碳纳米管研究新突破：从传感器到防弹材料的航天航空应用
碳纳米管研究新突破：从传感器到防弹材料的航天航空应用
近日，清华大学化工系张如范副教授团队在碳纳米管研究领域取得重要进展，为航天航空领域提供了新的技术支持。这一突破性研究不仅展示了碳纳米管在传感器和光电探测器方面的巨大潜力，也为未来空天飞行器的发展开辟了新的可能性。
碳纳米管的独特优势
碳纳米管是一种具有独特结构的纳米材料，由碳原子以sp2杂化轨道组成六边形晶格，并卷曲成管状结构。这种结构赋予了碳纳米管一系列优异的物理化学性质，使其在航天航空领域展现出广阔的应用前景。
碳纳米管具有极高的强度和韧性，其抗拉强度超过钢铁400倍，而密度仅为钢铁的1/6。同时，碳纳米管还具备优异的导电性和热稳定性，能够在极端环境下保持稳定的性能。这些特性使其成为制备高性能传感器、光电探测器以及结构材料的理想选择。
清华大学团队的突破性进展
张如范团队在超长碳纳米管的制备和应用方面取得了重要突破。他们开发了一种基底拦截导向策略，克服了传统生长方法中催化剂利用率低、催化剂颗粒易聚等问题，使超长碳纳米管的阵列密度和产率提升了2-3个数量级。
为进一步提升超长碳纳米管水平阵列的产率和均匀性，研究团队还提出了浮游双金属催化剂的原位气相合成方法，成功实现了30厘米级碳纳米管水平阵列的大面积均匀制备。
基于这些突破，张如范团队开发了多种高性能传感器件。例如，他们制备了基于悬空超长碳纳米管网络的超灵敏气流传感器，利用碳纳米管轻质、超柔的特性，实现了高灵敏度、超快响应和低检出限等优异的气流传感性能。
在光电探测器领域，研究团队提出了一种基于悬空超长碳纳米管的高性能光电探测器。通过优化器件结构和材料特性，该探测器在相同的激光波长和功率密度下，能够产生近8倍于非悬空超长碳纳米管的光电导响应。同时，悬空超长碳纳米管的光电导响应更不易饱和，且具有更高的灵敏度。
北京大学团队的创新成果
在碳纳米管纤维的研究方面，北京大学张锦院士团队取得了重大突破。他们通过引入聚对苯撑苯并二噁唑（PBO）增强碳纳米管管间作用、机械训练提高取向性和机械处理提高纤维致密性，成功制备出动态强度高达14GPa的碳纳米管纤维。
这一成果打破了碳纳米管纤维动态强度的纪录，对于纤维领域尤其是碳纳米管纤维领域具有重要意义。在航空航天领域，这种高强碳纳米管纤维可被用于飞行器的蒙皮材料，以防止碎片撞击。此外，还可以将其制成空间捕捉网，用于捕获和回收空间碎片。
中国科学院金属研究所的贡献
中国科学院金属研究所团队在碳纳米管纤维的电学性能方面取得了重要进展。通过湿法纺丝工艺，他们制备出高取向度、高致密度的双壁碳纳米管纤维。这种纤维的电导率达1.1×107S m-1，载流量达8.0×108A m-2，抗拉强度达1.65 GPa，比电导率和比电流容量分别是铜导线的86%和3倍。
这些优异的性能指标表明，这种碳纳米管纤维有望在航空航天、电力电子等领域获得重要应用。特别是在航空航天领域，其轻质高强、导电性好的特点，使其成为制造下一代空天飞行器的理想材料。
未来展望
随着碳纳米管制备技术的不断进步和应用研究的深入，这种神奇的纳米材料将在航天航空领域发挥越来越重要的作用。从高性能传感器到防弹材料，从光电探测器到结构材料，碳纳米管的独特优势正在被逐步发掘和应用。
然而，要实现碳纳米管在航天航空领域的广泛应用，仍需解决一些关键问题。例如，如何实现超长碳纳米管的稳定批量生产？如何进一步优化碳纳米管纤维的性能？如何降低生产成本，使其更具竞争力？这些问题的解决将为碳纳米管在航天航空领域的规模化应用奠定基础。
总体而言，碳纳米管作为一种具有革命性潜力的新型材料，其在航天航空领域的应用前景令人期待。随着科研人员的不懈努力，我们有理由相信，碳纳米管将在不久的将来为我国的航天航空事业做出重要贡献。