比纸薄比刚硬、秒升温…碳纳米管薄膜——寒冬续命神器!

2021-11-24 13:08:08

 

看到这幅在“反复横跳”的艺术画了嘛?

没错,聪明的人大概已经看出来了,整幅画都是用特殊的感温颜料制成的。

这幅画的画布可非常不简单,是用一种纳米级的量子材料——碳纳米管薄膜制成的。

而且这种碳纳米管薄膜除了应用在锂电池、航天、仿生机器人领域,其实也可以应用于服装、家居用品、理疗、户外等保暖加热装备中。

说到这小伙伴们可能想问了,那它到底是个啥?长啥样?有啥用?

首先,我们来说说碳纳米管薄膜,它是一种具有特殊结构的一维量子材料,主要是由呈六边形排列的碳原子构成单层到数十层的同轴圆管,重量轻并且具有许多异常的力学、电学和化学性能。

简单来说,它是由石墨烯片层卷曲而成,更直观一点,就像是一层卷起来的蜂窝。每平方米碳纳米管薄膜中就包含500亿+根碳纳米管,但它的重量仅5克,厚度5微米,也就相当于头发丝的1/10。

这已经是薄到肉眼看不见语言形容不了的程度了。。。

但这么薄,会不会质量很差?做成服装或家纺产品一洗就烂?

下面我们来个实验暴力测一测~

1.加水机洗,热性能依旧出色

我们把带有连接线的碳纳米管薄膜加热组件放进了专用的洗衣机里。

讲真,还真有那么点提心吊胆,这玩意儿薄成这样,软成这样,能扛造吗?

一段长达数分钟的翻腾、搅拌、转动后,结果来了——

它不但外观丝毫没有变化,甚至烘干之后,当我们再次打开布料上连接的加热开关,它依旧能够正常加热升温。

神了!

这块碳纳米管薄膜不仅比丝绸还轻薄柔软,它的材料韧性刚性都非常出色。

资料显示,碳纳米管这种材料是目前弹性模量最高的材料。所谓的弹性模量,你可以理解为韧性、可拉伸但不变形的特征。

用专业术语来说,碳纳米管薄膜的弹性模量约等于1TPa。那1TPa的概念是什么呢?

举个例子,金刚石的弹性模量是11x10^5 MPa,而橡胶的弹性模量在6MPa。而TPa 、GPa 、MPa之间的换算是这样的:1TPa=1000Gpa,1Gpa=1000Mpa。

此外,碳纳米管薄膜有非常优秀的电学性能,电热转化效率高达99.5%。它的热能传输通道大,又紧贴加热体表面,省去大量空间减少无效加热面积,也降低了能耗,可实现瞬时加热。

这个速度,可以开始期待用它制成电热毯和保暖服了。

筒子们,寒冬保命神器蹲一波!

2.融化黄油,整片均匀加热

除了前面的特征,碳纳米管这种量子材料具有非常大的长径比以及良好的传热性能,所以沿着长度方向的热交换性能很高;而且它的热辐射能比例高达60%以上。理想情况下,元件不仅加热效率高,加热均匀性也很不错。

但实际应用的时候,每块材料真的能做到均匀加热吗?毕竟,这种小块小块的材料,一旦被组合成大块的被褥、毯子或服装,加热的均匀与否会直接影响实际体验。

为了搞清楚这一点,我们搞了一组香味四溢的“烤黄油”实验~

将熔点在34度的黄油放在准备好的几片碳纳米管薄膜上,进行融化观察实验。

几块黄油不只融化速度、时间保持一致,就连现场不同角度香味飘出来的时间都是一致的!香得均匀立体,极果君都饿了。。。

3.恒温加热,毛鳞片闭合使用安全

说到加热性能,就不得不再多聊碳纳米管薄膜材料在消费级市场应用中需要面对的另一个问题——安全性。

尤其是冬天很多加热类产品,虽然温度都号称是“亲肤”级别,但实际使用的时候,一旦使用不慎,很容易造成低温烫伤。

为了验证碳纳米管薄膜材料加热组件加热后的安全性问题,我们来了一组“头发毛鳞片”加热实验~

通常来说,在52度及以上的高温状态下,我们头发的毛鳞片是会打开的。

所以,我们把头发丝放在碳纳米管薄膜材料加热组件上,观察它在加热状态后毛鳞片的开合情况。

左边是碳纳米管薄膜材料加热组件上加热“烤”过的头发毛鳞片,右边是吹风机高温吹过的头发毛鳞片。

可以看到,在碳纳米管薄膜材料加热组件上加热过的毛鳞片依旧平滑闭合。

这就不得不提到,我们所使用的这组由捷迪纳米生产出来的碳纳米管加热组件,采用了高精度热敏电阻作为温度传感器,不仅可实现对加热系统温度的精准监控,还能够确保温度精确温差偏值≤2度。

我们在视频中也能看到,加热组件上有一个圆形的控制器,其中包含了有过流、短路、过温3重防护,能够有效避免烫伤。

通常来说,各种高科技材料,除了拥有各种出色的性能,还会有一个共性——造价可不菲。

因为制备碳纳米管薄膜的尺寸都在厘米级,因为制作工艺十分复杂。所以别看它轻又薄,其实它十分稀有昂贵。

需要提到的是,目前碳纳米管的形态有粉末、薄膜、浆料,可以做得更薄、更轻,可以弯折,但是它的制备过程却是有着重重阻碍。

首先,虽然我们能够得到碳纳米管这种量子材料,但是由于它的某些制备方法得到的碳纳米管生长机理不明确,所以不能做到任意调节和控制它的结构;

其次,催化剂颗粒的大小、碳源的种类、温度等都会影响到碳纳米管的产量和质量。

据不完全统计,目前全球碳纳米管生产企业超百家,生产能力超万吨/年。但绝大多数企业都把它应用在高精尖行业设备上,民用级别的应用少之又少。

以国内市场为例,天奈科技、德方纳米、道氏技术等的碳纳米管企业的经营中心均以锂离子电池核心材料研发为主。

他们所生产出来的碳纳米管薄膜最多的应用就是新能源汽车中的锂离子电池;其次,就是仿生机器人领域,碳纳米管薄膜生产的聚合物器件弥补了传统材料的不足。

还有就是我们所使用的相机传感器、一些电子产品中精密的电子元件也开始使用碳纳米管材质,在航天制造材料中也能看到它的身影。

我们能看到,其实大部分厂商的研发都很少涉及民用产品,我们此次实验中材料和成品提供者捷迪纳米科技不仅做到了将这种碳纳米管薄膜批量制备,并且广泛应用于智能穿戴中的多个领域。

说起捷迪纳米,就不得不提及它的创始人——全球顶级碳纳米管专家、中科院苏州纳米所副所长李清文博士。

她带领着团队攻克了碳纳米管薄膜规模化制备难题,并且创造出了独有的制备工艺,而且也获得了多项的国家专利。碳纳米管电热膜就是以浮动催化法制备出来的,柔软亲肤,加热性能也非常出色。

所以它能够贴近皮肤来使用,还能根据使用者的需求来进行调节温度,也在市面上推出了羽绒服、电热毯等服装、家居产品。捷迪纳米还将它应用到健康理疗中,像电热护颈、护腰、护膝都能已经开始应用。

截至目前为止,捷迪纳米已经推出过多款加热保温类产品,还与安踏、李宁、波司登等众多国货品牌合作,推出了越来越多让我们能感受到满满幸福感的新产品。

再说回到碳纳米管薄膜在可穿戴领域的应用,其实捷迪纳米已经让们真正见到了穿在身上的“纳米衣服”。

相信有看过《复仇者联盟》系列的电影的小伙伴们,对钢铁侠在与灭霸作战时穿着的纳米粒子战衣Mark 50印象深刻,拳拳到肉的重击也让灭霸流下了第一滴血。

虽然这只是制作出来的电影特效艺术,但是量子材料——碳纳米管薄膜在可穿戴领域已经初见雏形,我们是否也有理由相信,在未来的某一天,碳纳米管薄膜也将成为我们衣服的新材质,我们也有可能真的穿上钢铁侠的“战衣”?

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