西班牙研究团队近日在《科学》（Science）期刊上发表研究，展示了一种可规模化生产的碳纳米管（CNT）纤维制备工艺。新型纤维的电导率已能与铜和铝相媲美，同时具备极低密度和高机械强度，被视为航空航天、电动汽车（EV）、无人机等需要轻质高强度布线领域电气化的重要突破。

碳纳米管长期被认为是理想的导电基础单元，兼具低密度以及优异的电学、热学和力学性能。但在实际应用中，如何在宏观尺度上获得足够高电导率的碳纳米管纤维，一直是其替代传统金属导体（尤其是铜）的关键瓶颈。

高电导率碳纳米管纤维的关键进展

IMDEA材料研究所首席研究员、论文作者之一胡安·何塞·维拉特拉（Juan José Vilatela）博士表示，这是首次制备出在电导性能上足以成为传统导电材料现实工业替代方案的碳纳米管纤维。

研究团队制备了通过气相插层处理的碳纳米管纤维，其在室温下的电导率达到 24.5 MS/m（兆西门子/米），约为铜电导率的一半，但重量仅为铜的六分之一。

在如此显著的减重前提下，这种纤维不仅在“性能/重量比”上远超传统金属导体，其绝对电导率水平也已接近工业应用所需的门槛，为实际工程应用打开了大门。

AlCl₄⁻ 掺杂工艺如何提升电导率

该成果由 IMDEA 材料研究所与马德里理工大学（UPM）、萨拉戈萨大学 INMA（CSIC-Unizar）合作完成。研究的核心之一，是利用四氯铝酸根（AlCl₄⁻）对碳纳米管纤维进行插层掺杂。

AlCl₄⁻ 作为掺杂剂，可以在不破坏碳纳米管束原有结构的前提下引入纤维内部。通过保持碳纳米管阵列的完整性，掺杂过程在显著提升电导率的同时，保留了纤维原本优异的机械性能。

IMDEA 材料研究员、论文第一作者安娜·伊内斯·德·伊西德罗·戈麦斯（Ana Inés de Isidro Gómez）指出，与团队此前研究过的其他掺杂剂相比，AlCl₄⁻ 能在不显著增加材料重量的情况下，产生更强的掺杂效果。

研究表明，对高度排列的碳纳米管纤维进行 AlCl₄⁻ 掺杂后，其体积电导率提升超过 17 倍。由此获得的纤维平均比电导率已高于铜，最高测得值甚至超过铝。

对交通电气化与电网的潜在影响

维拉特拉博士强调，这一进展对交通运输领域的电气化尤为关键。无论是电动汽车、无人机还是飞机，都需要大量导体材料，而减轻布线重量可以直接转化为续航里程和载荷能力的提升。

对于电网而言，尤其是架空输电线路，导线自重往往是限制其跨距和性能的关键因素。研究团队指出，掺杂后的碳纳米管纤维强度约为传统架空电缆的五倍，而重量仅为其一半，为新一代轻质高强度输电线缆提供了可能。

多机构协作与实验平台

该研究由 IMDEA 材料研究所博士研究员伊西德罗·戈麦斯、维拉特拉博士、阿纳斯塔西亚·米哈尔昌（Anastasia Michalchan）博士，以及 IMDEA 材料科学主任、UPM 教授哈维尔·洛尔卡（Javier Llorca）教授共同完成，前 IMDEA 材料研究员、现任 UPNA 的瓦伦丁·瓦西列夫·加林多（Valentín Vasilev Galindo）博士也参与其中。

论文成果得益于与纳米科学与材料研究所（INMA）低维材料纳米显微组（NLDM）的合作。INMA 是西班牙国家研究委员会（CSIC）与萨拉戈萨大学（UNIZAR）的联合研究机构，由拉乌尔·阿雷纳尔（Raúl Arenal）博士（ARAID 研究员）领导。

相关显微分析工作由马里奥·佩拉埃斯·费尔南德斯（Mario Peláez Fernández）博士和阿雷纳尔博士在先进显微实验室（LMA）完成。LMA 是 ELECMI 独特科学技术基础设施（ICTS ELECMI）的节点之一，为本研究提供了关键表征手段。

德·伊西德罗·戈麦斯总结称，团队已经证明，通过气相插层工艺，可以显著提升商业碳纳米管纤维的电导率，突破此前的性能极限，既实现了创纪录的高电导率，也显示出未来进一步优化和提升的空间。