碳纳米管纤维（Carbon nanotube fiber, CNTF）是由大量一维碳纳米管组装而成的宏观纤维材料，其碳纳米管组装单元（CNT）在理论上具备超高的力学与电学性能，使得碳纳米管纤维展现出兼具金属纤维、高分子纤维及碳纤维的综合性优势。在多种碳纳米管纤维常用制备方法中，浮动催化直接纺丝法（floatingcatalysis chemical vapor deposition,FCCVD）由于具有极高的制备效率，被认为是碳纳米管纤维宏量制备的管径技术。然而，该方法制备的碳纳米管纤维存在着大量的碳纳米管弯曲、缠结及管间孔隙等缺陷，限制了纤维性能的充分发挥以及实际应用。为此，研究人员通过多种后处理手段进行浮动催化碳纳米管纤维的性能增强研究。总体而言，现有后处理手段往往只着重关注纤维中的某一类型缺陷，且关于纤维微观结构变化对纤维载荷传递与性能的影响机理尚不明晰，阻碍了碳纳米管纤维性能的进一步提升。因此，发展出可同时实现纤维再取向及致密化的综合后处理技术，已然成为高性能碳纳米管纤维研究与应用领域的关键。

本工作中，中国科学院苏州纳米所功能纳米碳材料团队开发出一种针对浮动催化法碳纳米管纤维的新型综合后处理增强策略，主要包括氯磺酸辅助牵伸取向与辊压致密，可实现碳纳米管纤维中碳纳米管取向度及管间堆积致密度的同步提升。此外，通过纤维表面及断面的高分辨SEM、广角X射线散射（WAXS）、偏振Raman光谱及BET分析等多种微观结构表征手段，揭示出纤维微观结构演变对纤维力电性能的影响及系统优化机理。研究表明，纤维内碳纳米管弯曲、缠结及管间孔隙等缺陷在后处理过程中得到显著降低，对纤维性能提升十分有利。进一步地，通过后处理参数优化，得到了综合性能优异的碳纳米管纤维，其中，拉伸强度达到7.67 GPa，弹性模量达到230 GPa，电导率提升至4.36×10⁶ S/m。

图1碳纳米管纤维多步后处理及相应微观结构演变示意图

浮动催化碳纳米管纤维的多步后处理工艺，首先为氯磺酸辅助牵伸取向过程（图1(a)），碳纳米管纤维原丝进入氯磺酸中，发生质子化膨胀从而降低管间范德华作用，经过牵伸取向作用及凝固浴中凝固收缩致密作用，然后进行热退火去除纤维中的杂质（图1(b)），最后进行辊压致密化（图1(c)），从而实现碳纳米管纤维取向度和致密度的同步提升。

多步后处理过程中碳纳米管纤维微观结构发现显著变化，纤维表面及断面的SEM和纤维断面TEM表征结果显示，氯磺酸辅助牵伸可提升纤维内碳纳米管的取向度和排列致密度，而辊压致密化处理可进一步提升纤维致密度。

图3(a)-3(c)中通过密度和BET分析表征了纤维致密度及孔隙缺陷的变化情况，显示氯磺酸辅助牵伸和辊压过程均有效降低了碳纳米管纤维中孔隙缺陷，提升了纤维致密性。图3(d)-3(h)通过WAXS表征了纤维中碳纳米管取向性的变化情况，图3(i)偏振Raman表征验证了纤维取向度变化，结果均显示纤维取向度的提升主要来自氯磺酸辅助牵伸过程，而辊压过程则可进一步少量提升纤维的取向度。

图4多步后处理过程工艺条件优化提升碳纳米管纤维力学性能

图4为多步后处理过程中的不同牵伸率、牵伸速率、凝固浴成分及辊压速度条件对碳纳米管纤维力学拉伸性能的影响，从而获得了多步后处理过程的最佳处理条件，牵伸率为16%，牵伸速率为0.058 m/min，凝固浴采用二氯甲烷（DCM），辊压速率为0.5 cm/min。同时，我们也研究了不同处理条件对碳纳米管纤维导电性的影响。

经过处理条件优化，我们制备的高性能碳纳米管纤维具有极高的力学、电学性能，其拉伸强度达到7.67 GPa，弹性模量达到230 GPa，电导率达到4.36×10⁶ S/m。与传统高性能纤维相比，我们的高性能碳纳米管纤维具有高强、高导电的综合性能优势，同时，碳纳米管纤维还展现出良好的可加工性和电热转化性能。总体而言，本工作中碳纳米管纤维的力学与电学性能均达到浮动催化碳纳米管纤维领域中的最高水平。

中国科学院苏州纳米所功能纳米碳材料团队由李清文研究员组建于2008年，主要围绕碳纳米管的绿色组装与功能应用开展工作，并重点在以下3个方面进行布局：揭示和预测碳纳米管及其组装体结构/性能关系（前沿基础）；突破碳管连续制备与宏观组装体功能调控核心技术（关键技术）；开发具有不可替代性的碳纳米管工程化应用（工程化）。团队研究方向包括碳纳米管手性分离、碳纳米管纤维/薄膜组装与高性能化、智能材料、轻量化导线与工程化应用等。团队积极承担科技部重点研发计划、国家自然科学基金等项目，发表论文200余篇，授权专利50余项；在人才培养方面，为社会培养了60余名硕士、博士，其中部分已经成为所在单位的骨干。在产业化方面，团队以碳纳米管纤维与薄膜为核心技术转化成立了苏州捷迪纳米科技有限公司，并与知名企业合作建立联合研发中心，助力企业技术攻关。课题组网站链接：http://amd.sinano.ac.cn/yjtd.asp?cid=1

Wu K, Wang B, Niu Y, et al. Carbon nanotube fibers with excellent mechanical and electrical properties by structural realigning and densification. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6157-1.