1050°C0.8s电热冲击焊接碳纳米材料/玻璃纤维界面

碳纳米材料的广泛应用依赖于其与宏观材料的紧密结合以实现混合性能和提升性能，这需要先进的制造技术在不同尺度上将碳纳米材料（如碳纳米管和石墨烯）与各种材料（陶瓷、金属和聚合物）复合。这些纳米材料因其独特的高比表面积参数而展现出卓越的物理和化学性质，例如在热管理、电导性、疏水性、机械强度和传感等方面的优异性能。然而，纳米制造与大规模制造之间存在显著的技术鸿沟，纳米材料在制造过程中常常失去其卓越的纳米级特性，这主要是由于与宏观材料接触不良所致。此外，如果组装不当，还可能引发健康和环境安全问题。为了实现跨尺度制造，即不同尺度材料的集成，形成具有各自组分特性的复合材料，碳纳米材料与宏观结构之间的良好结合显得尤为重要。尽管已有多种策略尝试实现这一结合，包括原位合成、共价接枝和非共价涂层等，但理想的跨尺度制造策略应无需粘合剂、不损害材料性能、实现良好的物理结合，并允许可扩展和卷对卷的制造过程。目前，迫切需要开发能够弥合这些差距的跨尺度制造新方法。

文章简介

2020年，美国特拉华大学付堃教授与青岛科技大学杜爱华教授等人在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上发表了题为“Rapid nano-welding of carbon coatings onto glass fibers by electrothermal shock”的论文。本研究提出了一种创新的跨尺度制造概念，旨在处理不同尺度上异质材料的复合问题。研究人员成功展示了一种电热冲击技术，该技术能够处理纳米尺度材料（例如碳纳米管）和宏观尺度材料（例如玻璃纤维），实现了良好的结合和优异的机械性能，适用于新兴应用领域。电热冲击技术利用碳纳米结构的高接触电阻产生的高温焦耳热和碳纳米材料的快速热响应，能够在局部区域熔化玻璃纤维，形成碳纳米材料与基体材料之间的强韧机械结合。这种技术不仅保持了玻璃纤维的原始机械性能，而且由于其超快的加热速率（超过1000°C/s），在短短几秒内即可完成纳米焊接过程，对材料的热影响降到最低。此外，电热冲击技术表现出卓越的性能，并且有潜力降低成本，提供了一种连续、超快、能效高且可卷对卷的制造过程，成为跨尺度制造领域中一种有前景的加热解决方案。这项技术的提出，不仅推动了纳米材料在宏观结构中的应用，也为先进复合材料的发展提供了新的制造策略。

图文解读

在本研究中，提出了一种创新的跨尺度制造概念，通过电热冲击技术成功实现了碳纳米管（CNT）与玻璃纤维在纳米和宏观尺度上的紧密结合。该技术利用碳纳米结构的高接触电阻产生高温焦耳热，以及碳纳米材料的快速热响应，实现了局部材料的熔化和机械结合。如图1a所示，研究者选择了CNT/玻璃纤维作为模型系统，探究了跨尺度电热制造技术。电热冲击策略通过局部、超快的焦耳热辅助焊接，实现了碳纳米结构与宏观材料的物理结合，同时保持了材料的机械性能。

实验结果表明，CNT网络能够与玻璃纤维紧密焊接，同时保持了CNT的典型特性，并显著提高了材料的韧性。如图2所示，焊接后的CNT在经过剧烈的超声处理后依然稳定，表明了CNT与玻璃纤维之间良好的结合。此外，焊接后的CNT/玻璃纤维在横截面上保持了圆形的形态，没有直径变化，进一步证实了焊接过程对玻璃纤维主体结构的影响微乎其微。

通过热重分析（TGA）和拉曼光谱分析，如图3所示，焊接CNT/玻璃纤维在高温下的性能仅受到轻微影响。机械拉伸测试结果表明，焊接CNT/玻璃纤维与原始玻璃纤维在拉伸强度、模量和韧性方面具有相似的机械性能，但焊接CNT/玻璃纤维的韧性更高。

焊接CNT/玻璃纤维丝还展示了卓越的机械鲁棒性和柔韧性，如图4所示。不同电流下的温升-时间曲线和红外（IR）图像证实了焊接CNT/玻璃纤维丝在不同形状下均能保持稳定的电热响应。此外，焊接CNT/玻璃纤维丝的电导率也得到了验证，证明了其在可穿戴应用中的潜力。

研究者还通过单纤维拉出试验测量了CNT/玻璃纤维与环氧树脂之间的界面剪切应力（IFSS），如图5所示。结果表明，与原始玻璃纤维相比，焊接CNT/玻璃纤维的IFSS显著提高。此外，焊接CNT/玻璃纤维丝的焦耳加热特性也被用于固化液态热固性聚合物，展示了其在制造复合材料部件中的潜在应用。

最后，提出了一种将电热焊接技术整合到当前工业玻璃纤维制造过程中的方案，如图6所示。这一技术与CNT/玻璃纤维制造的理想特性相匹配，并在多个关键方面表现出显著优势，为CNT/玻璃纤维丝的连续、快速、高效、可扩展的卷对卷制造提供了可能性，为跨尺度制造技术的发展开辟了新的道路。

总结与展望

在本研究中，提出了一种创新的跨尺度制造理念，并通过电热冲击技术成功实现了碳纳米管（CNT）与玻璃纤维的紧密结合，同时保持了材料的优良机械性能。该技术利用碳材料焦耳加热产生的高温，使CNT涂层在玻璃纤维表面充当纳米加热器，以超过1000°C/s的加热速率熔化接触区域的玻璃，形成CNT网络与玻璃纤维之间的物理锚定，增强了玻璃纤维的韧性。经电热冲击处理后，玻璃纤维的主体结构保持完好，保留了原有的出色机械性能。电热冲击技术以其卓越的性能和潜在的低成本优势，提供了一种连续、超快、节能、机械强韧、低成本的卷对卷加工方式，成为跨尺度制造多尺度材料的有前景的加热解决方案。本研究成功展示了电热冲击技术在跨尺度制造领域的应用潜力，该技术通过在极短时间内产生高温，实现了CNT与玻璃纤维的快速熔接，且未对材料的本体结构和机械性能造成损害。这种独特的加热方式不仅提高了制造效率，还有助于降低生产成本，为未来复合材料的设计与制造提供了新的思路。

未来，电热冲击技术有望进一步优化，以适应不同种类的纳米材料和宏观基材。研究者将继续探索该技术在更广泛领域的应用，包括但不限于航空航天、汽车制造、运动器材以及可穿戴设备等。此外，电热冲击技术的环境友好性和可扩展性，预示着其在推动绿色制造和可持续发展方面的重要作用。随着技术的不断成熟，可以预期电热冲击技术将在工业生产中得到更广泛的应用，实现从实验室研究到商业化生产的转变。同时，对于该技术在实际应用中的耐久性、稳定性和环境适应性的研究也将得到加强，以确保其在复杂环境下的可靠性和安全性。通过不断的技术创新和跨学科合作，电热冲击技术有望成为跨尺度制造领域的重要里程碑，开启材料科学与技术的新篇章。

文章链接

Rapid Nanowelding of Carbon Coatings onto Glass Fibers by Electrothermal Shock. Yuanyuan Shang;Baohui Shi;Sagar M Doshi;Tiankuo Chu;Guixue Qiu;Aihua Du;Yong Zhao;Fujun Xu;Erik T Thostenson;Kun Kelvin Fu. DOI: 10.1021/acsami.0c09549. ACS applied materials & interfaces., 2020.