塑料是現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的基礎(chǔ)材料，但其在力學(xué)強(qiáng)度、導(dǎo)電及導(dǎo)熱性能等方面存在固有缺陷。碳納米管具有獨(dú)特的一維納米結(jié)構(gòu)與優(yōu)異的力學(xué)、導(dǎo)電、導(dǎo)熱綜合性能，是塑料綜合性能提升的理想增強(qiáng)體。然而，傳統(tǒng)技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)高含量碳納米管在高分子基體中的均勻分散復(fù)合，對(duì)塑料性能改善有限，嚴(yán)重制約了其在高端領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張永毅、李清文研究員團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合北京大學(xué)、武漢大學(xué)、美國(guó)德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校與北京石墨烯研究院等多家單位，創(chuàng)新性提出一種高體積含量有序碳納米管導(dǎo)電導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)組裝體與熱塑性高分子的可控復(fù)合策略，破解了高體積含量碳納米管與熱塑性高分子的復(fù)合難題，研制出可塑性加工、能3D打印成型的碳納米管超級(jí)塑料（CNTSP）。相關(guān)研究成果已發(fā)表于國(guó)際權(quán)威期刊《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》（National Science Review，NSR）。

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提出原位制備策略 破解高添加量復(fù)合難題

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)明了高體積含量碳納米管網(wǎng)絡(luò)與熱塑性高分子的通用復(fù)合技術(shù)，以浮動(dòng)催化化學(xué)氣相沉積法生長(zhǎng)連續(xù)碳納米管組裝網(wǎng)絡(luò)，將其在尼龍6（PA6）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚丙烯腈（PAN）、聚碳酸酯（PC）、聚醚酮酮（PEKK）等高分子溶液中進(jìn)行原位的連續(xù)浸漬復(fù)合，經(jīng)過(guò)后續(xù)多級(jí)熱處理進(jìn)一步提升了復(fù)合材料中碳納米管網(wǎng)絡(luò)的有序性，成功實(shí)現(xiàn)最高59%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碳納米管在上述高分子中的可控分散與復(fù)合。

碳納米管超級(jí)塑料制備技術(shù)

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高含量納米尺度均勻復(fù)合 綜合性能跨越提升

受漁網(wǎng)捕魚(yú)原理啟發(fā)，將碳納米管疏松網(wǎng)絡(luò)組裝體在高分子溶液收縮致密，實(shí)現(xiàn)了高含量碳納米管與高分子在納米尺度的充分接觸與均勻復(fù)合，高導(dǎo)電導(dǎo)熱的碳納米管網(wǎng)絡(luò)賦予了塑料優(yōu)異的力電熱性能。PA6基碳納米管超級(jí)塑料力學(xué)拉伸強(qiáng)度達(dá)663 MPa，遠(yuǎn)超普通工程塑料，并展現(xiàn)出優(yōu)異的抗應(yīng)力松弛能力；在導(dǎo)電性能方面，電導(dǎo)率達(dá)到8.6×104 S·m–1，相較傳統(tǒng)復(fù)合技術(shù)提升1-2個(gè)數(shù)量級(jí)，經(jīng)過(guò)10萬(wàn)次彎折后，導(dǎo)電性能衰減不足10%；在導(dǎo)熱性能方面，熱導(dǎo)率高達(dá)143 W·m–1·K–1，高于304不銹鋼和部分鋁基合金，比典型塑料（約0.1 W·m–1·K–1）高2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)導(dǎo)熱各向異性比約為123，可實(shí)現(xiàn)熱量的定向傳輸，賦予了碳納米管超級(jí)塑料廣闊的應(yīng)用前景。

碳納米管超級(jí)塑料的微觀結(jié)構(gòu)

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可熱塑性加工 能3D打印成型

碳納米管超級(jí)塑料保留了傳統(tǒng)塑料的優(yōu)良熱塑性加工特性，亦可通過(guò)3D打印、熱壓成型方式制成各類(lèi)復(fù)雜結(jié)構(gòu)，適配不同應(yīng)用場(chǎng)景。例如，團(tuán)隊(duì)采用3D打印技術(shù)制備的碳納米管超級(jí)塑料散熱器，能夠快速導(dǎo)出90℃熱源的熱量并實(shí)現(xiàn)顯著的定向散熱效果。相較傳統(tǒng)塑料，超級(jí)塑料在導(dǎo)電導(dǎo)熱性能方面實(shí)現(xiàn)跨越提升，這為熱塑性高分子材料的發(fā)展提供了全新思路。

碳納米管超級(jí)塑料的熱塑性、可打印性與熱管理應(yīng)用

https://doi.org/10.1093/nsr/nwag189

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（本文編輯：劉四旦）

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