Nature子刊：大溫差熱增強型碳納米管干性粘合劑

【引言】

固體之間的粘接技術已經滲透到了我們生活的各個方面。然而，常規的粘合劑在極端溫度下通常會失效劣化，嚴重的可能導致災難性后果。例如，在高溫環境中（例如4500℃），通常會考慮使用陶瓷粘合劑或金屬焊接技術，此時粘合劑和焊點能夠耐受甚至超過1000℃的高溫而不變性。盡管如此，但粘合劑層和基質之間始終存在熱膨脹的差異，特別是在大溫差的熱轉變下，界面剝離時常發生。

【成果簡介】

近日，凱斯西儲大學的戴黎明（通訊作者）和北化、華科的研究人員們報告了一種垂直排列的雙壁碳納米管（VA-DWNT）線結構，該線結構的一端經等離子體處理而捆綁纏結，可應用作熱增強型碳納米管高溫粘合劑。該報告稱，他們的碳納米管（CNT）干性粘合劑在粗糙表面的粘結強度與溫度呈正相關，粘結強度在1000℃時能夠高達143N/cm²，并在-196℃到1000℃的溫度范圍內保持很高的熱穩定性。優異的粘附強度形成了熱增強的電熱傳導，若用在導電雙面膠帶方面，那么電和熱的控制就能夠更有效的進行。研究人員利用“納米互鎖”粘附機制解釋了這一結果，并認為該機制可應用于各種新型的干性CNT粘合劑的開發。

【圖文導讀】

圖一 高低溫下碳納米管粘合劑的粘附增強效果

（a-d）CNT干性粘合劑的制備步驟示意圖；

（e-f）原纖維粘附表面的俯視SEM圖。（e）自由生長的VA-DWNT陣列（f）經等離子體蝕刻的VA-DWNT束狀頂部；

（g-j）不同溫度下的粘附力測試。（g）室溫測量（24℃），右上方的插圖為VA-CNT干性粘合劑粘合的兩個銅箔（h，i）溫度逐漸升高到1033℃（插圖顯示在1085℃下發生脫粘）（j）用預浸液氮的厚紙冷卻至190.7℃；

（k）在1033℃試驗后的結構側視SEM圖；

（l）在24℃和1033℃下測試后的CNT干性粘合劑的拉曼光譜；

（m）在24℃和1033℃下測試后的CNT干性粘合劑的XPS光譜；

（n）CNT干性粘合劑的粘合力與溫度的關系（紅色曲線）。插圖為商業膠帶的粘合力與溫度的關系，包括3M聚酰亞胺膜膠帶（黑色曲線）和相同尺寸（4mm*4mm）的3M 410M雙面掩模膠帶（藍色曲線）。

圖二? 接觸纏結節點模型

（a，b）剝離后CNT粘合劑SEM圖（a）CNT粘合劑表面（a）銅表面；

（c）為（a）圖中虛框部分的放大圖；

（d）原始的垂直排列雙壁CNT陣列頂部形貌；

（e-g）預載變形后CNT束的形貌（e）20mm;（f）20mm;（g）1mm（通過網狀變形引發與目標表面的線接觸）；

（h-j）與圖（e-g）對應的示意圖。

圖三 粘附增強模型

（a）CNT干性粘合劑的粘合強度隨溫度變化曲線。 插圖為增強因子與溫度的關系；

（b）1000℃下測試后，在剝離的銅表面上的殘留的CNT掃描圖，呈現出溫度誘導的螺旋狀納米互鎖結構；

（c）增強因子的計算值與溫度的關系（紅，藍和橙色）以及相應的實驗數據（黑點）；

（d）不同表面上納米互鎖模型的驗證。

圖四 溫度轉變過程中的電學和熱性能

（a）從-196℃到1000℃溫度區間內CNT粘合劑的電導率和熱擴散率與溫度的關系（利用Cu/CNT/Cu結構）；

（b）隨著溫度的升高，電導率和熱擴散率與機械粘合增強之間的關系；

（c）在約400次溫度循環下，通過Cu/CNT/Cu結構的電流（1mv）來表征CNT粘合劑的穩定性。插圖顯示了從第57到第63次循環的加熱和冷卻過渡圖：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℃）。

【小結】

文章報道了一種末端經等離子體處理而纏結的垂直排列的雙壁碳納米管（VA-DWNT）線結構，可應用作熱增強型碳納米管高溫粘合劑。該報告稱，制備的碳納米管（CNT）干性粘合劑的粘結強度在1000℃時能夠高達143N/cm²，并在-196℃到1000℃的溫度范圍內保持很高的熱穩定性。該片報道為各種新型的干性CNT粘合劑的開發提供新思路。

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

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