鑽石舞台

極端環境（例如極高和極低的溫度、高壓、水下等環境）所包含的環境因素會對材料的內部結構包括材料內部原子間的鍵合、微觀結構排布或原子中的電子結構和電子/聲子運動造成影響，從而導致材料的結構或功能發生變化。因此，極端環境應用不僅需要獨特的「積木」材料，還需要特定的結構設計和相應的製造技術來實現材料在不同極端環境中的應用。鑑於碳納米管 (CNTs) 和石墨烯等碳納米材料優異的機械強度、導電性、熱/化學穩定性和可設計性，它們作為極端環境應用的「積木」材料已被廣泛研究。

近日，華中科技大學材料科學與工程學院徐鳴教授課題組在《Advanced Materials》期刊上發表了題為「Structural Design and Fabrication of Multifunctional Nanocarbon Materials for Extreme Environmental Applications」的綜述文章（DOI: 10.1002/adma.202201046）。該篇綜述文章首先介紹了極端環境的應用背景及傳統材料的應用限制。系統介紹了碳納米材料（石墨烯、碳納米管）作為「積木」材料在極端條件下應用的性能優勢，包括力學、電學與熱學性能，並與傳統材料進行了對比。在此基礎上，進一步總結了碳納米材料及其複合材料的結構設計和製造技術的原理。以碳納米材料及其複合材料在極端環境下的應用，包括寬溫度範圍內結構材料的構建、低溫儲能設備、水下傳感器、高低溫電子器件以及航空航天、海軍等為實例，介紹了其在極端環境下的應用優勢。最後，從微觀設計，宏觀調控與大規模製備的角度，對進一步推進碳納米材料在極端環境中的應用進行了展望。

圖1.極端環境及其相應的應用

圖2. 陶瓷、金屬、聚合物與碳納米材料的力學性能對比

圖3. 陶瓷、金屬、聚合物及碳納米材料的電學特性對比

圖4. 陶瓷、金屬、聚合物與碳納米材料的熱學性能對比

碳納米材料及其複合材料具有多種特性，例如在寬溫度範圍內的不隨溫度變化的阻尼特性、優異的比電導率和相對熱穩定性，可以在各種極端環境中使用。為滿足基於其在特定極端環境中的應用要求，碳納米材料的結構設計也至關重要。在此，主要從以下兩個角度來討論碳納米材料的結構設計：純碳納米材料和碳納米基複合材料。

圖5. 用於極端環境的多功能純碳納米材料的結構設計。a）具有77-1273 K寬溫度範圍內粘彈性不變的碳納米管橡膠；b）在4-1273 K範圍內具有約90%可逆壓縮變形的超彈性石墨烯海綿；c）在93-773 K範圍內具有超高拉伸比（~200%）的二元納米碳氣凝膠；d）在83-1306 K範圍內用於粘附的碳納米管陣列；e）在77-1273 K範圍內具有穩定粘附性能的碳納米管膠帶；f）在300-454 K充當散熱裝置的石墨烯薄膜；g）在300-500 K範圍內具有高導熱性的碳納米管/石墨烯薄膜；h）在4-300 K範圍內具有高比電導率的碳納米管纖維；i）在83-573 K範圍內具有高結構穩定性的碳納米管/石墨烯氣凝膠

圖6. 用於極端環境的碳納米基複合材料的結構設計。a）具有高抗輻射性能的石墨烯/鎢；b）具有高抗輻射性能的石墨烯/釩；c）在1473 K具有穩定電阻的h-BN/CNT線；d）在1273 K具有高導電率的石墨烯/銅線；e）石墨烯及其聚合物衍生物的陶瓷複合材料；f）具有高抗輻射性的碳納米管/鋁複合材料；g）CSCNT的結構示意圖；h）用作防腐塗層的高耐蝕CSCNT/環氧樹脂複合材料；i）具有高耐蝕性的rGO@APTES/PVB塗層。

圖7. 碳納米材料的五種製備方法。a-b）化學氣相沉積法；c-d)選擇性自組裝；e-f)材料複合；g-h)結構和化學改性；i-k)組合工藝。

極端環境下使用的碳納米材料功能特性的實現很大程度上取決於其結構和組裝，而其結構和組裝的實現則取決於其合成和製備。該部分系統的介紹了碳納米材料的合成與製備。通過化學氣相沉積法可對碳納米材料單體和宏觀集合體進行可控制備，例如碳納米管的壁數、高度和密度、石墨烯的層數等。通過選擇性自組裝可製備用於極端環境中的多種結構碳納米材料。將碳納米材料作為預製體和分散體來進行複合；碳納米材料的結構或化學改性可以通過等離子體刻蝕或摻雜實現；可以通過多種工藝組合來共同實現碳納米材料的功能多樣化。

基於上述製備工藝，本綜述以寬溫度範圍內結構材料的構建、低溫儲能設備、水下傳感器、高低溫電子器件以及航空航天、海軍等為實例，介紹了碳納米材料在極端環境下的應用優勢。

圖8. 在寬溫度範圍內具有穩定機械性能的純碳納米材料。a-d）紗線和纖維狀的一維組件宏觀與微觀示意圖；e,f）片狀和薄膜狀二維組裝體宏觀與微觀示意圖；g-i）森林、泡沫和氣凝膠結構的三維組件宏觀和微觀示意圖；j）碳納米材料的模量與密度之間的關係；k）不同溫度下碳納米材料的模量

圖9. 碳納米材料對低溫儲能的影響。a-c）碳納米管；d-f）石墨烯；g-i）混合；j）基於碳納米材料與其他材料的電池比電容與工作溫度對比；k）基於碳納米材料與其他材料的超級電容器比電容與工作溫度對比

圖10. 基於碳納米材料的水下傳感裝置。a）相襯X射線斷層掃描圖像（左）和草圖圖像（右）所示的碳納米管紗線結構；b）分子動力學模擬，用於模擬扭轉引起的壓力對電化學可用面積的影響（黃色部分）；c）碳納米管基紗線傳感器在韓國附近的Gyeonpo Sea工作的場景；d）碳納米管薄膜的TEM圖像，紅線區域代表電化學可用面積。插圖：碳納米管電化學可用面積TEM放大圖；e）碳納米管基薄膜傳感器工作機制；f）碳納米管基薄膜傳感器在武漢東湖工作的場景；g）激光誘導石墨烯海綿的SEM圖像。插圖：激光誘導石墨烯海綿的SEM放大圖；h）基於激光誘導石墨烯海綿的傳感器照片；i）激光誘導石墨烯傳感器在紅海工作的場景；j）負泊松比傳感器的工作機制；k）施加張力前後負泊松比海綿結構的SEM圖像；l）在冰浴超聲處理期間測試其水下耐久性。插圖：負泊松比傳感器在水中工作的場景（上）並在12個周期內放大其性能（下）

圖11. 基於碳納米材料的高低溫電子器件。a）將碳納米管薄膜作為場效應晶體管（FET）的溝道材料；b）碳納米管水平陣列的SEM圖像；c）碳納米管水平陣列的半導體純度與密度的ashby圖；d）碳基FET通態電流與斷態電流隨溫度的變化關係；e）基於石墨烯納米帶陣列的FET示意圖；f）石墨烯納米帶的載流子遷移率、帶隙與納米帶寬度的關係；g）通過高壓和熱處理製備石墨烯納米帶；h）器件的載流子遷移速度與溫度的關係；i）不同材料的載流子遷移率與帶隙；j-k)基於石墨烯和碳納米管的FET；l）石墨烯基外差混頻器的高溫性能。

圖12. 碳納米複合材料在航空航天和海洋領域的應用研究。a）機翼；b）碳納米管陣列用於改善碳纖維層壓板的機械性能；c）宇航服；d）用於宇航服除塵的碳納米管紗線/聚合物塗層；e）衛星塗層；f）具有高抗輻射性能的碳納米管陣列/PI複合塗層；g）衛星塗層；h）用於輻射防護的石墨烯海綿/PI複合塗層；i）機身；j）具有低CTE的碳納米管/鋁複合材料；k）導電粘合劑；l）用於航空粘合劑的碳納米管/環氧樹脂複合材料；m）防腐塗層；n）用於防腐的石墨烯/環氧樹脂複合塗層；o）隱形塗層；p）用於船舶隱身的石墨烯/橡膠複合塗層

最後，實現碳納米材料在極端環境中的應用需要多種技術的結合，包括理論研究、反應器系統和工藝設計、人工智能輔助設計，以及對所需碳納米材料結構的清晰理解。只有通過這些途徑，我們才能進一步解決剩下的看似不可逾越的科學挑戰，推動碳納米材料的產業發展和規模化生產及其在極端環境中的應用。

原文鏈接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202201046

相關進展

華中科技大學徐鳴教授Nat. Commun.：碳管設計在低溫儲能應用的研究成果

哈工大（深圳）趙維巍教授課題組《ACS AMI》：基於碳納米管/聚二甲基硅氧烷的自供電多功能電子皮膚及其在健康監測領域的應用

天津工大耿建新教授、中科院高能所鄭黎榮副研究員 CEJ：在碳納米管表面接枝含Co單原子的CMPs提升硫正極反應