一个国际研究团队(总部位于华盛顿)已经制造出导电纤维,其导电性在拉伸时增加了200倍德克萨斯大学达拉斯分校。纤维可以可逆地拉伸到其初始长度的14倍以上。
研究人员通过将导电的碳纳米管片包裹在一个长的橡胶芯上形成一个护套来制造这种纤维。达拉斯大学艾伦·G·麦克迪亚米纳米技术研究所所长、本论文资深作者雷·鲍曼博士表示,虽然传统纤维在拉伸时由于横截面积减小而变得越来越耐电,但这些新纤维在拉伸时的电阻变化很小。
当碳纳米管被包裹在橡胶芯上时,橡胶芯被纵向拉伸。然后,当橡胶松弛到其原始长度时,这些碳纳米纤维就会发生弯曲,从而确保纤维可以反复拉伸。“想想当手风琴被压缩时发生的屈曲,它使手风琴的非弹性材料可拉伸。”达拉斯大学化学系罗伯特·A·韦尔奇杰出主席鲍曼说。
"我们通过调节大扣和小扣,使鞘芯纤维的非弹性碳纳米管护套具有超拉伸性,因此两种扣类型的伸长都有助于增加弹性。这些神奇的纤维保持着相同的电阻,即使在被大量拉伸的情况下,因为电子可以像穿过直鞘一样容易地穿过这样一个分层弯曲的鞘层。"
这种弯曲既发生在纤维的长度上,也发生在纤维的周长上。该研究的主要作者刘遵峰博士评论道:
在纤维拉伸过程中收缩纤维的周长会导致其周长周围出现第二种类型的可逆分层屈曲,即使纤维方向上的屈曲暂时消失。这种新颖的二维屈曲组合避免了纳米管和橡胶芯方向的错位,使护套芯纤维的电阻对拉伸不敏感。
这些突破性的光纤具有潜在的应用前景,如电子设备的超弹性充电线、零故障起搏器导线、宽范围应变传感器、变形飞机、能够实现大范围伸展的外骨骼和机器人,以及超弹性电子电路的互连。
研究小组通过在鞘芯纤维上添加一层薄薄的橡胶外套和另一层碳纳米管鞘,制造出了人造肌肉和应变传感器。在这里,薄橡胶层充当电介质,弯曲的纳米管护套充当电极,从而形成纤维电容器。当拉伸950%时,这些光纤电容器的电容变化860%。
“目前没有一种基于材料的应变传感器能够在几乎如此大的应变范围内工作。”刘说。
“在这些双鞘纤维上增加扭力产生了快速的电动扭力或旋转人工肌肉,可用于旋转光学电路中的镜子或用于化学分析的微型装置中的液体泵”,纳米技术研究所的助理研究员、该论文的作者卡特·海恩斯博士说。
纳米技术研究所副研究员南江(音译)表示,通过改变橡胶芯的尺寸,可以制造出直径在150µm以上的导电弹性体。她说:“单个的小纤维也可以组合成大束,像纱线或绳子一样叠在一起。”。
德克萨斯大学达拉斯分校纳米碳纳米管橡胶纤维
“这项技术非常适合快速商业化。”Raquel Ovalle Robles博士说,她是美国纳米科技中心Lintec的首席研究和知识产权策略师,也是该论文的作者。欧洲杯线上买球
“用于这些护套芯纤维的橡胶芯价格低廉,容易获得。”她说。“唯一奇特的成分是用于纤维护套的碳纳米管气凝胶片。”
2014年,达拉斯大学将鲍曼团队开发的工艺许可给美国林泰克公司。利用这一过程,碳纳米管可以转变成像薄片一样的大规模结构。Lintec在德克萨斯州理查森成立了其纳米科技中心,以生产广泛应用的碳纳米管气凝胶片。欧洲杯线上买球
空军科研办公室、罗伯特·A·韦尔奇基金会、美国陆军、美国国立卫生研究院、国家科学基金会和海军研究办公室支持了这项工作,该工作还获得了巴西和中国的几个资金来源。欧洲杯线上买球
达拉斯大学纳米技术研究所的其他作者包括研究科学家Márcio Lima博士和方绍利博士,以及研究助理Di Jiangtao博士和Xavier Lépro博士。达拉斯理工大学机械工程系的其他贡献者包括卢红兵博士,教授;副教授董倩博士;和研究助理王学民。来自巴西、中国和佛罗里达大学的科学家也为这项研究工作做出了贡献。
研究结果发表在7月24日的《科学》杂志上。欧洲杯线上买球