納米碳纖維的案例
【杜巴在線(xiàn)專(zhuān)家講座】中國(guó)科大實(shí)現(xiàn)由木材制備超細(xì)碳納米纖維氣凝膠
碳納米纖維材料因具有高的比表面、優(yōu)異的機(jī)械性能及高電導(dǎo)率等優(yōu)異的物理性質(zhì)而受到廣泛關(guān)注，在能源、催化、環(huán)境、聚合物等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。目前針對(duì)特定應(yīng)用的功能化碳納米纖維材料的理性設(shè)計(jì)合成及性能優(yōu)化，仍然是制約其實(shí)際應(yīng)用的瓶頸。特別是，廉價(jià)、宏量、可持續(xù)制備碳納米纖維氣凝膠尚未實(shí)現(xiàn)。
近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書(shū)宏研究團(tuán)隊(duì)提出了一種催化熱解的方法來(lái)改變木質(zhì)納米纖維素的熱解過(guò)程，首次以廉價(jià)的木材為原材料制備了高質(zhì)量的超細(xì)碳納米纖維氣凝膠材料，該成果以“Wood-Derived Ultrathin Carbon Nanofiber Aerogels”為題，發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》雜志上（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 7085-7090）。論文的第一作者是博士生李思成。
基于木質(zhì)納米纖維素制備超細(xì)碳納米纖維氣凝膠材料
纖維素材料廣泛存在于自然界的植物中，由于其廣泛的來(lái)源、低成本以及對(duì)環(huán)境的友好，木質(zhì)纖維素材料是一種理想的制備碳納米纖維氣凝膠的前驅(qū)物。但是，因?yàn)槟举|(zhì)纖維素納米纖維極小的尺寸使其在熱解制備碳纖維過(guò)程中劇烈收縮而無(wú)法保持纖維的形態(tài)，迄今為止尚沒(méi)有使用木材為原材料成功制備碳納米纖維氣凝膠的先例。為此，研究人員提出了一種催化熱解的方法，通過(guò)使用對(duì)甲苯磺酸催化木質(zhì)納米纖維素在熱解前期迅速脫水，并改變其熱解過(guò)程和中間產(chǎn)物，使得納米纖維素在熱解后具有高的碳產(chǎn)率的同時(shí)，還能夠保持很好的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。該催化熱解轉(zhuǎn)化方法可將廉價(jià)豐富的自然界中的前驅(qū)物材料轉(zhuǎn)化為高附加值的碳納米纖維材料，對(duì)于發(fā)展可再生材料的綠色化學(xué)合成具有指導(dǎo)意義。
由該方法制備的超細(xì)碳納米纖維平均直徑僅為6 nm, 具有很高的電導(dǎo)率（710.9 S m-1）和比表面積 (553~689 m2 g-1)。
展開(kāi) 新型碳納米管纖維：打造能為手機(jī)充電的智能衣服！
碳納米管將取代汽車(chē)和飛機(jī)中的銅線(xiàn)，減少重量并提升燃料效率。碳可用于過(guò)濾飲用水，并制成新型生物識(shí)別傳感器，告訴我們關(guān)于生命和身體的更多信息。
碳將取代滌綸和其他合成纖維。因?yàn)?em>碳納米管是地球上發(fā)現(xiàn)的最黑的物體，能吸收99.9%的可見(jiàn)光，所以你也許會(huì)說(shuō)碳是“新黑”（黑色在時(shí)尚圈是最經(jīng)典的顏色，所以某一年流行什么色，這個(gè)顏色就是“新黑”。），也就是說(shuō)，“碳”突然變得非常流行。
Schulz 表示：“過(guò)去，金屬是制造業(yè)的主要產(chǎn)品。但是，我認(rèn)為碳將在許多應(yīng)用中取代金屬。”他也表示：“未來(lái)將是碳的新時(shí)代，一場(chǎng)碳的革新。”
辛辛那提大學(xué)的研究人員通過(guò)“化學(xué)氣相淀積”工藝，在加熱的真空室中，從四分之一尺寸的硅晶圓上“生長(zhǎng)”出納米管。
工程師們?cè)谧仙杈A上生長(zhǎng)碳納米管
（圖片來(lái)源：辛辛那提大學(xué)）
Haase 表示：“每個(gè)粒子都有一個(gè)成核點(diǎn)。通俗點(diǎn)說(shuō)，我們稱(chēng)之為種子。含碳氣體被引入到反應(yīng)器中。當(dāng)碳氣體與‘種子’發(fā)生反應(yīng)時(shí)，它會(huì)分解并在表面重新形成。我們讓它生長(zhǎng)到想要的尺寸。”
研究人員幾乎采用了任何含碳的物質(zhì)，從乙醇到甲烷。Haase 表示：“我們記得有一個(gè)小組用女童軍餅干展示了他們的成果。只要它含碳，你就可以將它轉(zhuǎn)化為納米管。”
2007年，辛辛那提大學(xué)納米世界實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造了世界記錄，他們生長(zhǎng)出了可拉伸接近2厘米的碳納米管，是那時(shí)實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造出的最長(zhǎng)的碳納米管陣列。如今，實(shí)驗(yàn)室可以創(chuàng)造出的納米管要比它長(zhǎng)許多倍。
辛辛那提大學(xué)的研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)室中的工業(yè)線(xiàn)軸拉出這種微小的纖維方格。突然，這種微型碳薄片變成了一種紡線(xiàn)，類(lèi)似于蜘蛛的絲，可以被編進(jìn)織物中。
碳納米管纖維變成高強(qiáng)度的導(dǎo)線(xiàn)。
（圖片來(lái)源：辛辛那提大學(xué)）
像蜘蛛絲一樣，這種碳納米管纖維可以經(jīng)受得起拉伸。
展開(kāi) 清華大學(xué)Nature子刊：拉伸強(qiáng)度高達(dá)80 GPa的超強(qiáng)碳納米管管束
【引言】
超強(qiáng)纖維在很多高端領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用需求，如運(yùn)動(dòng)器材、防彈裝甲、飛機(jī)攔截索、航空航天等。而碳納米管（Carbon Nanotube, CNTs）是已知世界上最強(qiáng)的材料之一，其本征拉伸強(qiáng)度和楊氏模量分別高達(dá)100 GPa和1 TPa。盡管如此，卻遲遲無(wú)法實(shí)現(xiàn)美國(guó)航天局（NASA）在2005年發(fā)起的 “強(qiáng)力系繩挑戰(zhàn)”，該挑戰(zhàn)旨在尋找一種比強(qiáng)度高達(dá)7.5 GPa·cm3·g-1的繩索用于太空電梯。一般來(lái)說(shuō)，常規(guī)碳納米管纖維中單根碳納米管長(zhǎng)度僅有幾百微米，且含有大量結(jié)構(gòu)缺陷和雜質(zhì)，使得碳納米管纖維的拉伸強(qiáng)度只有0.5-8.8 GPa，遠(yuǎn)低于單一碳納米管的拉伸強(qiáng)度，產(chǎn)生這種情況的主要原因是在這些纖維中較短的碳納米管由于范德華相互作用而發(fā)生相互交聯(lián)或重疊。由于超長(zhǎng)碳納米管具有宏觀(guān)長(zhǎng)度（從厘米到分米）、清潔表面、完美結(jié)構(gòu)以及超平行排列等優(yōu)點(diǎn)，使其在制備纖維方面具有巨大優(yōu)勢(shì)。然而，由于制備超長(zhǎng)碳納米管的產(chǎn)率極低，因此，目前還未報(bào)道過(guò)使用其來(lái)組裝纖維，所以，超長(zhǎng)碳納米管纖維是否擁有與單一碳納米管同樣的強(qiáng)度還不得而知。由于超長(zhǎng)碳納米管纖維可控制備以及納米級(jí)微力測(cè)量的困難，目前對(duì)于超長(zhǎng)碳納米管纖維的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系以及一些結(jié)構(gòu)因素如組分、長(zhǎng)度和排列方式等如何影響纖維整體性能等問(wèn)題還缺乏深刻認(rèn)知。因此，對(duì)上述問(wèn)題展開(kāi)研究對(duì)于制備具有優(yōu)異力學(xué)性能的超長(zhǎng)碳納米管基纖維具有重要意義。
【成果簡(jiǎn)介】
近日，清華大學(xué)魏飛、張如范和李喜德教授（共同通訊作者）合作團(tuán)隊(duì)制備出一種超長(zhǎng)（厘米級(jí)）、無(wú)缺陷、拉伸強(qiáng)度高達(dá)80 GPa的超級(jí)碳納米管束。一般而言，碳納米管束的拉伸強(qiáng)度受Daniels效應(yīng)控制，而該效應(yīng)來(lái)源于纖維內(nèi)部單一碳納米管初始應(yīng)力的不均勻性。研究人員設(shè)計(jì)了一種“同步張弛”的策略，來(lái)消除這些初始應(yīng)力的不均勻性。
展開(kāi) 《自然·通訊》嵌段共聚物制備的多孔碳纖維贗電容電極
大量的介孔為附載高質(zhì)量的贗電容活性材料提供了豐富的活性表面；連續(xù)的碳骨架為電子提供了快速的傳導(dǎo)通道；相互連通的介孔有利于贗電容活性材料在碳纖維內(nèi)部沉積并加速離子在孔內(nèi)的傳導(dǎo)。
圖1. 負(fù)載MnO2的多孔碳纖維電極制備示意圖。（a）靜電紡絲和PAN-b-PMMA嵌段共聚物相分離、自組裝；（b）高溫碳化形成多孔碳纖維；（c）浸泡KMnO4水溶液在碳表面沉積MnO2。連續(xù)的碳纖維有利于快速電子傳導(dǎo)；相互連通的介孔保證暢通的離子傳輸。
作者們將所制得的多孔碳納米纖維置于高錳酸鉀溶液中浸泡，從而在纖維表面及內(nèi)部沉積上二氧化錳（MnO2）納米片（圖2a）——一種高性能、低成本的贗電容活性材料。整個(gè)電極的活性物質(zhì)（包括碳纖維和MnO2質(zhì)量）高達(dá)7 mg/cm2, 具備商業(yè)應(yīng)用潛力。氮?dú)馕锢砦綔y(cè)試顯示沉積MnO2兩小時(shí)后，介孔尺寸從11.7納米減至9.3納米（圖2b），表明MnO2納米片在介孔內(nèi)部沉積的厚度小于2納米。由于介孔暢通而未被MnO2阻塞，保證了整個(gè)電極較低的離子傳輸阻力（2 Ω s0.5），遠(yuǎn)低于其他MnO2電極（圖2c）。得益于電極高載量和極低的電荷傳導(dǎo)阻力，MnO2納米片-多孔碳纖維電極的質(zhì)量比電容和面積比電容均高于其他相近載量的MnO2贗電容電極（圖2d）。
圖2.（a）MnO2附著在多孔碳纖維上（PCF@MnO2）的掃描電鏡（SEM）圖片。左下方SEM圖片為介孔碳納米纖維橫截面形貌；（b）多孔碳纖維以及PCF@MnO2孔徑分布；（c）PCF@MnO2及其他MnO2贗電容電極的離子傳遞阻力的比較；（d）PCF@MnO2及其他MnO2贗電容電極電極載量、面積比電容和質(zhì)量比電容的比較。空心和實(shí)心數(shù)據(jù)點(diǎn)分別代表基于總電極質(zhì)量和僅MnO2質(zhì)量的比電容。
本工作展示了嵌段共聚物所制備的多孔碳纖維在贗電容電容器中的巨大潛力。
展開(kāi) 
新興碳納米纖維氣凝膠：化學(xué)合成與生物合成
目前包括金屬氧化物、聚合物、碳化物以及金屬等都已經(jīng)能夠用于制備氣凝膠材料，其中基于聚合物的碳氣凝膠尤為重要。碳氣凝膠能夠?qū)崿F(xiàn)高反應(yīng)表面積和通向這種表面?zhèn)鬏斅窂降睦硐虢M合，因而在非均相催化劑載體、吸附劑、絕緣材料以及電極材料等方面具有重要的應(yīng)用前景。近年來(lái)，碳納米管和石墨烯的發(fā)現(xiàn)極大地促進(jìn)了聚合物基碳氣凝膠的發(fā)展和應(yīng)用。碳納米管和石墨烯氣凝膠都可以通過(guò)化學(xué)氣相沉積和分散體系凝膠化的方法來(lái)進(jìn)行制備，但是前驅(qū)體昂貴以及合成需要涉及復(fù)雜設(shè)備限制了這些氣凝膠的實(shí)際應(yīng)用。因此，開(kāi)發(fā)更簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)的途徑（例如利用碳水化合物、纖維素以及蛋白質(zhì)等可再生資源為原料）來(lái)制備納米碳氣凝膠成為必然的發(fā)展趨勢(shì)。
【成果簡(jiǎn)介】
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書(shū)宏教授（通訊作者）在A(yíng)ngew. Chem. Int. Ed. 上發(fā)表了題為“Emerging Carbon Nanofiber Aerogels: Chemosynthesis versus Biosynthesis”的綜述文章，集中闡述了新興碳納米纖維氣凝膠的化學(xué)合成與生物合成方法。首先展示了如何通過(guò)化學(xué)合成和生物合成的方法來(lái)制備碳納米纖維（CNF）氣凝膠，然后討論了兩種制備CNF氣凝膠方法的合成特點(diǎn)，集中在結(jié)構(gòu)和功能的多樣性以及CNF氣凝膠的物理化學(xué)性質(zhì)和潛在應(yīng)用。此外，作者還展示了基于可再生前驅(qū)體的CNF氣凝膠與CNT和石墨烯氣凝膠相比在諸多應(yīng)用中具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
展開(kāi) 多孔碳納米管上完全覆蓋的皺折Ir納米片，用于長(zhǎng)壽命可充電鋰—二氧化碳電池
【成果簡(jiǎn)介】
近日，北京理工大學(xué)的陳人杰教授和北京大學(xué)的郭少軍教授（共同通訊作者）等報(bào)道了一種完全錨定在N摻雜碳納米纖維（Ir NSs-CNFs）表面上的起皺、超薄Ir納米片，作為改善鋰—二氧化碳電池性能的有效陰極。改善后的電池可以穩(wěn)定地放電并充電至少400次循環(huán)，截止容量為1000 mAh g-1—500 mA g-1。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)了目前最小電荷過(guò)電位現(xiàn)象，即陰極通過(guò)在100 mA g-1下顯示低于3.8 V的充電終止電壓來(lái)有效地降低電荷過(guò)電位。在放電過(guò)程中，對(duì)中間產(chǎn)物的非原位分析表明Ir NSs-CNFs可以極大地穩(wěn)定無(wú)定形顆粒中間體（可能是Li2C2O4）并延遲其進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)楸“鍫頛i2CO3；而在充電過(guò)程中，它可以使Li2CO3易于完全分解，大大提高鋰—二氧化碳電池的性能。研究成果以為“Crumpled Ir Nanosheets Fully Covered on Porous Carbon Nanofbers for Long-Life Rechargeable Lithium–CO2 Batteries”題發(fā)布在國(guó)際著名期刊Adv. Mater.上。
展開(kāi) 北科大范麗珍: 超小磷鐵鈉礦NaFePO4納米粒子用作高性能鈉離子電池正極材料
圖5：以NaFePO4@C納米纖維正極材料與純碳納米纖維負(fù)極材料組裝的全電池性能測(cè)試
在1.0-4.0 V電壓窗口內(nèi)，0.5 C倍率下的（a）充放電曲線(xiàn)和（b）循環(huán)性能（基于正極活性質(zhì)量），插圖顯示了組裝的軟包全電池持續(xù)點(diǎn)亮10盞LED燈。
【小結(jié)】
該研究成果報(bào)道了一種將超小NaFePO4納米粒子（約1.6 nm）均勻嵌入多孔氮摻雜碳納米纖維的制備方法；揭示了超小納米尺寸效應(yīng)以及高電位脫鈉過(guò)程能夠?qū)⑼ǔＵJ(rèn)為是電化學(xué)非活性的磷鐵鈉礦相NaFePO4轉(zhuǎn)變?yōu)楦呋钚缘臒o(wú)定型相；顯著提升了NaFePO4儲(chǔ)鈉正極材料的可逆容量，倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。
展開(kāi) 下一代新型碳纖維即將”出世”,竟然能實(shí)現(xiàn)”自我檢測(cè)”
下一代新型高性能碳纖維復(fù)合材料可以監(jiān)測(cè)自身的結(jié)構(gòu)健康狀況.
近幾年來(lái)，各種新型材料如雨后春筍般紛紛問(wèn)世，而高科技碳纖維材質(zhì)則以其優(yōu)異的性能備受關(guān)注，人們通常稱(chēng)其為“黑金”。
碳纖維的特性非常柔軟，碳纖維不僅具有碳材料的固有本性特征，有兼具紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。其次，碳纖維質(zhì)量輕，它的比重不到鋼的1/4，但強(qiáng)度卻非常高，耐腐蝕性也出類(lèi)拔萃。
鑒于上面兩種特點(diǎn)，碳纖維被廣泛應(yīng)用于民用、軍用、建筑、航天以及超級(jí)跑車(chē)領(lǐng)域，其取代其他材料也只是時(shí)間問(wèn)題而已。
碳纖維材料如此神奇,但一直都不是單獨(dú)使用的,都是跟其他聚合物基質(zhì)一起混合使用,如環(huán)氧樹(shù)脂,其中嵌入了增強(qiáng)碳纖維.
但這兩種材料的力學(xué)性能不一樣,纖維過(guò)大,就會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力或疲勞下,從基體上脫落。
這意味著碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷可能一直隱藏著,我們?nèi)庋蹤z測(cè)不出來(lái),就會(huì)隱藏著危險(xiǎn)性.
美國(guó)能源部橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)家表示：“通過(guò)了解復(fù)合材料內(nèi)部的情況，你可以更好地判斷它的健康狀況，并知道是否有需要修復(fù)的損傷。
據(jù)碳纖維體驗(yàn)館了解,最近, Bowland和ORNL的碳和復(fù)合材料小組研究發(fā)現(xiàn)了一種滾動(dòng)條式的方法,將導(dǎo)電碳纖維包裹在半導(dǎo)體碳化硅納米顆粒上。能實(shí)現(xiàn)碳纖維自動(dòng)檢測(cè).
這種納米材料嵌入的復(fù)合材料比其他纖維增強(qiáng)復(fù)合材料更強(qiáng)，并且具有一種新的能力——監(jiān)測(cè)自身結(jié)構(gòu)健康狀況的能力。
當(dāng)足夠多的涂層纖維嵌入到聚合物中時(shí)，這些纖維就會(huì)形成一個(gè)電力網(wǎng)，而大塊復(fù)合材料就會(huì)導(dǎo)電。
半導(dǎo)體納米顆粒可以在外力的作用下破壞這種導(dǎo)電性，為復(fù)合材料增加機(jī)電功能。
如果復(fù)合材料被拉伸，涂層纖維的連接性就會(huì)被破壞，材料中的電阻就會(huì)發(fā)生變化。
展開(kāi) ELG碳纖維為賽艇提供再生碳纖維
ELG 碳纖維（英國(guó)Coseley）與英國(guó)帆船隊(duì)INEOS Team UK合作，確保將可持續(xù)材料和實(shí)踐納入2021年美洲杯建設(shè)計(jì)劃。具體而言，ELG的再生碳纖維材料將用于生產(chǎn)將在2021年在奧克蘭帆船賽的AC75船型。
ELG自2018年以來(lái)一直是英國(guó)INEOS團(tuán)隊(duì)的材料供應(yīng)商，據(jù)報(bào)道，該公司已為British Challengers處理了1,000公斤碳纖維制造廢料和最終使用部件。
鳳凰改性環(huán)氧樹(shù)脂https://m.hongyantu.com/goodlist/sz/48360.html
從ELG在西米德蘭茲郡的專(zhuān)業(yè)工廠(chǎng)，INEOS Team UK的回收纖維被轉(zhuǎn)化為碾磨和切碎的產(chǎn)品，以制造熱固性和熱塑性化合物和非織造墊。據(jù)ELG稱(chēng)，其回收的非織造材料已被用于生產(chǎn)兩個(gè)支架，用于在運(yùn)輸過(guò)程中支撐AC75，以及船體和甲板模具。
據(jù)報(bào)道，ELG的技術(shù)人員對(duì)INEOS Team UK的原料進(jìn)行了一系列纖維特性分析。每批加工的材料也經(jīng)過(guò)分類(lèi)，以支持回收纖維最終產(chǎn)品的可追溯性和一致性。據(jù)說(shuō)所有這些過(guò)程都符合BS EN ISO 9001：2015和EN 9100：2016質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。
兩個(gè)組織都表示，他們認(rèn)為這種伙伴關(guān)系是解決全球碳消費(fèi)問(wèn)題和提高人們對(duì)海洋產(chǎn)業(yè)內(nèi)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)回收迫切需要的認(rèn)識(shí)。
“碳纖維產(chǎn)品的再利用是一個(gè)真正的游戲改變者，”英國(guó)INEOS團(tuán)隊(duì)的海軍建筑師Alan Boot說(shuō)。“我們正在將垃圾從垃圾填埋場(chǎng)轉(zhuǎn)移出去，并盡可能地循環(huán)我們的生產(chǎn)工藝。ELG的產(chǎn)品無(wú)縫地融入我們的制造工藝中，展示了這些材料在各種商業(yè)市場(chǎng)中的成功。在船舶生產(chǎn)方面，這是一個(gè)非常激動(dòng)人心的時(shí)刻，并有望引領(lǐng)其他制造商效仿。”
“ELG的再生碳纖維產(chǎn)品有助于支持精英運(yùn)動(dòng)可持續(xù)發(fā)展，這是我們非常自豪的事情，”ELG碳纖維公司董事總經(jīng)理弗雷澤巴恩斯說(shuō)。
展開(kāi) 國(guó)內(nèi)外碳纖維企業(yè)碳纖維性能指標(biāo)大全
碳纖維性能指標(biāo)包括拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彈性形變、密度、細(xì)絲直徑等，那么，全球都有哪些碳纖維公司公布了其產(chǎn)品的性能指標(biāo)了？下面小編為你一一梳理。
國(guó)外碳纖維企業(yè)
東麗（Toray）
2017年11月，碳纖維行業(yè)巨頭Toray推出了新版本的碳纖維性能指標(biāo)，與舊版本相比去除了T700G這一款產(chǎn)品。
Toray碳纖維性能指標(biāo)
數(shù)據(jù)來(lái)源：Toray官網(wǎng)
不僅如此，Toray亦給出了其產(chǎn)品的包裝參數(shù)及包裝基準(zhǔn)。
Toray碳纖維包裝參數(shù)
數(shù)據(jù)來(lái)源：Toray官網(wǎng)
帝人東邦（TEIJIN）
日本帝人東邦的性能指標(biāo)根據(jù)碳纖維產(chǎn)品的模量來(lái)分類(lèi)，分為標(biāo)準(zhǔn)模量、中模量及高模量三大類(lèi)。
TEIJIN碳纖維性能指標(biāo)
數(shù)據(jù)來(lái)源：TEIJIN官網(wǎng)
三菱化學(xué)（Mitsubishi Chemical）
與Toray及TEIJIN不同的是，三菱化學(xué)給出了碳纖維細(xì)絲的直徑值。
三菱化學(xué)碳纖維性能指標(biāo)
數(shù)據(jù)來(lái)源：三菱官網(wǎng)
展開(kāi) 不只有石墨烯碳納米管 梳理新型碳納米材料及其輔助機(jī)理研究方法
富勒烯（Fullerene）、 碳納米管（CNT，Carbon Nanotube）、石墨烯（Graphene）都是近年來(lái)的熱門(mén)碳納米材料，目前共有5位科學(xué)家在這個(gè)領(lǐng)域贏(yíng)得了諾貝爾獎(jiǎng)。為什么碳納米材料廣泛的受到追捧呢？舉例來(lái)說(shuō)，加入碳纖維的鋼材制成的自行車(chē)，重量?jī)H僅是普通自行車(chē)的幾分之一，因?yàn)?em>碳原子質(zhì)量非常小，同時(shí)碳原子之間，或者碳原子和其他原子之間形成的化學(xué)鍵，又非常強(qiáng)韌。所以混合了碳納米的材料，通常都會(huì)兼具較好的力學(xué)性質(zhì)與較輕的整體重量。
第一性原理廣泛應(yīng)于在物理、化學(xué)以及材料科學(xué)中。材料設(shè)計(jì)，材料預(yù)測(cè)，解釋實(shí)驗(yàn)等都離不開(kāi)第一性原理計(jì)算，因?yàn)榈谝恍栽韽难Χㄖ@方程開(kāi)始， 只需要極少的參數(shù)，便可以非常準(zhǔn)確的計(jì)算出材料的大部分材料性能；進(jìn)一步結(jié)合絕熱假設(shè)，也可以用來(lái)模擬分子動(dòng)力學(xué)。在碳納米材料的相關(guān)領(lǐng)域，第一性原理計(jì)算更是得到廣泛應(yīng)用，因?yàn)?em>碳原子的電子關(guān)聯(lián)非常弱，第一原理計(jì)算往往能夠做出非常準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。
本文將會(huì)介紹一些新型的碳納米材料，它們?cè)?em>碳原子的結(jié)合方式和排列方式上和大家熟知的富勒烯， 碳納米管以及石墨烯略有不同。而這些細(xì)微的差異反映到最終的材料屬性上卻可以有很大的不同。碳原子排列的一個(gè)小差異，可以轉(zhuǎn)化成材料性質(zhì)的大不同，這也是碳納米材料吸引著很多材料科學(xué)家、物理學(xué)家和化學(xué)家的地方。
一、雜化與維度
碳原子形成碳納米材料有兩種主要的雜化方式：sp2或者sp3。在sp2雜化模式下，每個(gè)碳原子會(huì)形成三個(gè)平面內(nèi)均勻分布成120度角的三個(gè)分子軌道，以及一個(gè)平面外的p軌道，通稱(chēng)為pz軌道；最典型的的碳納米材料便是著名的石墨烯。
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國(guó)內(nèi)外碳纖維企業(yè)碳纖維性能指標(biāo)大全
碳纖維性能指標(biāo)包括拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彈性形變、密度、細(xì)絲直徑等，那么，全球都有哪些碳纖維公司公布了其產(chǎn)品的性能指標(biāo)了？下面小編為你一一梳理。
國(guó)外碳纖維企業(yè)
東麗（Toray）2017年11月，碳纖維行業(yè)巨頭Toray推出了新版本的碳纖維性能指標(biāo)，與舊版本相比去除了T700G這一款產(chǎn)品。
Toray碳纖維性能指標(biāo)
數(shù)據(jù)來(lái)源：Toray官網(wǎng)
不僅如此，Toray亦給出了其產(chǎn)品的包裝參數(shù)及包裝基準(zhǔn)。
Toray碳纖維包裝參數(shù)
數(shù)據(jù)來(lái)源：Toray官網(wǎng)
帝人東邦（TEIJIN）
日本帝人東邦的性能指標(biāo)根據(jù)碳纖維產(chǎn)品的模量來(lái)分類(lèi)，分為標(biāo)準(zhǔn)模量、中模量及高模量三大類(lèi)。
TEIJIN碳纖維性能指標(biāo)
數(shù)據(jù)來(lái)源：TEIJIN官網(wǎng)
三菱化學(xué)（Mitsubishi Chemical）
與Toray及TEIJIN不同的是，三菱化學(xué)給出了碳纖維細(xì)絲的直徑值。
三菱化學(xué)碳纖維性能指標(biāo)
數(shù)據(jù)來(lái)源：三菱官網(wǎng)
SGL與日本公司不同的是，SGL給出了碳纖維產(chǎn)品的單絲電阻率、漿料類(lèi)型以及上漿劑含量的值。
SGL碳纖維性能指標(biāo)
數(shù)據(jù)來(lái)源：SGL官網(wǎng)
赫氏（Hexcel）美國(guó)Hexcel產(chǎn)品種類(lèi)眾多，主要有AS4系列、IM系列、HM系列，并對(duì)產(chǎn)品的含碳量進(jìn)行說(shuō)明，而且根據(jù)不同的用途（主要為航空航天、工業(yè)）其性能指標(biāo)亦不相同。
展開(kāi) 碳纖維資訊：國(guó)產(chǎn)碳纖維突破大束絲瓶頸！
碳纖維資訊：國(guó)產(chǎn)碳纖維突破大束絲瓶頸！上海石化大絲束碳纖維技術(shù)“破爐而出”！
中國(guó)石化上海石化十年磨一劍，成功開(kāi)發(fā)出48K大絲束碳纖維的聚合、紡絲、氧化炭化成套工藝技術(shù)，所生產(chǎn)的碳纖維具有優(yōu)異的表面結(jié)構(gòu)和界面性能，并實(shí)現(xiàn)低成本化。我國(guó)在該領(lǐng)域一直以來(lái)仰人鼻息的歷史宣告結(jié)束。
據(jù)“聚丙烯腈（PAN）基大絲束原絲和碳纖維技術(shù)及工藝包開(kāi)發(fā)”項(xiàng)目首席、上海石化腈綸部總工程師黃翔宇介紹，在業(yè)內(nèi)，每束碳纖維根數(shù)小于24000根（24K）的被稱(chēng)為小絲束；大于48000根（48K）的則稱(chēng)為大絲束。此前，國(guó)內(nèi)大絲束碳纖維每年業(yè)務(wù)量數(shù)千噸，全部依賴(lài)進(jìn)口，相關(guān)核心技術(shù)由日本、美國(guó)等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家掌握，技術(shù)壁壘森嚴(yán)。
所以“黑黃金”碳纖維到底是個(gè)啥？
什么又是48K大絲束碳纖維？
碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量新型纖維材料。直徑只有頭發(fā)的1/50，其力學(xué)性能優(yōu)異，比重不到鋼的1/4，強(qiáng)度卻是鋼的7~9倍，并且還具有耐腐蝕性、高模量的特性，被稱(chēng)為“新材料之王”，在各行各業(yè)有著廣泛的應(yīng)用前景。
在碳纖維行業(yè)內(nèi)，通常將每束碳纖維根數(shù)大于48000根（簡(jiǎn)稱(chēng)48K）的稱(chēng)為大絲束碳纖維。目前，國(guó)內(nèi)每束碳纖維基本處于1000根(1K)～12000根(12K)之間，稱(chēng)為小絲束。
48K大絲束最大的優(yōu)勢(shì)，就是在相同的生產(chǎn)條件下，可大幅度提高碳纖維單線(xiàn)產(chǎn)能和質(zhì)量性能，并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)低成本化，從而打破碳纖維高昂價(jià)格帶來(lái)的應(yīng)用局限。
碳纖維有著森嚴(yán)的技術(shù)壁壘，迄今為止核心技術(shù)也只有日本、美國(guó)等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家擁有并掌握。
展開(kāi) 基于碳納米管和石墨烯的柔性超級(jí)電容器設(shè)計(jì)
具有三維結(jié)構(gòu)的陣列也可以根據(jù)需求擠壓或者紡織形成導(dǎo)電性良好的碳納米管薄膜或碳納米管纖維，進(jìn)一步增加其應(yīng)用范圍。
圖2. 碳納米管陣列材料及其電容性能測(cè)試
其他結(jié)構(gòu)的碳納米管柔性超級(jí)電容器
除了薄膜和陣列結(jié)構(gòu)以外，包括碳納米管網(wǎng)絡(luò)，三維碳納米管海綿，碳納米管紗等一系列不同結(jié)構(gòu)都被合成并應(yīng)用于柔性超級(jí)電容器中，由于這些結(jié)構(gòu)兼具高導(dǎo)電性和大比表面積，通常作為基底來(lái)負(fù)載其他活性材料。
【基于石墨烯材料的柔性超級(jí)電容器】
石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)性能，然而石墨烯片層之間的堆疊和團(tuán)聚嚴(yán)重影響了石墨烯的性能，限制了其在柔性超級(jí)電容器方面的應(yīng)用。合成不同形貌和結(jié)構(gòu)的石墨烯是制備柔性石墨烯電極材料的關(guān)鍵。
基于石墨烯纖維的柔性超級(jí)電容器
石墨烯纖維可以通過(guò)水熱，濕紡，自組裝等方法合成。由于其良好的力學(xué)性質(zhì)和導(dǎo)電性，石墨烯纖維可以紡入其他編織物，在可穿戴織物方面具有很大的應(yīng)用潛力。
圖3. 紡入織物的石墨烯纖維超級(jí)電容器
基于石墨烯薄膜的柔性超級(jí)電容器
石墨烯薄膜可以通過(guò)真空抽濾、滴涂、層層自組裝等方法合成。雖然石墨烯薄膜具有高導(dǎo)電性和良好的柔韌性，但石墨烯片層間的團(tuán)聚不僅降低了其表面積，還影響了電解質(zhì)離子的傳輸，所以石墨烯薄膜在應(yīng)用中通常會(huì)加入間隔材料例如碳黑、碳納米管、表面活性劑等。間隔材料的加入往往能大幅度提高材料的電容性能。
圖4. 加入間隔材料的石墨烯薄膜
基于三維石墨烯框架結(jié)構(gòu)的柔性超級(jí)電容器
一維石墨烯纖維和二維石墨烯薄膜都展現(xiàn)出了優(yōu)秀的電化學(xué)性能。但是，在維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和容量穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上提高活性物質(zhì)負(fù)載量仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。三維石墨烯框架結(jié)構(gòu)擁有較好的導(dǎo)電性和潤(rùn)濕性。同時(shí)，也具有更高的活性物質(zhì)負(fù)載量，有利于提高柔性電容器的能量密度。
展開(kāi) 碳纖維簡(jiǎn)史：今天從美國(guó)碳纖維技術(shù)發(fā)展史說(shuō)起！
碳纖維誕生在美國(guó)，其高性能化的基礎(chǔ)科學(xué)研究也發(fā)端在那里。今天，美國(guó)仍是世界高性能碳纖維的生產(chǎn)和應(yīng)用強(qiáng)國(guó)。研究美國(guó)高性能碳纖維技術(shù)的發(fā)展歷程，對(duì)我國(guó)碳纖維產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和健康發(fā)展應(yīng)有所借鑒。
本文綜述了美國(guó)高性能碳纖維技術(shù)的早期發(fā)展過(guò)程及兩位科學(xué)家的重要研究貢獻(xiàn)，分析了其經(jīng)驗(yàn)。
一、碳纖維誕生在美國(guó)，始于白熾燈的發(fā)明
碳纖維是作為白熾燈的發(fā)光體誕生的。英國(guó)化學(xué)家、物理學(xué)家約瑟夫·威爾森·斯萬(wàn)爵士（Sir Joseph Wilson Swan，1828–1914）發(fā)明了以鉑絲為發(fā)光體的白熾燈。為解決鉑絲不耐熱的問(wèn)題，斯萬(wàn)使用碳化的細(xì)紙條代替鉑絲。由于碳紙條在空氣中很容易燃燒，斯萬(wàn)通過(guò)把燈泡抽成真空基本解決了這一問(wèn)題。1860年，斯萬(wàn)發(fā)明了一盞以碳紙條為發(fā)光體的半真空電燈，也就是白熾燈的原型；但當(dāng)時(shí)真空技術(shù)不成熟，所以燈的壽命不長(zhǎng)。
19世紀(jì)70年代末，真空技術(shù)已漸成熟，斯萬(wàn)發(fā)明了更實(shí)用的白熾燈，并于1878年獲得了專(zhuān)利權(quán)。1879年，愛(ài)迪生（Thomas Alva Edison，1847-1931）發(fā)明了以碳纖維為發(fā)光體的白熾燈。他將富含天然線(xiàn)性聚合物的椴樹(shù)內(nèi)皮、黃麻、馬尼拉麻和大 麻等定型成所需要的尺寸和形狀，并對(duì)其進(jìn)行高溫烘烤；受熱時(shí)，這些由連續(xù)葡萄糖單元構(gòu)成的纖維素纖維被碳化成了碳纖維。1892年，愛(ài)迪生發(fā)明的“白熾燈泡碳纖維長(zhǎng)絲燈絲制造技術(shù)（Manufacturing of Filamentsfor Incandescent Electric Lamp）”獲得了美國(guó)專(zhuān)利（專(zhuān)利號(hào)：470925）（圖1）。可以說(shuō)，愛(ài)迪生發(fā)明了最早商業(yè)化的碳纖維。
由于原料源于天然纖維，早期的碳纖維幾乎沒(méi)有結(jié)構(gòu)強(qiáng)力，使用中很容易碎裂、折斷，即便只是作為白熾燈的發(fā)光體，其耐用性也很不理想。
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