近日，西班牙马德里高等材料研究所 J. J. Vilatela 教授团队在顶级期刊《Science》上发表了一项重磅研究，为轻量化导电材料领域带来了突破性进展。该团队开发的新型插层碳纳米管纤维，成功在导电率、轻量化与力学强度上实现了协同提升，有望成为传统金属电缆的理想替代者。
研究团队针对碳纳米管宏观纤维长期存在的性能瓶颈，开发了一种全新的气相插层技术。由于实验所用的掺杂剂四氯铝酸根极易与水发生反应，整个插层过程的前期处理都在无水无氧的氩气手套箱中完成，研究人员将高取向双壁碳纳米管纤维与 AlCl₃源共同密封在玻璃样品管中，随后将其送入水平管式炉内，通过分区控温让 AlCl₃缓慢气化，顺着浓度梯度扩散进入碳管纤维的管间通道，最终在纤维内部均匀形成了有序的碳纳米管插层化合物。
为了验证插层结构的成功构建，研究团队借助一系列精密仪器完成了多维度的测试：
在表征测试上，他们利用广角 X 射线散射（WAXS）仪，观测到了插层剂有序排列带来的特征衍射信号，证实了管间通道内的有序插层结构并未破坏碳管本身的高取向度；合作团队再在先进显微实验室中，通过高分辨透射电子显微镜（HRTEM），直观观测到了 AlCl₄⁻离子在管间的均匀分布，确认了插层过程的均匀性；同时，拉曼光谱仪的表征结果进一步揭示了掺杂的作用机制：每个 AlCl₄⁻离子可作为非共价电子受体，从碳管外层接收 0.65 个电子，在不破坏碳管共轭结构的前提下，大幅提升了材料的载流子浓度。
AlCl4-插层DWCNT纤维的结构表征
在性能测试环节，研究团队通过四探针电阻率测试系统，测得该插层纤维的室温导电率可达 24.5 MS/m，达到了铜的 41%；而得益于碳纳米管本身的低密度，该材料的比导电率更是高达 17345 S・m²/kg，这一数值直接超越了铜和铝，意味着同等重量下，这款新材料能承载比传统金属多得多的电流。
插层纤维的电荷转移、体积电导率和机械性能
在力学性能上，通过万能材料拉伸试验机的测试，结果更让人惊喜：该纤维的强度达到了传统架空电缆的五倍，而重量仅为其一半，完美解决了传统高压电缆 “自重过大、易下垂” 的长期痛点。
除此之外，研究团队还验证了材料的实用稳定性。在可控湿度环境的测试中，他们发现该材料在干燥条件下性能可长期保持稳定；而经过常规的聚合物护套封装防潮后，即使在潮湿环境中，材料仍可保留 80% 的导电率，完全满足实际工程应用的要求。
CNTIC在不同相对湿度空气中的稳定性
这项研究成功打破了碳纳米管宏观纤维的性能天花板，实现了导电性、轻量化与强度的协同突破，为下一代航空导线、电动汽车线缆、架空输电电缆等领域提供了全新的材料方案。
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相关论文信息DOI:10.1126/science.aeb0673
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