【摘 要】
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近年来,碳纳米管(CNT)纤维由于其优异力学性能、极高的柔软性、轻量化特性以及较高的电导率,具有成为下一代新型导体材料的极大潜在价值,从而受到国内外研究学者的广泛关注。并且在多个领域已经得到应用,例如,传感器,超级电容器,热电材料等。但由于纤维中CNT范德华力相互作用弱、电子和声子在碳纳米管之间的显著散射等原因,其电导率与纯金属还有一定距离,在航天航空、高铁、智能可穿戴等领域的应用受限,因此如何提
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近年来,碳纳米管(CNT)纤维由于其优异力学性能、极高的柔软性、轻量化特性以及较高的电导率,具有成为下一代新型导体材料的极大潜在价值,从而受到国内外研究学者的广泛关注。并且在多个领域已经得到应用,例如,传感器,超级电容器,热电材料等。但由于纤维中CNT范德华力相互作用弱、电子和声子在碳纳米管之间的显著散射等原因,其电导率与纯金属还有一定距离,在航天航空、高铁、智能可穿戴等领域的应用受限,因此如何提高其电导率成为了研究的重点和难点。本文用一种新的工艺方法,无电沉积法(ELD),将传统的金属材料和碳纳米管纤维进行复合。ELD是一种在柔性和可拉伸基底上制备高质量金属结构的常用方法,广泛应用于柔性电子产品等领域。由于ELD不需要特殊的设备和仪器,可以对纤维状基底进行大批量的制备,因此具有工业化生产的巨大潜在价值。为了提高复合纤维的实用性和安全性,我们将具有耐高温以及高绝缘性等特点的聚酰亚胺(PI)包裹在金属-碳纳米管(Metal-CNT)纤维的表面,制备了类似于电线电缆或漆包线的新型复合纤维。此种复合纤维在具有接近纯金属电导率的同时,还具有极佳的柔软性和轻质等特性。因此可作为智能可穿戴器件的导电材料,在本实验中我们通过缝制的简单方式,将此纤维整合至织物上形成线圈状纹路,这种线圈可以作为无线充电线圈为智能可穿戴电子产品解决持续供电问题。论文的主要内容和创新点如下:(1)利用ELD工艺在CNT纤维上镀了铜(Cu)、镍(Ni)、银(Ag)三种金属,探究了三种复合纤维的电学和力学性能,其中Cu-CNT纤维的综合性能更佳,更适合用来对CNT纤维进行改性。然后探究了退火以及纤维细度对Cu-CNT纤维的影响,其中在最佳的退火温度(300℃)时,其电导率提高了 42%,并且抗氧化能力得到极大地提升。随着原始CNT纤维直径的减小,其复合纤维的力学和电学性能逐渐增大,当纤维的直径为10 μm时,电导率和断裂强度分别为1.10×107S m-1和487.9MPa。(2)采用二步法制备了聚酰亚胺-铜-碳纳米管(PI-Cu-CNT)纤维和作为参比样的PI漆膜,首先制备了不同粘度的聚酰胺酸(PAA)溶液,包覆至Cu-CNT纤维后进行热亚胺化处理。其中PI漆膜具有极佳的绝缘性和疏水性,赋予了 Cu-CNT纤维同样的优异性能,极大地提高了其使用的安全性。而且此种复合纤维在弯折实验中展示了极其优异的抗弯折性能和柔软性能。(3)将PI-Cu-CNT纤维通过缝制的方式整合至服装上形成无线充电线圈,此种线圈具有极佳的安全性能、柔软性、稳定性、轻质和耐水洗性,展示了其在可穿戴电子器件领域所具有的极大潜在利用价值。
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