物理系姜开利课题组和段文晖课题组发展出超轻质、多用途超顺排碳纳米管高低温胶带
Oct 11 2019
在极端工作环境下，很多常规的方法已经不再适用，很多常见的材料无法正常工作。在高温或低温粘接领域，传统的粘结剂会失去它们的粘性，并留下难以去除的残胶。因此人们开始发展新型的可用于高低温工作环境的粘结剂。先前的研究者利用垂直排列的碳纳米管阵列用作高低温固态胶，但这种碳管胶相对来讲仍然较厚，用量较多，因而成本偏高
最近，清华大学物理系低维量子物理国家重点实验室博士生金翔、谭恒心、巫梓鹏和航空航天学院博士生梁杰存等同学在导师们的指导下，通力合作，发展出基于超顺排碳纳米管薄膜的超轻质、多用途高低温胶带。超顺排碳纳米管薄膜作为一种纯碳材料，可以从超顺排碳纳米管阵列中干法制备出连续的碳纳米管薄膜，碳纳米管之间通过范德华力彼此连接，在极端条件下仍然可以保持其粘弹性。超顺排碳纳米管薄膜表面干净、碳管水平排列，当其与其它物体接触时能够提供较强的界面范德华力，因此可以作为一种胶带来粘接各种物体，其优点在于：可以在极端环境中使用（高至1000℃以上，低至-196℃）；使用后容易去除，不会破坏物体表面；比粘接强度大，用量少，节省材料，环境友好；适合粘接各种材料，可用于金属材料、非金属材料、陶瓷材料、塑料材料等多种类型材料的粘接。
图1. A 表现了超顺排碳纳米管薄膜可以像普通胶带一样使用；B-H为超顺排碳纳米管胶带的使用步骤，既可以当做单面胶带使用，也可以当做双面胶带使用；I表明可以将碳纳米管胶带切成百微米尺寸的区域。J-K表明碳纳米管薄膜在液氮温度以及高温下（氩气保护）仍然保持其粘弹性。
本研究工作发现超顺排碳纳米管薄膜既可以当做单面胶使用，也可以当做双面胶使用，且在超高超低温度下仍然可以保持粘性。单层碳纳米管薄膜厚度只有50nm，面密度为0.5µg/cm2 ，鉴于碳纳米管薄膜超薄、超轻的特性，其比粘接强度可以达到1.1N/µg，远远大于其它材料。通过控制变量研究了预压力、循环次数、预拉伸、薄膜层数以及施力方向对超顺排碳纳米管薄膜的影响，实验结果表明对抽膜均匀性、稳定性的要求不高，胶带使用门槛低。在这之前有文章报道直接用碳纳米管阵列做为粘接剂，但是直接用碳纳米管阵列消耗巨大，成本较高，不适合大面积使用。而超顺排碳纳米管薄膜因为有1:700的阵列-薄膜面积转换比，非常适合大面积使用，易于量产。在文中我们还对单根碳纳米管与各个表面之间的范德华力做了第一原理计算，发现对单根碳管而言，当其水平放置在基底上时，范德华力的峰值出现在距离为3-4 Å处，说明只有表层碳纳米管的表层原子对粘接强度有影响，是实实在在的表面粘接。不同手性的碳纳米管与表面的相互作用力不同，可以用碳管半径定性解释相互作用力的强弱关系。碳纳米管在不同的金属表面粘接强度不同，这与材料的Hamaker常数相关。
图2. A为2.5 µg的碳管胶可以悬挂200g的重物；B为各种胶的粘接强度和适用温度；C为碳纳米管胶在高温和低温下的粘结强度；D-G表现了碳管胶可以很方便地去除且无残留；H为碳管胶对各种材料的粘接强度。
这一工作已于2019年10月9日在《Nano Letters》杂志上发表（Continuous, Ultra-lightweight, and Multipurpose Super-aligned Carbon Nanotube Tapes Viable over a Wide Range of Temperatures），并被选为当期的补充封面（Supplementary Cover），同时受到ACS PressPac、Materials Today、Science Daily等众多学术媒体的广泛报道。清华大学物理系博士生金翔同学为论文的第一作者，谭恒心、巫梓鹏为文章共同第一作者，清华大学物理系姜开利教授、段文晖教授、材料学院刘锴教授、航空航天学院李喜德教授为论文的通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金（51727805, 51602173, 11774191, 51672152, 61774090和 11632010），国家重点基础研究专项基金（2018YFA0208400和2016YFA0301001），北京市未来芯片技术高精尖创新中心（ICFC）的资助。