单壁碳纳米管纤维的连续制备、结构和性能研究

单壁碳纳米管的电学性质和力学性质均优于多壁碳纳米管，但是由于工艺上的困难，连续制备单壁碳纳米管纤维至今仍是一个艰巨的挑战。本申请项目拟以已具有的高导电、高力学强度单壁碳纳米管薄膜的制备工艺条件为基础，探索调控类似气凝胶拉丝法的实验参数来连续制备纯单壁碳纳米管纤维，同时尝试另辟蹊径，开辟其它有效的、低成本、易扩量化的制备途径。建立连续制备单壁碳纳米管纤维的方法，设计工艺和实验装置。制备出连续单壁碳纳米管纤维及其复合纤维。研究区别于多壁碳纳米管纤维的单壁碳纳米管（束）长度、直径、碳管束之间耦合的强度等参数对纤维力学性能的影响，进而阐明个体碳管的性质传递到宏观纤维结构的效率。研究复合纤维界面的结构、界面耦合性质、尺寸效应、取向效应、单壁碳纳米管的含量等因素对复合纤维的物理性质、力学性能的影响，进而揭示单壁碳纳米管复合纤维具有的功能特性和潜在应用价值。

尽管人们对碳纳米管这个最有前途的材料的研究已经持续了二十多年，然而，目前商用碳纳米管主体还是粉末状原料。由于工艺上的困难，连续制备单壁碳纳米管纤维至今仍是一个艰巨的挑战。这种现状严重阻碍了碳纳米管纤维的研发和产业化的进程。本项目的特点是集中大量的时间在探索实验方法和建立实验装置上。我们在尝试建立实验方法的过程中，将得到的各种形态的单壁碳纳米管产物进行结构表征和性能研究，这不但有益于了解单壁碳纳米管从气相生长到形成纤维的过程和机制，同时拓展了相关研究内容，而且其研究过程和方法对理解一维碳纳米管纤维的物理现象和本质很有必要，从而加速了碳纳米管纤维的结构、性能和应用基础研究。通过四年的努力，我们逐个攻克难点，取得了重要突破，成功建立了高效、低成本、易规模化连续制备单壁碳纳米管纤维的方法，并设计工艺和搭建了相应的两套实验装置，实现了单壁碳纳米管纤维的连续制备。. 研究工作按照项目计划书进行。我们克服实验上的困难，圆满完成了预期研究计划。重点研究了单壁碳纳米管从气相生长到凝聚成纤维的过程和机制，这对能否形成连续纤维并且确定牵引的位置和工艺参数的设置至关重要。在从单壁碳纳米管生长到凝聚形成纤维再到连续纤维收集的各个实验过程的全程匹配等研究难点和关键科学技术问题上下功夫，包括设计微机械工艺，牵引位置、方式、速率等均需要适时配合纤维生长过程和速率，这也是能否实现连续制备单壁碳纳米管纤维的关键。实现了各个实验过程的匹配和优化，得到了稳定性和重复性佳的工艺条件。探索出原位和非原位均匀相与非均匀相的单壁碳纳米管/聚合物复合纤维的制备工艺，研究了其对复合纤维物理化学性质和力学性质的影响。揭示了各种纤维的功能特性和潜在应用价值。取得若干重要进展。. 通过本项目实施，培养博士毕业生3名，硕士毕业生3名；在研研究生5名，其中即将毕业博士生3名、硕士生1名。在重要学术刊物上已发表SCI收录论文17篇，其中应邀撰写综述2篇。发表在影响因子为6.0以上刊物的论文共12篇，占已发表论文数的70.59%，其中有7篇论文发表在影响因子大于10的学术期刊上，占已发表论文数的41.18%。在国际国内学术会议作邀请报告4人次。申请发明专利7项，其中，申请中国发明专利5项，另已授权中国发明专利1项，申请美国发明专利1项。