国家自然科学基金注重项目检验收下通过获优,碳飞米管有助提高输配电系统有效和可信性

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8月9日,国家自然科学基金委信息科学部组织专家组对西安交通大学电信学院朱长纯教授承担的国家自然科学基金重点项目(60036010)“碳纳米管电子传输和场发射特性及其应用的关键技术”进行了验收。

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碳纳米管是目前已知质量比强度最高的材料。碳管的轴向导热率可以和金刚石相媲美,而金刚石是导热率最高的材料。碳管的尖端具有非常好的场发射性能,理论表明,碳管的场发射性能完全符合制作平面显示器对发射材料的需要,用导电膜上生长的取向纳米碳管数组做成高亮度、超薄平面图像显示器可能只是时间的问题。美国市场研究机构Navigant
Research日前发布的一份新报告研究了碳纳米管的全球公用事业市场,突出显示了碳纳米管在电网整合方面的重要特征和挑战,并为公用事业,供应商和研究实验室提供了建议。

专家组听取了项目组主要成员朱长纯教授、李昕博士、刘兴辉博士、曾凡光博士和刘卫华博士的工作总结报告和相关的专题报告,审查了结题材料、研究成果以及制作的碳纳米管场发射显示器(CNT-FED)样品,经认真讨论,一致认为课题组很好地完成了场发射的碳纳米管薄膜阴极制备工艺的实验研究内容;同期完成了能带理论和分子动力学方法进行了碳纳米管及其场发射特性的理论研究内容;并且利用自行建立的工艺线研制成功CNT-FED样品,红绿蓝三色像素尺寸0.35
0.35mm2,亮度分别达到9.0 103、3.5 104和6.0
103cd/m2,可以进行动画显示;在计划书规定的研究任务外,还进行了碳纳米管气体传感器、负离子发生器和碳纳米管储氢的研究,扩大了碳纳米管应用研究范围,其中碳纳米管气体传感器方面的研究成果具有原创性。

4月2日,记者了解到,西安交通大学金属材料强度国家重点实验室与西交大苏州研究院及纳米学院合作,基于原位可控凝胶化过程,制备出Cu导电添加剂及碳纳米管增强的多层硅/碳复合结构。其多层结构特征和碳纳米管增韧碳基体可有效释放充放电过程中硅负极体积变化而产生的巨大应力,Cu导电添加剂的引入提升了复合材料的导电性。

碳纳米管,由碳原子组成的小管,非常适合传输网络电缆和布线。由于它们的物理和化学特性,具有极高的强度重量比和卓越的导电性,但迄今为止,高成本和其他挑战阻碍了其市场应用。

365bet体育在线中文网,近年来,在国内外学术刊物上发表论文141篇,其中SCI收录37篇,EI收录64篇,申请专利15项,其中7项已经获得授权(发明专利3项)。拥有自主知识产权,对于打破国外专利垄断有重要意义。其中“纳米碳管薄膜新工艺技术的研究”成果获得陕西省科学技术二等奖,所研制
“碳纳米管分子动力学模拟软件MDSIM”获得西安市科技进步二等奖。朱长纯教授在该课题研究中培养了9名博士和10名硕士研究生。

锂离子电池硅负极具有其它负极材料无法匹敌的比容量而成为科学界与工业界的研究热点。然而,在充放电过程中,硅电极在脱嵌锂时会发生高达300——400%的体积变化,严重影响硅负极的结构稳定性,且其导电性较差,制约着硅负极的实际应用。该复合材料电极在1A·g-1的大电流密度下经过900次循环后比容量达到1500
mAh·g-1;在4A·g-1的大电流密度下循环展示出1035mAh·g-1的比容量,充分表明在硅颗粒巨大体积变化过程中电极材料仍保持优异的结构稳定性。该复合电极材料的Li
+扩散系数在10-11至10-9 cm-2·s-1范围内,具有快速充放电特性。

Navigant
Research报告认为,碳纳米管市场参与者可以通过优先考虑科学发展和建立市场参与者之间的牢固关系来改变这种状况。

该课题创新性强,具有广阔的应用前景。经专家组评议,一致同意通过验收,项目完成情况为优。

据了解,对能源效率、能量储存和再生能源需求的快速增长促使各类生产企业开始专注于减轻汽车重量、提高风车叶片的强度、改进太阳能电池的性能、升级电缆等举措。创新技术显著改变我们的基础设施、交通及日常生活。但在许多领域,技术升级只能通过使用高性能添加剂促进新材料快速发展来实现。

研究分析师Michael
Hartnack解释说,“公共事业领域将受益于碳纳米管的导电率和强度以及重量特性,因为它们可以集成到输配电网络中,以提高输电效率和可靠性。通过正确的策略,碳纳米管市场的主要参与者有可能提高传输网络的效率和可靠性。”

 

由于良好的抗化学腐蚀性能、宽泛的温度适用范围,硅橡胶的应用非常广泛。在电子、汽车、航空航天、工业和医疗器械、建筑、能源甚至日常消费品等领域,基于硅橡胶卓越特性和导电性,一个巨大的高科技市场正快速发展,到20221年导电硅橡胶市场预计达到26亿美元。为满足这些需求,硅橡胶行业需要积极寻求最具创造性的技术来克服主要性能方面的许多不足和缺陷。

根据报告,科学实验室应继续推动碳纳米管的合成,生产和部署创新,同时供应商应努力降低成本,提高大规模制造能力。与此同时,公用事业公司应该建立与供应商和实验室的关系,并且如果可能的话,建立研发团队来推动创新。

为了给硅橡胶增加导电性,在混合过程中需要加入导电添加剂。最常用的添加剂是炭黑、碳纤维、铜粉、银和镍包石墨和铜—虽然它们确实提供了导电特性,但是添加这类导电剂会对柔韧性和弹性产生负面影响,造成最终产品硬化和使用寿命的缩短。

对传统的以碳为基础的添加剂来说,高添加量会使最终产品颜色逐渐灰色化。这就极大限制了导电橡胶的潜在应用。而且,这些添加量对产品的尺寸和设计产生了负面影响,其结果是只能选择更贵的填料来减少影响。

高性能单壁碳纳米管应用于导电硅橡胶

单壁碳纳米管被认为是最具创新性的技术,它是碳的同素异形体之一,可使导电硅橡胶效率更高、寿命更长、成本更低。虽然与多壁碳纳米管名字近似,但是多壁与单壁碳纳米管就其性能特点、优势以及处理和加工过程来讲,是根本不同的两种材料。单壁碳纳米管实际上是单原子厚度的石墨片卷成的管,有着极高的长径比。导电性优于铜,比钢强度高100倍而重量仅为钢的六分之一。

它们的前身—多壁碳纳米管,直径更粗、由多根碳管互相缠绕而成。为达到渗透阈值,多壁碳纳米管的添加量需要成十倍上百倍的增加。而低至0.03%超低添加量的单壁碳纳米管,即足以提供导电性且对材料的机械性能和粘度没有负面影响。

单壁碳纳米管的超低添加需求使得生产透明和彩色的硅橡胶产品成为可能,且不存在以碳为基础的添加剂常常伴随的灰色化效应。这在抗静电彩色硅橡胶中有着广泛巨大的潜在应用。

另外,单壁碳纳米管的高柔韧性,意味着它们可以互相连结而形成一个三维网络。这种在材料基质中的碳纳米管网络结构可形成均匀永久的导电性,并且因为提高了组分的连接、减少了颗粒的活动能力,而增加了耐磨损和撕裂性能。

该研究工作通过微观组织和界面结构的巧妙设计解决了硅负电极体积效应这一瓶颈问题,有望为新一代高性能锂离子硅负极的开发和应用提供重要参考。研究成果以“In
Situ Synthesis of Multilayer Carbon Matrix Decorated with Copper
Particles: Enhancing the Performance of Si as Anode for Li-Ion
Batteries”为题在国际知名学术期刊ACS
Nano上发表。西安交通大学国家强度重点实验室为该论文的第一作者和第一通讯作者单位。该研究工作是基于西交大材料学院与纳米学院联合培养博士生取得的成果。研究工作得到了国家自然科学基金、苏州纳米科技协同创新中心、江苏省自然科学基金的支持。

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