碳納米管(CNT)是由碳原子制成的圓柱形管狀結(jié)構(gòu),具有高強度、低重量以及出色的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性等非常理想的物理特性。這使它們成為各種應(yīng)用的理想材料,包括增強材料、能量存儲和轉(zhuǎn)換設(shè)備以及電子產(chǎn)品。
然而,盡管潛力巨大,但在將CNT商業(yè)化方面仍存在挑戰(zhàn),例如將它們結(jié)合到塑料基板上以制造基于CNT的柔性設(shè)備。傳統(tǒng)的制造方法需要仔細控制環(huán)境,例如高溫和潔凈室。此外,它們需要重復(fù)轉(zhuǎn)移以生產(chǎn)具有不同電阻值的CNT。
已經(jīng)開發(fā)出更直接的方法,例如激光誘導(dǎo)正向轉(zhuǎn)移(LIFT)和熱聚變(TF)作為替代方法。在LIFT方法中,使用激光將CNT直接轉(zhuǎn)移到基板上,而在TF中,CNT與聚合物混合,然后通過激光選擇性地去除聚合物,形成具有不同電阻值的CNT線。
然而,這兩種方法都很昂貴并且有其獨特的問題。LIFT需要昂貴的脈沖激光器和具有特定電阻值的CNT的制備,而TF使用大量未被利用和浪費的CNT。
為了開發(fā)一種更簡單、成本更低的方法,副教授TakashiIkuno博士和他的合作者日本東京理科大學(xué)的HiroakiKomatsu先生、YosukeSugita先生和TakahiroMatsunami先生最近提出了一種新方法,能夠?qū)崿F(xiàn)使用低成本激光在環(huán)境條件(室溫和大氣壓力)下在塑料薄膜上制造多壁碳納米管(MWNT)布線。
這項突破發(fā)表在《科學(xué)報告》雜志上,涉及在聚丙烯(PP)薄膜上涂上一層約10μm厚的MWNT薄膜,然后將其暴露在mW紫外激光下。結(jié)果是由MWNT和PP的組合制成的導(dǎo)電布線。
Ikuno博士說:“這個過程可以輕松‘繪制’可穿戴傳感器的布線和柔性設(shè)備,而無需復(fù)雜的過程。”
研究人員將這些線的形成歸因于MWNT和PP薄膜之間的熱導(dǎo)率差異。當MWNT/PP薄膜暴露在激光下時,MWNT層的高導(dǎo)熱性導(dǎo)致熱量沿線的長度傳播,導(dǎo)致MWNT-PP界面處的高溫和PP薄膜其他地方的較低溫度.
在激光正下方,溫度最高的地方,PP擴散到MWNT薄膜中,形成厚的PP/MWNT復(fù)合材料,而薄的PP/MWNT層則在溫度相對較低的激光邊緣形成。
所提出的方法還允許通過簡單地改變輻照條件在同一過程中(無需重復(fù)轉(zhuǎn)移)制造具有不同電阻值的碳線,從而消除了額外步驟的需要。將PP/MWNT薄膜暴露于高激光能量(通過低掃描速度、大量激光曝光或使用高功率激光實現(xiàn))會產(chǎn)生具有更高濃度MWNT的更粗線。
因此,較低的MWNT電阻率和較粗的導(dǎo)線會降低單位長度導(dǎo)線的電阻(電阻與導(dǎo)線的電阻率和厚度之間的比率成正比)。
通過精確控制MWNT/PP薄膜在激光下的曝光,研究人員成功制造出電阻值范圍從0.789kΩ/cm到114kΩ/cm的MWNT線材。此外,這些電線非常柔韌,即使反復(fù)彎曲也能保持其阻力。
此外,該方法解決了當前技術(shù)的一個緊迫問題,即LIFT和TF技術(shù)無法重復(fù)使用制造過程中未使用的CNT。在所提出的方法中,可以回收和重復(fù)使用在激光照射期間未摻入PP薄膜的MWNT,從而允許創(chuàng)建新的MWNT線,電阻值幾乎沒有變化或沒有變化。
憑借其簡單、碳納米管的高效利用以及制造高質(zhì)量線材的能力,新方法有可能實現(xiàn)大規(guī)模制造用于柔性傳感器和能量轉(zhuǎn)換和存儲設(shè)備的柔性碳線。
“與傳統(tǒng)方法相比,我們預(yù)計工藝成本將顯著降低。這反過來將有助于實現(xiàn)低成本的柔性傳感器,這些傳感器有望大量廣泛應(yīng)用,”Ikuno博士總結(jié)道。
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