碳纳米管在不同热处理温度下的结构变化示意图。

高性能碳纳米管纤维的部分性能及与其他传统碳纤维性能对比。

　　综合美国《科学进展》期刊和英国《化工新闻》网站等2022年7月报道，太空升降舱是一种连接地球表面和空间站的结构，可以实现人员和所需物料的经济高效运输。采用轻质且坚固的材料对于实现这种高端技术至关重要。考虑到太空中特殊环境以及装备重量限制，合成纤维往往是这类应用中首选材料。高性能合成纤维具有相似的基本结构，均由沿纤维轴向高度整齐排列的狭长大分子聚合而成。在这其中，碳纳米管（CNT）自被发现以来，一直因其超高强度而被认为是超高性能纤维的最终组成部分。碳纳米管的单层石墨结构拥有高达130GPa的拉伸强度和1000GPa的模量，高于目前已知的任何其他材料。与聚合物不同的是，碳纳米管同时还兼具与铜一样的高电导率和金刚石一般的高导热性；与碳纤维不同的是，碳纳米管仍具有较好的柔韧性并能够承受弯曲和压缩应力。正是由于具有这种独特的性能组合，碳纳米管纤维在军用装备、传感器、能量存储设备甚至太空升降舱等高端应用中均受到极大关注。

　　自从发现并制备出碳纳米管纤维以来，其性能一直在不断提高过程中。但是，碳纳米管纤维理论上具有的非常杰出的性能表现，特别是其强度，实际上仍然与高性能高分子聚合物基纤维水平相当，这表明碳纳米管纤维仅实现了其不到10%的性能潜力，远低于理论预期。碳纳米管纤维的整体性质通常受到其内部结构排列程度和内部相邻石墨层之间的相互作用限制。

　　根据韩国科学技术研究院（KIST）全北先进复合材料研究所BonCheolKu博士领导研究小组的最新研究显示，通过与韩国水原大学Seongwoo Ryu教授的研究团队和西班牙IMDEA材料研究所的Juan José Vilatela博士研究团队的联合攻关，已经研发出一种兼具超高强度和超高模量的碳纳米管纤维，相关科研成果已发表在《科学进展》期刊中。

　　现有的聚丙烯腈（PAN）基碳纤维能够实现高强度兼顾中低模量，而沥青基碳纤维能够同时实现中低强度和高模量。此前的研究表明，在碳纤维中添加少量碳纳米管能够同时提高碳纤维拉伸强度和模量。不过，此次由KIST、水原大学和IMDEA联合研究小组研发制备得到的纤维完全由碳纳米管组成，并没有使用传统的碳纤维前驱体、聚合物和沥青。

　　为了获得肉眼可见具有超高性能纤维，来自韩国的研究团队开发了一种利用单个碳纳米管聚结形成多维纳米结构的方法。根据《通过高分子聚合获得超高强度、模量及高电导率的石墨纤维》中的论述，高度有序排列的碳纳米管纤维，其内部结构排列虽优于聚丙烯腈基碳纤维，但仅表现出与之相当的力学性能，其原因在于高度排列的碳纳米管纤维相邻石墨层间相互作用弱，而聚丙烯腈基碳纤维在石墨化阶段内部会产生强相互作用。研究人员认为，碳纳米管之间的相互作用区域，可以通过折叠纳米管结构实现最大化，从而提高“互动”。

　　研究人员将高度对齐排列的单壁或双壁碳纳米管束，通过适用于大规模生产的湿法纺丝工艺制成纤维。然后利用高温高压热处理的方式，通过将碳纳米管“塌陷”、聚结、再经高温石墨化诱导碳纳米管堆叠并形成多层内壁结构的方式，增加石墨层之间的相互作用。这种先进的纳米结构最终形成了一个互连的、紧密堆积的石墨网络区域。经过充分热处理后，碳纳米管纤维的单向力学、电学、热学性能达到了前所未有的高性能组合，纤维具有6.57GPa高拉伸强度、

　　629GPa高模量、482W/m·K的热导率以及2.2MS/m的电导率。此外由于近乎完美的内部结构排列和高纵向结晶度，增加了碳纳米管之间的剪切强度，同时保持了卓越的柔韧性，克服了采用传统工艺技术合成和制造纤维的限制。

　　研究人员认为，通过高温高压热处理高度对齐排列的碳纳米管纤维结构，能够形成石墨层间具有强相互作用的聚结作用域。经过进一步优化研究，所得到的碳纳米管纤维有望表现出超高强度（超过7GPa）和超高模量（超过1000GPa），模量甚至接近单个碳纳米管的理论性能指标。此外，由于这种结构具有高度定向属性，有利于设计出高分子结构以实现有效的电子和能量转移，新纤维目前已经表现出高热导率（482±63W/m·K）和高电导率（2.2±0.3MS/m）。这种性能水平在航空航天器、机器人(9.800, 0.03, 0.31%)、卫星、电子通信设备等同时需要满足高力学、热学、电学性能的领域，具有重要应用潜力。

　　Bon-CheolKu博士表示，使用碳纳米管材料发展的纤维制造技术有望使韩国由碳纤维领域后发者跃升为行业领先者。这项重要技术将成为未来的增长技术发展和经济增长的引擎，推动韩国材料进入超级大国所需的航空航天和国防工业领域。

　　目前研究团队已经获得了基于碳纳米管制造超高强度和超高模量碳纤维的基础技术，但为实现超高性能碳纤维的大规模量产，其中的核心原材料——双壁碳纳米管必须首先实现大规模供给。研究团队建议，后续相关工作需要国家层面支持及行业层面的研发兴趣来进一步取得进展。