Nature子刊：大温差热增强型碳纳米管干性粘合剂

【引言】

固体之间的粘接技术已经渗透到了我们生活的各个方面。然而，常规的粘合剂在极端温度下通常会失效劣化，严重的可能导致灾难性后果。例如，在高温环境中（例如4500℃），通常会考虑使用陶瓷粘合剂或金属焊接技术，此时粘合剂和焊点能够耐受甚至超过1000℃的高温而不变性。尽管如此，但粘合剂层和基质之间始终存在热膨胀的差异，特别是在大温差的热转变下，界面剥离时常发生。

【成果简介】

近日，凯斯西储大学的戴黎明（通讯作者）和北化、华科的研究人员们报告了一种垂直排列的双壁碳纳米管（VA-DWNT）线结构，该线结构的一端经等离子体处理而捆绑缠结，可应用作热增强型碳纳米管高温粘合剂。该报告称，他们的碳纳米管（CNT）干性粘合剂在粗糙表面的粘结强度与温度呈正相关，粘结强度在1000℃时能够高达143N/cm²，并在-196℃到1000℃的温度范围内保持很高的热稳定性。优异的粘附强度形成了热增强的电热传导，若用在导电双面胶带方面，那么电和热的控制就能够更有效的进行。研究人员利用“纳米互锁”粘附机制解释了这一结果，并认为该机制可应用于各种新型的干性CNT粘合剂的开发。

【图文导读】

图一 高低温下碳纳米管粘合剂的粘附增强效果

（a-d）CNT干性粘合剂的制备步骤示意图；

（e-f）原纤维粘附表面的俯视SEM图。（e）自由生长的VA-DWNT阵列（f）经等离子体蚀刻的VA-DWNT束状顶部；

（g-j）不同温度下的粘附力测试。（g）室温测量（24℃），右上方的插图为VA-CNT干性粘合剂粘合的两个铜箔（h，i）温度逐渐升高到1033℃（插图显示在1085℃下发生脱粘）（j）用预浸液氮的厚纸冷却至190.7℃；

（k）在1033℃试验后的结构侧视SEM图；

（l）在24℃和1033℃下测试后的CNT干性粘合剂的拉曼光谱；

（m）在24℃和1033℃下测试后的CNT干性粘合剂的XPS光谱；

（n）CNT干性粘合剂的粘合力与温度的关系（红色曲线）。插图为商业胶带的粘合力与温度的关系，包括3M聚酰亚胺膜胶带（黑色曲线）和相同尺寸（4mm*4mm）的3M 410M双面掩模胶带（蓝色曲线）。

图二  接触缠结节点模型

（a，b）剥离后CNT粘合剂SEM图（a）CNT粘合剂表面（a）铜表面；

（c）为（a）图中虚框部分的放大图；

（d）原始的垂直排列双壁CNT阵列顶部形貌；

（e-g）预载变形后CNT束的形貌（e）20mm;（f）20mm;（g）1mm（通过网状变形引发与目标表面的线接触）；

（h-j）与图（e-g）对应的示意图。

图三 粘附增强模型

（a）CNT干性粘合剂的粘合强度随温度变化曲线。 插图为增强因子与温度的关系；

（b）1000℃下测试后，在剥离的铜表面上的残留的CNT扫描图，呈现出温度诱导的螺旋状纳米互锁结构；

（c）增强因子的计算值与温度的关系（红，蓝和橙色）以及相应的实验数据（黑点）；

（d）不同表面上纳米互锁模型的验证。

图四 温度转变过程中的电学和热性能

（a）从-196℃到1000℃温度区间内CNT粘合剂的电导率和热扩散率与温度的关系（利用Cu/CNT/Cu结构）；

（b）随着温度的升高，电导率和热扩散率与机械粘合增强之间的关系；

（c）在约400次温度循环下，通过Cu/CNT/Cu结构的电流（1mv）来表征CNT粘合剂的稳定性。插图显示了从第57到第63次循环的加热和冷却过渡图：a（25℃）-b（-196℃）-c（25℃）-d（-196℃）-e（25℃）-j（1000℃）-k（25℃）-h（1000℃）-h（1000℃）-i(25℃)-j(1000℃）-k(25℃)-l(1000℃)-m（25℃）-n（1000℃）。

【小结】

文章报道了一种末端经等离子体处理而缠结的垂直排列的双壁碳纳米管（VA-DWNT）线结构，可应用作热增强型碳纳米管高温粘合剂。该报告称，制备的碳纳米管（CNT）干性粘合剂的粘结强度在1000℃时能够高达143N/cm²，并在-196℃到1000℃的温度范围内保持很高的热稳定性。该片报道为各种新型的干性CNT粘合剂的开发提供新思路。

文献链接：Carbon nanotube dry adhesives with temperature-enhanced adhesion over a large temperature range（Nat. Commun.，2016， DOI: 10.1038/ncomms13450）

本文由材料人电子电工组Newgate供稿，材料牛编辑整理。材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部。

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