碳納米管功能材料()是將納米科學和納米技術轉化為實際應用的一個重要研究領域，在科學、技術和工程領域具有潛在的影響。

文章綜述了的最新研究進展和應用前景，突出了關鍵問題和未來的挑戰。重點研究了宏觀長纖維、薄膜、塊狀海綿等不同尺寸、特征明顯的典型，并涵蓋了多種衍生復合/分層材料。本文還特別討論了與它們的結構、性質和應用有關的關鍵問題，如在機械和電子設備、先進的能量轉換和存儲系統以及環境領域中作為堅固的導電骨架或高性能柔性電極的應用。最后，為克服目前的障礙和促進今后的工作提出了可能的解決方案和方向。

CNT纖維基功能材料:現狀與展望

碳納米管具有大長徑比的一維結構，可以紡成與傳統棉線相似的長連續纖維。最吸引人的特性是，CNT纖維集成了優良的機械和電氣性能以及優越的柔韌性，而傳統的聚合物或碳纖維通常只有一或兩種這些性能。目前，通過化學氣相沉積(CVD)、溶液擠壓或超對齊陣列干紡絲等工藝，已經實現了長度可達公里的CNT纖維的連續大規模制備。此外，具有大表面積的CNT組裝結構使制備功能器件成為可能，將未來的應用從結構材料擴展到能源、環境、電子設備和智能紡織品等廣泛領域。最有前景的兩個方向可能是:(1)以碳納米管纖維為主要骨架(像碳纖維一樣;見表1）(2)纖維形狀的功能材料和器件，將是柔性和可編織的，用于傳感器和執行器，以及能量轉換和存儲。為此，許多研究集中在工程微結構，提高強度和電導率，以及探索優化的器件配置和性能。

圖文解析

表1. CNT纖維基材料的應用:目前的競爭材料和研究方向

圖1. 增強導電多功能碳納米管纖維及納米復合材料。(a) CNT纖維的軋制和致密化。(b) CNT纖維的聚合物滲透和碳化。(c) CNT纖維的金屬包覆與擴散。

圖2. CNT纖維傳感器和執行器。應變、溫度、液體和氣體傳感器。(b)拉伸和扭轉執行器。(c)能源收割機和冷藏設備。

圖3. CNT纖維為基礎的柔性能源裝置。(a)在CNT纖維上裝載活性材料。(b) CNT纖維基LED、超級電容器、鋰離子電池和其他電池。(c)基于CNT纖維的可拉伸分層電極。

圖4.(a)碳納米管膜的結構特征示意圖，包括隨機碳納米管、定向碳納米管和基于碳納米管的雜化膜，(b)它們對應的結構工程，(c)應用前景廣闊

圖5. (a, b)隨機碳納米管薄膜的合成方法及熱點應用。(c, d)定向CNT薄膜的合成方法及熱點應用。(e, f) CNT基雜化膜的合成方法及應用熱點。

圖6. 三維CNT組件和復合材料示意圖:其制造方法和結構(內圓)和典型的結構工程策略(外圓)。

圖7. 三維CNT組件和復合材料的典型應用。(a)環境應用 (b)機電設備、柔性導體和電磁干擾屏蔽 (c)熱電應用程序 (d)電催化作用的應用程序 (e)電化學儲能和后發電系統。

表2. 3D CNT組件和復合材料()應用:目前的競爭材料和研究方向

本文綜述了基于一維到三維結構(纖維、薄膜和陣列/海綿)的的特點和最新研究進展，并討論了在各個領域的實際應用面臨的挑戰和可能的解決方案。

機械相關應用和CNT材料方法。未來的研究包括高性能(如強度、電導率和熱傳導率)CNT纖維和多功能增強納米復合材料。如前所述，機械致密化(如收縮和軋制)、聚合物滲透(碳化)和最近的金屬封裝(隨后是熱擴散)是進一步改善纖維性能的有效方法。超長無缺陷碳納米管如果能夠大規模生產，將導致具有額外普通力學性能(例如極高的強度、韌性和抗疲勞性能)的先進纖維材料。此外，3D多孔CNT海綿、CNT海綿/碳纖維多尺度結構，甚至CNT海綿/CNT纖維結構都是制備多功能碳納米復合材料的潛在內置框架，具有增強界面/基體和高導電性。多層碳納米管纖維(如扭曲、盤繞和滲透)及其拉伸/扭轉致動器可以擴展其在能源收集和熱制冷方面的應用。在纖維、紡織品和3D多孔網絡/復合材料的基礎上，可以開發出多種功能系統，還可以提高可穿戴設備的靈活性和抗疲勞能力，或增強電池電極的面積/體積容量。

電子，光電子，熱電應用， CNT材料方法。網狀自立式CNT薄膜是作為機械堅固，但高柔性，耐腐蝕，透明導電電極的理想候選人，用于各種電子和光電子取代ITO和金屬基電極。通過摻入碳納米管，調整微觀結構(如定向或隨機網絡)，形成一維/二維雜化復合材料(如碳納米管/石墨烯和碳納米管/ MoS2)，可以進一步提高碳納米管的導電性能和透明度。晶片規模的高純度和高密度半導體 CNT晶體管和集成電路最近已經實現，在低成本的可擴展生產(通過直接增長或后組裝路線)高性能CNT器件將有更多的進展。此外，碳納米管薄膜的互連多孔結構和三維網絡導致高導電性但很低的熱導率。這一特點為開發太陽能蒸汽發電系統帶來了機遇，該系統具有更好的光吸收、水運輸和隔熱性能，以及熱電裝置具有更強的優點。將碳納米管與傳統半導體和許多新興二維材料相結合，探索混合維范德瓦爾斯異質結和下一代光電子器件的物理性質也將是非常有趣的。

電化學催化和能量存儲應用以及CNT材料方法。3D碳納米管網絡(如海綿)在電化學應用方面具有獨特的優勢，因為它們具有高導電性的電子傳輸路徑、用于離子傳輸和電解質/氣體通道的分層多孔結構、機穩定性和作為獨立柔性電極的潛力。3D碳納米管網絡可直接應用于各種電化學系統，包括電催化、超級電容器、金屬離子電池和下一代金屬?S/?空氣電池，或作為陰極和陽極的導電框架。三維多孔碳納米管網絡作為陰極，適合接枝活性材料構建具有定制微結構、可容納放電產物和電極體積變化的雜化復合材料。與傳統的鋰箔相比，復合陽極可以通過將鋰滲透到三維碳納米管網絡中來設計，有望克服樹枝晶形成和粉碎等重大挑戰。這些策略利用了高多孔和分層的三維碳納米管復合電極，大幅提高了電化學系統的整體性能，包括比容量、速率能力、循環穩定性、可靠性和安全性。此外，高柔韌性和導電性的碳納米管纖維和薄膜可以構建成智能紡織品和可穿戴電源系統。

CNT材料實用應用的安全問題。提到的實際應用(如在可穿戴設備上)，納米毒性和電化學安全應受到高度關注。一方面，碳納米管于2020年被作為一個整體加入到SIN(“立即替換”)清單中。另一方面，僅某些類型的長而剛性的CNTs（純度> 55％的，直徑小于2 nm，長度5-15μm和-7）被國際癌癥研究機構（IARC）歸類為“可疑致癌物”。實際上，CNTs是一類具有豐富多樣性的材料，大多數它們（尤其是短的和可溶的）沒有明顯的毒性證據。對于那些有潛在風險的碳納米管，適當的化學功能化可以減少其危害。我們還強調指出，上述宏觀1D，2D和3D組件中的CNTs通常被范德華相互作用緊密纏結，形成穩定的整體結構，即不容易脫落和被吸入，或穿透皮膚此外，在較寬的電壓范圍內，碳納米管與溫和的化學試劑具有化學穩定性和惰性。綜上所述，具有廣泛的應用基礎，但應避免過度接觸，并采取適當的保護措施，以確保安全。和相關技術為改變我們的生活和社會提供了巨大的潛力，未來存在著巨大的機遇。

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