化工系张如范课题组在高性能彩色碳纳米管纤维制备方面取得突破

近日，清华大学化工系张如范副教授课题组在高性能彩色碳纳米管纤维可控制备方面取得突破，在世界上首次制备出彩色碳纳米管纤维，展示出优异的阻燃性能和耐久性能，首次解决了长期以来碳纳米管难以彩色化和易燃的难题，显著提升了其性能优势，拓展了其应用领域。

图1. 本工作被《科学·进展》(Science Advances)选为特色论文并在网站首页进行报道

碳纳米管被认为是制备超强纤维、透明导电膜、下一代碳基芯片、智能可穿戴设备等众多前沿领域的候选材料，在过去的三十多年中得到了广泛关注。碳纳米管纤维因其低密度、高强度、高韧性、高柔性、高电导率、低热膨胀系数和多功能特性，在航空航天和国防军工等领域具有重大的需求，能够有效地提高飞行器的有效载重、耐腐蚀性、抗冲击疲劳性、耐热性等。此外，碳纳米管纤维也是制备柔性纤维电极的理想材料，在以智能电子织物及其功能集成系统为代表的可穿戴设备领域具有广阔的应用前景。

然而，碳纳米管的两个固有性能特性严重限制了其性能提升和应用范围。首先，碳纳米管因其对可见光的超强吸收能力，被认为是世界上最黑的材料，并且由于其表面高度结晶性以及化学惰性，也无法利用常规方法对其进行化学染色，因此，碳纳米管单调的黑颜色和难以着色特性使其难以满足美学和时尚的要求，极大地限制了它们在柔性可穿戴设备、智能织物、功能涂层等众多领域的应用。此外，作为一种典型的碳材料，碳纳米管高温有氧环境中容易燃烧，这种易燃特性严重限制了它们在飞行器外壳、武器装备等众多涉及高温有氧环境中的应用。

图2.碳纳米管纤维的结构致色方法及其原理示意图

张如范课题组受自然界中结构色的启发，首次提出了利用结构致色实现碳纳米管彩色化的思路。课题组利用原子层沉积技术在碳纳米管纤维表面覆盖一层厚度仅为50~300纳米的二氧化钛(TiO2)致密涂层，即可使碳纳米管纤维表面呈现出鲜艳的颜色(图2)。作者深入研究碳纳米管纤维的致色机理，当入射光到达涂有TiO2层的碳纳米管纤维表面时，除了少部分光被吸收外，大部分入射光在TiO2层表面产生反射、散射或折射现象，由于TiO2与碳纳米管对可见光反射率与折射率的差异，TiO2层与碳纳米管纤维表面发生薄膜干涉，从而使包覆有TiO2层的碳纳米管纤维产生绚丽的颜色。通过调节氧化物种类和厚度，即可改变碳纳米管纤维表面的颜色。这种致色方法具有很好的普适性，可适用于任何类型的碳纳米管纤维;此外，除了TiO2，其他常见的氧化物(如氧化锌、氧化铝、氧化镁、氧化硅等)均可用作良好的结构致色涂层材料。

图3.彩色碳纳米管纤维的结构耐久性、阻燃性及其力学和电学性能

基于结构色的彩色碳纳米管纤维表现出优异的性能。首先，由于氧化物涂层与碳纳米管纤维表面之间存在化学键，从而使其具有较强的附着力。相比于传统染料和颜料，以氧化物涂层为基础的碳纳米管结构色表现出了超强的耐久性(图3)，可经受2000次洗涤实验和10个月以上的高强度紫外线辐照实验。更重要的是，覆盖氧化物涂层的碳纳米管纤维具备显著的阻燃性能，与纯碳纳米管纤维相比，覆盖有氧化物涂层的碳纳米管纤维在接触火焰8小时后仍不发生燃烧，并能保持结构的完整性。此外，氧化物涂层对碳纳米管纤维原有的电学和力学性能的影响非常小。因此，这种基于无机氧化物涂层的碳纳米管结构致色技术显著提高了碳纳米管的本征性能，大大拓宽了其应用领域。

该工作以研究长文形式发表在国际知名期刊《科学·进展》(Science Advances)上，题为“具备超耐久性和阻燃性的碳纳米管结构致色”(Superdurableand fire-retardant structural coloration of carbon nanotubes)，并被选为该期刊2022年第26期特色论文(Featuredarticle)(图1)。

论文通讯作者为清华大学化工系张如范副教授，共同第一作者为化工系博士后陈凤翔，2019级联培硕士生黄娅、2020级博士生李润、2021级联培硕士生张世亮。其他合作者包括清华大学化工系魏飞教授，博士后王宝顺、吴学科、张文硕，2019级博士生姜沁源、2021级博士生汪菲、2021级博士生赵思名。共同作者还包括武汉纺织大学徐卫林院士、2019级博士生吕佩、2022级硕士生骆宇新。该研究工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划的支持。

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