在可穿戴設備上)，納米毒性和電化學安全應受到高度關注。一方面，碳納米管于2020年被作為一個整體加入到SIN(“立即替換”)清單中。另一方面，僅某些類型的長而剛性的CNTs（純度> 55％的，直徑小于2 nm，長度5-15μm和-7）被國際癌癥研究機構(gòu)（IARC）歸類為“可疑致癌物”。實際上，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)。對于那些有潛在風險的碳納米管，適當?shù)幕瘜W功能化可以減少其危害。我們還強調(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試劑具有化學穩(wěn)定性和惰性。綜上所述，具有廣泛的應用基礎，但應避免過度接觸，并采取適當?shù)谋Ｗo措施，以確保安全。和相關技術(shù)為改變我們的生活和社會提供了巨大的潛力，未來存在著巨大的機遇。

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