苏州大学等《Cabron》：碳纳米管/石墨烯复合纤维，用于智能纺织品

成果简介

碳纳米管（CNTs）是制造新型高性能纤维的基本结构单元候选材料之一。然而，碳纳米管纤维（CNTFs）的力学性能远低于单根碳纳米管。本文，苏州大学张岩 教授、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所胡东梅研究员、Zhengqiang Lv等在《Carbon》期刊发表名为“Construction of carbon nanotube/graphene composite fibers with excellent dynamic mechanical properties”的论文，研究开发了一种可控合成碳纳米管/石墨烯复合纤维（G/CNTFs）的合成路线。

通过浸渍和辅助拉伸处理，利用石墨烯/氯磺酸（G/CSA）分散液制备了致密且高度取向的石墨烯/碳纳米管复合纤维（G/CNTFs），其具有高强度和高能量吸收能力。小直径高品质石墨烯可将碳纳米管（CNT）管束相互交联，在纤维断裂时阻止裂纹扩展，并赋予纤维在高应变率下高强度（3.05 GPa）和高能量吸收能力（109.6 MJ m-3）。G/CNTFs的柔韧性，结合石墨烯桥接CNT束的高强度、能量吸收能力和导电性（2.14×10⁶ S/m），使其成为智能纺织品和抗冲击纺织材料的有力候选材料。

图文导读

图1. (a) Preparation process diagram of G/CNTFs. (b) Schematic diagram of the mini-SHTB experiment.

图2. (a) SEM image of the surface of Pristine. (b, c) SEM image of the cross-sections of Pristine. (d) SEM image of the surface of C/CNTFs. (e, f) SEM image of the cross-sections of C/CNTF. (g) SEM image showing the surface of G/CNTFs. (h, i) SEM image of the cross-sections of G/CNTF. (j) Raman spectra of Pristine, C60-50 and G60-50 recorded when fibers are parallel (∥) or perpendicular (⊥) to the polarization direction of the laser beam. (k) Raman spectrum of Pristine, C60-50 and G60-50. (l) TGA curves of Pristine, C60-50 and G60-50.

图7、(a-d) The damage images of Pristine at different strain rates. (e-h) The damage images of G60-50 at different strain rates. (i) The tensile fracture mechanism of two different fibers. (j) Comparison of dynamic tensile properties of G/CNTFs with various fibers reported in existing literature.

图8、(a) Conductivity of Pristine and G/CNTFs. (b) Thermal conductivity of G/CNTFs. (c) Infrared thermography of G/CNTFs at 4 V. (d) Plain fabrics woven using G/CNTFs. (e) Electromagnetic shielding value of fabric.

小结

本研究提出了一种制备G/CNTFs的简便方法，该方法通过将碳纳米管（CNTs）浸泡在G/CSA分散液中并进行湿拉伸处理来实现。将小尺寸高品质石墨烯引入CNTFs中，并利用石墨烯交联的CNT束结构，在束间提高载荷传递效率的同时，抑制纤维断裂时的裂纹扩展，从而提升CNTFs的力学性能。采用SHTB技术测量了复合纤维在应变率范围为0.0016至2044 s-1时的动态拉伸力学性能。结果表明，经过上述制备处理及石墨烯的交联作用后，G/CNTFs具备了高强度（3.05 GPa）、高能量吸收值（109.6 MJ m-3）及高导电性（2.14×106 S/m）。此外，G/CNTFs还可编织成平纹织物，具有超高的柔韧性和优异的电磁屏蔽性能，在抗冲击纺织材料领域具有广阔的应用前景。

文献：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2025.120632