碳纳米管可打造新型柔性智能织物
导语
近日北卡罗莱纳州立大学的一项新研究发现，碳纳米管（CNT）膜兼具热、电和物理特性，使其成为下一代智能织物的理想之选。由CNT制成的薄膜是开发服装的关键材料，可以按需加热或冷却。研究人员还能够优化材料的热和电性能，即使在暴露于空气中数周的情况下也可以使材料保持理想的性能。而且，使用相对简单并且不需要过高的温度的方法来获得这些性能。
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文章概述
“碳纳米管，如果使用得当，是安全的，相对而言，我们使用的是一种廉价的形式。它可能是一种价格更便宜的热电材料，可以在皮肤旁边使用。”
该研究的第一作者Kony Chatterjee说，研究小组计划将这种材料整合到织物本身中：“目前，对可调节温度的服装的研究主要集中在将刚性材料整合到织物中，以及将商用可穿戴热电设备整合到织物上，市场也不灵活。”为了给穿戴者降温，CNT的特性是当施加外部电流源时，热量可以从身体吸收。戈什说：“把他想成薄膜，一侧具有冷却特性，另一侧具有加热特性。”
热电（TE）能量转换是固态能量收集和温度调节的高度可靠的方法，无需使用运动物件。柔性TE发电机（FTEG）特别适合通过为下一代可穿戴设备提供动力，以此来实现通过塞贝克效应收集人体与环境之间的热梯度。这促使人们对FTEG装置的设计以及用于制造它们的材料进行了大量研究。热电材料的性能可以通过它们的品质因数（ZT）=S2σ/κ来量化，其中S是塞贝克系数，σ是电导率，κ是热导率，T是热导率。
文章中使用了一种成本相对较低且易于扩展的MWCNT的简单制造技术。使用基于室温和溶液的两步掺杂工艺，并且能够合成具有高PF的空气稳定柔性n型MWCNT/PEI薄膜。就PEI的掺杂量而言，优化了它们的TE特性，即使暴露在空气中数周后，这些特性也得以保留。
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图文解析
下图1使用为不同浓度的PEI-乙醇溶液简单地制造掺杂的PEI-MWCNT膜和原始MWCNT膜的图像，作者使用了比较简单的方法，成本较低。
图1.不同浓度的PEI-乙醇溶液简单地制造掺杂的PEI-MWCNT膜和原始MWCNT膜的图像
研究人员测量了材料的导电能力，导热性或热量通过材料的难易程度。最大的发现之一是该材料的导热系数相对较低，这意味着热量在离开身体进行冷却后不会轻易传回到穿戴者身上。这也意味着，如果用这种材料来温暖穿着者，热量将以电流的形式流向人体，而不会传回到大气中。
该研究的另一位作者刘俊说：“您必须沿同一方向测量每个属性，才能合理估计材料的功能。” “这不是一件容易的事。这非常具有挑战性，但是我们开发了一种测量方法，特别是对于柔性薄膜而言。”
由于支化PEI中胺基的高供电子能力，MWCNT经历空穴耗尽，因此在原始MWCNT薄膜中存在的n型掺杂。
如下图2所示，随着PEI浓度的增加，塞贝克系数略有降低，而随着PEI乙醇溶液浓度从5 wt％增加到20 wt％，电导率保持增加。电导率的增加可以归因于随着PEI的量在5％至20％的范围内增加，载流子（空穴和电子）的数量保持增加。另外，用乙醇处理薄膜可导致薄膜内的CNT束进一步固结，从而在CNT之间建立更好的接触并提高电导率。然而，对于塞贝克系数，仅存在最佳的PEI水平，其导致n型塞贝克系数的最大绝对值，即5％重量的PEI。除此之外，没有观察到塞贝克系数的增加。
图2. 当PEI-乙醇浓度从0％增加到20％时，未掺杂的MWCNT和n型掺杂的MWCNT / PEI膜的电和热电性质。
如下图3，根据测量的面内电导率，根据维德曼-弗朗兹定律计算出Al薄膜的热导率，实验数据的拟合，以避免强烈的热弹性效应。根据MWCNT膜的孔隙率报告，p型MWCNT膜的比热容估计为0.287 J / gK，n型5 MWCNT / PEI膜的比热容为0.501 J / gK48。线性混合法则适用于PEI，空气和MWCNT，每种成分的比热容值分别为1.25、1.005和0.75。
图3. 泵浦光束聚焦（20倍，高斯光束光斑半径= 2.95μm）的CCD图像以及 n型5-MWCNT / PEI（红色）和p型MWCNT（蓝色）的面内导热系数的数据拟合信号。
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总结
作者能够使用简便的两步法制造具有高功率因数和低面内热导率的n型MWCNT薄膜。随着PEI量的增加，MWCNTs的电导率增加归因于电荷载流子总数的增加，而塞贝克系数的停滞超过一定数量的PEI则表明可以捐赠的电子数量饱和用于n型半导体性能。这是有利的，因为即使在低水平的PEI掺杂下，MWCNT膜也具有高功率因数。平面内热导率的测量确保了这些材料的ZT值，p型和n型MWCNT薄膜的ZT分别为0.019和0.015。平面TE传输特性的表征对于许多FTEG和TE加热/冷却设备至关重要。作者总结到此类MWCNT材料有望将其应用于可穿戴的TE设备中，在这些设备中，不仅高ZT值，而且具有稳定的加工性能和灵活形状因子。
作者说：“该研究的重点并不是获得了最佳的热电性能。” “我们取得了可以用作易于制造的柔性，电子，柔软材料的东西。制备这种材料很容易，并且容易实现这些特性。”