在材料科學的浩瀚星空中，碳納米管（CNTs）以其獨特的電學、力學、熱學及光學性能，如同一顆璀璨的新星，持續吸引著全球科研界的目光。近年來，雙壁碳納米管（DWCNTs）作為碳納米管家族中的佼佼者，更是因其獨特的雙層結構而展現出更加優異的綜合性能，成為構建下一代高性能纖維材料的理想候選。近日，中國科學院金屬研究所的研究團隊在雙壁碳納米管纖維研究領域取得了突破性進展，這一成果不僅為材料科學領域帶來了新的曙光，更為未來輕質、高強電纜及電加熱元件等應用開辟了新的道路。

突破性的研究背景

碳納米管自被發現以來，便因其卓越的物理性能而備受矚目。然而，將納米尺度的單根碳管高效組裝成宏觀纖維，并實現其優異性能的跨尺度傳遞，一直是材料科學家面臨的巨大挑戰。傳統的濕法紡絲技術雖能制備出導電性良好的碳納米管纖維，但過程中易形成的“皮芯結構”卻極大地限制了纖維的取向度、密實度及電學和力學性能的提升。因此，如何突破這一瓶頸，成為推動碳納米管纖維應用的關鍵。

創新性的研究方法

面對這一難題，中國科學院金屬研究所的王昊梓軻博士研究生、侯鵬翔研究員和劉暢研究員等組成的科研團隊，經過不懈探索，終于在碳納米管纖維紡絲工藝中引入了前所未有的創新——空氣段干噴濕紡技術。這一技術通過在紡絲過程中加入一段空氣段，對雙壁碳納米管紡絲細流施加重力牽引，有效提高了纖維的定向性和密實度，同時巧妙地規避了“皮芯結構”的形成。

卓越的研究成果

采用這一創新技術，研究團隊成功制備出了高取向度（取向因子達到0.994）、高致密度（1.96 g cm^-3）的雙壁碳納米管纖維。該纖維不僅電導率高達1.1×10^7 S m^-1，載流量也達到了驚人的8.0×10^8 A m^-2，其比電導率和比容量分別達到5.62×10^3 S m^2 kg^-1和4.09×10^5 A m kg^-1，分別是銅導線的86%和3倍。更令人矚目的是，該纖維的變溫電阻系數僅為銅導線的1/2，展現了優異的溫度穩定性。

在力學性能方面，該雙壁碳納米管纖維同樣表現出色。其拉伸強度和斷裂韌性分別提升了1.8倍和2.5倍，達到了1.65 GPa和130.9 MJ m^-3。此外，在1V電壓下，相較于傳統鎢錸絲，該纖維展現出了更優異的電加熱性能，預示著其在航空航天等需要輕質電加熱元件的領域具有廣闊的應用前景。

深入的技術解析

這一突破性成果的取得，關鍵在于“皮芯結構”的消除以及纖維取向度和密實度的顯著提升。通過空氣段干噴濕紡技術，研究團隊有效改善了纖維的內部結構，增加了碳納米管之間的有效接觸面積，從而實現了纖維電學和力學性能的雙重飛躍。同時，該技術還顯著提高了纖維的制備效率，為大規模工業化生產奠定了基礎。

展望未來的應用前景

隨著雙壁碳納米管纖維研究的不斷深入，其在多個領域的應用潛力正逐步顯現。在電纜領域，高導電性、低電阻系數及輕質高強的特性使得該纖維有望成為傳統金屬導線的替代品，廣泛應用于電力傳輸、航空航天等領域。在電加熱元件方面，其優異的電加熱性能則為其在極端環境下的應用提供了可能。