综述：碳纳米管纤维束增强与多场协同

《Journal of Alloys and Compounds》：Carbon nanotube fiber bundle reinforcement and multi-field synergy

　　

# 摘要

碳纳米管纤维（CNTFs）凭借其优异的性能，在柔性电子和能量储存领域展现出巨大的应用前景，因此受到了研究人员的广泛关注与深入探索。然而，实际制备的碳纳米管纤维由于管间界面滑移、孔隙缺陷以及残留杂质等因素导致结构不完美，使其实际性能与理论值之间存在显著差距。如何通过调控策略有效调节纤维的内部结构以增强其综合性能，已成为当前研究的核心问题。本文系统综述了碳纳米管纤维的典型结构缺陷及其形成机制，重点总结了酸处理、高温退火、致密化、聚合物/无机材料复合以及掺杂等束增强策略的研究进展。介绍了各方法在提高纤维界面结合力、密度和结构规整性方面的增强机制及适用性。在此基础上，进一步探讨了碳纳米管纤维在电-力、电-热、热-力及多场耦合环境下的协同响应行为，重点阐述了界面演化与性能退化机制。最后，展望了高性能碳纳米管纤维在结构设计、大规模制备以及复杂多场环境中的应用挑战，为碳纳米管纤维的设计与应用提供了理论参考。

## 引言

自1991年饭岛提出碳纳米管（CNTs）以来[1]，凭借其独特的1维管状纳米结构和卓越的物理化学性能，碳纳米管迅速成为材料科学领域的研究焦点。在结构上，碳纳米管由单层或多层石墨烯片以特定手性角卷曲而成，构成中空晶态圆柱体。在此构型中，碳原子通过sp2杂化相互连接，形成稳定的蜂窝状晶格。这种独特的键合结构赋予碳纳米管一系列卓越的特性：其机械强度可超过钢材100倍以上，而密度仅为钢材的六分之一；其电导率往往与常规金属导体相当甚至更高；其热导率是铜的数倍；并且具有优越的化学稳定性，即使在恶劣环境中也能保持结构完整性[2]。在这些固有优势的驱动下，碳纳米管在纳米机电系统[3]、纳米电子器件[4]以及高性能复合材料等前沿领域具有重要的应用潜力。目前，碳纳米管正被广泛用于开发纳米谐振器、纳米传感器、纳米马达和纳米继电器等核心部件[5]，从而为功能器件的微型化和性能提升奠定了关键基础。然而，单个碳纳米管的宏观应用长期受到大规模组装难题的制约，即微观性能难以有效转化为宏观器件，这已成为制约其技术转化的主要瓶颈[6]。

碳纳米管纤维通过将大量纳米级碳纳米管组装成纤维束来解决这一挑战。凭借对单个碳纳米管固有优点的继承，碳纳米管纤维在航空航天、储能、结构复合材料和生物医学工程等领域展现出广阔的应用前景。作为通过范德华力、共价键或其他管间相互作用形成的一维纤维材料，碳纳米管纤维不仅保留了单个碳纳米管的基本优势——如超高比强度、优异的电导热性能——还展现出可编织性、柔性和可加工性等独特的宏观特性，为碳纳米管的实际宏观应用开辟了一条新途径。如表1所示，碳纳米管纤维的密度约为0.897 g/cm3，显著低于凯夫拉49或高强度碳纤维等传统高性能纤维。此外，其拉伸强度可达8.8 GPa，大幅超过大多数同类材料，突显了其在轻量化和结构增强方面的竞争优势[7]。值得注意的是，单个碳纳米管的理论拉伸强度估计高达100 GPa——这一阈值足以满足航空航天应用对轻量化的严格要求[8][9]。然而，当前制备的碳纳米管纤维的拉伸强度远低于此值。此外，在某些极端条件下，这些纤维的强度还可能进一步降低20%–30%。这种性能差距主要源于管间作用力较弱、结构缺陷的存在以及纤维束装配和纺丝过程中发生的能量耗散[10]。具体而言，碳纳米管生长过程中引入的缺陷可能破坏纳米管壁面的完整性，直接降低其力学、电学和热学性能。此外，当碳纳米管组装成纤维束时，管间容易发生相对滑动。事实上，碳纳米管纤维的最终失效通常并非由单个碳纳米管本身的固有断裂所驱动，而是由碳纳米管从宏观纤维基体中被拔出所致[11]。

目前，三种主流连续纺丝技术主导着碳纳米管纤维的规模化制备。这些方法具有不同的结构特征和性能边界，从根本上决定了纤维的最终性能，总结如下：

**(1) 湿法纺丝：** 将碳纳米管粉末分散于氯磺酸（CSA）或其他强酸溶剂中，形成液晶纺丝液，然后经过挤出、凝固和连续拉伸。该技术实现了碳纳米管的高度取向排列和高堆积密度，使其整体力学性能优异。此外，该技术在连续商业化生产方面具有最大的潜力[17]。

**(2) 阵列干法纺丝：** 以基底上垂直生长的碳纳米管阵列作为原材料前驱体，在拉伸作用下直接拉取向量连续纤维。该方法设备简单，所用碳纳米管长度极长；然而，其松散的堆叠结构导致内部孔隙率高、体积密度低，从而限制了纤维的绝对力学和导电性能[18]。

**(3) 悬浮催化剂化学气相沉积（FCCVD）：** 在无固体基底限制的反应炉中，连续拉伸并收集原位合成的碳纳米管气凝胶网络[19]。其产品主要由单壁或双壁碳纳米管（SWCNTs或DWCNTs）组成，具有优异的本征电导率。然而，新制备的纤维需要进行后续的致密化处理，以消除丰富的内部孔隙[20]。

近年来，在合成技术持续进步的推动下，碳纳米管纤维的制备与功能应用取得了诸多突破。其应用场景已从传统的结构增强扩展到智能系统和先进功能器件。代表性应用包括具有快速响应速率和高驱动效率的纤维执行器[21]、具有优异仿生性能的人造肌肉[22]、高精度微马达以及柔性可穿戴传感器件[23]。此外，碳纳米管纤维的巨大比表面积和卓越的电导率为其集成到储能系统中创造了有利条件。目前，其主要储能应用集中在开发具有高能量密度的新型超级电容器和具有优越光伏转换效率的先进太阳能电池，从而为可再生能源领域的高效能量分配提供了创新方案。

尽管具有上述显著优势，提升碳纳米管纤维的性能仍是一项关键挑战。虽然单个碳纳米管的卓越性能已有充分记载，但在宏观组装后会出现严重的性能衰减，通常利用率不足10%[24]。这一瓶颈主要源于松散堆积结构和管间较弱的相互作用力（主要依赖范德华力）。因此，施加的应力会引发管间滑移而非固有断裂，严重削弱载荷传递效率。即使用作高性能聚合物（如芳纶）的增强填料，其增强效率仍然相对有限。在电学性能方面，这些纤维的导电率显著低于铜等传统金属导体，巨大的接触电阻成为其在功能应用中面临的重大障碍。同时，其独特的微观结构促进了快速的表面热辐射，导致测得的表观热导率与本征材料值之间出现显著差异，从而限制了其在热管理方面的潜力。因此，如何有效地将碳纳米管的微观优势转化为宏观工程应用，已成为碳纳米管技术中最关键的难题[25]。

至关重要的一点是，在上述实际应用中，碳纳米管纤维几乎总是运行在电、力、热等多场耦合的环境中[26]。例如，柔性电子器件中的碳纳米管纤维导线必须同时承受电流传输产生的电场和热场，以及器件弯曲引起的机械载荷。同样，智能执行器中的电致伸缩过程会引发电场、机械应力和焦耳热之间的复杂相互作用。在航空航天场景中，增强型复合材料结构件必须在飞行过程中承受气动载荷、极端温度波动以及潜在的电磁感应。此外，可再生能源器件中的电极必须承受充放电循环过程中电化学反应热、体积应力和电场的联合作用。在这些复杂条件下，碳纳米管纤维的协同多物理响应直接决定了其运行稳定性、功能效能和服务寿命，深刻影响变形演化、性能退化和失效模式。因此，系统阐明这些协调的多物理响应机制，并深入研究纤维束增强策略，对于优化结构设计、提高可靠性和促进实际工程应用至关重要[27]。

鉴于以上考量，本综述系统总结了碳纳米管纤维束中的典型结构缺陷、近期增强方法以及多物理场性能响应理解方面的进展（图1a）。我们全面阐述了旨在提高纤维性能的二次加工方法的技术路线和增强机制，包括酸处理、热退火、致密化、复合基体构建和掺杂调控。最后，我们探讨了多物理场耦合条件下的深层性能调控策略和优化方法，为高性能碳纳米管纤维的设计与部署提供了可靠的理论参考（图1b）。

## 纤维结构缺陷与失效机制

必须强调的是，单个碳纳米管中的固有缺陷并非源于相邻管之间的机械滑移或外部断裂。相反，在纳米尺度上，这些结构缺陷主要来源于合成异常，包括晶格空位、杂质污染和残留金属催化剂。从介观尺度来看，碳纳米管束中的结构不规则表现为总体管长的宽分布以及……

## 纤维增强策略与强化机制

纤维束增强的本质在于通过物理或化学策略增强相邻碳纳米管之间的相互作用，并优化纤维密度和排列。为应对碳纳米管纤维中固有的各种结构缺陷，下文所述的各种增强方法旨在提供针对性解决方案：通过强化界面完整性以抑制滑移，通过修复或桥接碳纳米管以减轻断裂影响，以及通过致密化处理……

## 多物理场协同增强

除各种纤维束增强方法外，单个碳纳米管本身具有电-力-热耦合特性，如压阻效应和焦耳热效应[66]。在宏观组装后，这种耦合不仅得以保留，而且得到显著丰富，因复杂的碳纳米管间相互作用（包括接触、滑移和缠结）以及宏观连续体的涌现特性而变得更加多样化。这种协同作用使得……

## 总结

碳纳米管纤维作为典型的1维宏观组装体，展现出卓越的力学强度、电导率和热传输能力。这些属性支撑了其在柔性电子、自适应执行器和下一代储能系统中的广泛应用前景。本综述批判性地综合了碳纳米管纤维研究的最新进展，重点关注其固有结构缺陷和分层纤维束……

## CRediT作者贡献声明

刘光远：写作——审阅与编辑、写作——初稿。刘新辉：资源、项目管理。吴承威：方法学、调查。李秋彤：项目管理、方法学。胡森：验证。储殿明：形式分析、数据整理、概念构思。侯佩武：方法学。白文娟：资源、调查、资金支持。

## 利益冲突声明

作者声明他们没有已知的与本文报道的工作可能产生影响的竞争财务利益或个人关系。

## 致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：52576075）和山东省重点研发计划（重大科技创新项目）（编号：2025CXGC010402）的资助。

刘光远 | 吴承威 | 刘新辉 | 胡森 | 李秋彤 | 侯佩武 | 储殿明 | 白文娟

山东科技大学机电工程学院，高性能碳材料制备与应用山东省重点实验室，山东青岛 266061，中国