科学家制备出用于热管理可打印的碳纳米管超级塑料

2026-05-21 09:05 来源：苏州纳米技术与纳米仿生研究所

塑料是现代社会不可或缺的基础材料，但其在力学强度、导电及导热性能等方面存在固有缺陷。碳纳米管具有独特的一维纳米结构与优异的力学、导电、导热综合性能，是塑料综合性能提升的理想增强体。

然而，传统技术无法实现高含量碳纳米管在高分子基体中的均匀分散复合，对塑料性能改善有限，严重制约了其在高端领域的广泛应用。

日前，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所等创新性提出一种高体积含量，有序碳纳米管导电导热网络组装体与热塑性高分子的可控复合策略，破解了高体积含量碳纳米管与热塑性高分子的复合难题，研制出可塑性加工、能3D打印成型的碳纳米管超级塑料（CNTSP）。

研究团队发明了高体积含量碳纳米管网络与热塑性高分子的通用复合技术，以浮动催化化学气相沉积法生长连续碳纳米管组装网络，将其在尼龙6（PA6）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、聚丙烯腈（PAN）、聚碳酸酯（PC）、聚醚酮酮（PEKK）等高分子溶液中进行原位连续浸渍复合，经过后续多级热处理进一步提升了复合材料中碳纳米管网络的有序性，成功实现高含量的碳纳米管在上述高分子材料中的可控分散与复合。

▲碳纳米管超级塑料的制备工艺与原理

科研人员受渔网捕鱼原理启发，将碳纳米管疏松网络组装体在高分子溶液中收缩致密，实现了高含量碳纳米管与高分子在纳米尺度的充分接触与均匀复合，高导电导热的碳纳米管网络赋予了塑料优异的力电热性能。PA6基碳纳米管超级塑料力学拉伸强度远超普通工程塑料，展现出优异的抗应力松弛能力。

在导电性能方面，PA6电导率相较传统复合技术提升1-2个数量级，经过10万次弯折后，导电性能衰减不足10%。

在导热性能方面，PA6热导率高于304不锈钢和部分铝基合金，比典型塑料高2-3个数量级，可实现热量的定向传输，赋予了碳纳米管超级塑料广阔的应用前景。

▲碳纳米管超级塑料的可塑性与3D打印成型工艺

碳纳米管超级塑料保留了传统塑料的优良热塑性加工特性，亦可通过3D打印、热压成型方式制成各类复杂结构，适配不同应用场景。

团队采用3D打印技术制备的碳纳米管超级塑料散热器，能够快速导出90℃热源的热量实现显著的定向散热效果。相较传统塑料，超级塑料在导电导热性能方面实现跨越提升，这为热塑性高分子材料的发展提供了全新思路。

▲碳纳米管超级塑料的热管理应用