Carbon Welding by Ultrafast Joule Heating

超快焦耳加热实现碳纳米纤维焊接

Yonggang Yao^†, Kun Kelvin Fu^†, Shuze Zhu^‡, Jiaqi Dai^†, Yanbin Wang^†, Glenn Pastel^†, Yanan Chen^†, Tian Li, Chengwei Wang^†, Teng Li^‡, and Liangbing Hu^*,†

^† 马里兰大学材料科学与工程系

^‡ 马里兰大学机械工程系

DOI: 10.1021/acs.nano-lett.6b03888

PDF原文

Nano Letters, 2016

论文亮点

            开发了一种超快焦耳加热方法，可在碳纳米纤维之间形成共价键，构建3D互连碳网络
实现了碳纳米纤维膜电导率四个数量级的提升，达到380 S/cm，同时机械性能显著改善

研究背景

碳纳米材料(如碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯)具有优异的电学和机械性能，但在组装成宏观结构时性能大幅下降
性能下降的主要原因是纳米结构之间缺乏有效的物理接触和化学键合
现有方法(如化学气相沉积、原子层沉积)无法经济高效地大规模改善碳纳米结构之间的接触

研究方法

使用聚丙烯腈(PAN)为原料，通过静电纺丝制备碳纳米纤维膜
在氩气保护环境下，对CNF膜施加焦耳加热，升温速率约200 K/min，最高温度超过2500 K
通过高温促使相邻碳纳米纤维之间形成石墨碳键，实现共价焊接
使用拉曼光谱、SEM、TEM、XPS、XRD等多种表征手段分析焊接效果
通过四点探针法测量电导率，动态机械分析测量机械性能
采用分子动力学模拟研究原子尺度的焊接行为

主要结论

超快焦耳加热成功实现了碳纳米纤维之间的共价焊接，形成了3D互连碳网络
焊接后的CNF膜电导率提高了四个数量级，达到380 S/cm，面电阻降低至1.75 Ω/sq
焊接后的CNF膜机械性能显著改善，抗拉强度从0.31 MPa提高至3.86 MPa
该方法为从无定形碳源构建共价键合石墨碳网络提供了新策略

CNF焊接过程示意图与表征结果

图1. CNF焊接过程示意图与 selected characterization results

分析结果：图1a展示了焦耳加热触发CNF焊接的示意图。图1b的拉曼光谱显示，焊接后CNF的I_D/I_G比值从1.14降至0.035，表明结晶度和石墨化程度显著提高。图1c-d的SEM图像显示，原始CNF具有光滑表面，而焊接后CNF表面变粗糙，且在交叉点处形成焊接结构。

焦耳加热过程与温度测量

图2. CNF的焦耳加热过程

分析结果：图2a展示了焦耳加热实验和温度测量装置示意图。图2b显示了高功率下焦耳加热CNF的实际图像。图2c展示了焦耳加热过程中计算的电阻与功率关系。图2d通过灰体辐射拟合测量了不同功率下的温度。图2e显示了典型CNF样品的温度-功率曲线。图2f-g展示了焦耳加热过程中I_D/I_G比值和拉曼谱图的演化，表明随着温度升高，D峰被抑制，G峰和2D峰变得更尖锐。

焊接CNF结构的形态表征

图3. 焊接CNF结构的形态表征

分析结果：图3a-b的高分辨率TEM图像显示，焦耳加热后的CNF形成了高度结晶的碳层结构，且在纤维交叉点处观察到桥接相邻CNF的结晶碳层。图3c-f的SEM图像显示了不同温度下(1500K, 1800K, 2300K)CNF的形态演变过程，表明在1500-2300K温度范围内，无定形CNF经历碳化和石墨化过程，最终在2400K以上退火并融合成高度结晶的石墨碳基质。

纤维交叉点处碳焊接的分子动力学模拟

图4. 纤维交叉点处碳焊接的分子动力学模拟

分析结果：图4a展示了结晶碳(c-Carbon)和无定形碳(a-Carbon)纤维在高温焦耳加热技术前后的示意图。图4b-c展示了原始CNF和焊接CNF的氮元素SEM mapping，表明焊接后氮含量显著减少。图4d显示了LAMMPS中纤维交叉区域无定形碳结构的演变，从室温(300K)加热到3000K，在去除氮和氢原子后形成高度结晶的石墨结构。

焊接CNF结构的电导率

图5. 焊接CNF结构的电导率

分析结果：图5a展示了高温焦耳加热过程前后CNF膜的电导率测量结果，电导率从13.3 mS/cm提高到381 S/cm。图5b展示了单根纤维在焦耳加热前后的电导率测量结果。图5c比较了原始CNF膜、焊接CNF膜、单根CNF纤维和焦耳加热后单根纤维的电导率。图5d示意图显示了分离和焊接纤维在聚合物树脂渗透后的结构变化。图5e展示了原始CNF、焊接CNF和聚合物渗透后焊接CNF的电导率测量结果。图5f图表比较了CNF膜、CNT膜及其复合材料的电导率。