石墨烯蒙烯纤维织物是通过连续石墨烯在织物上的化学气相沉积（CVD）制备的，使石墨烯能够覆盖纤维上，并继承了石墨烯的高导电性和导热性。然而，在织物形状的配置中，纤维之间的高电气和热接触电阻，以及纤维沿径向的导电和热通路的缺乏，限制了导电性和导热性的提高。
北京大学刘忠范院士团队引入碳纳米管（CNTs），由于具有优异的导电性和导热性的一维结构，构建了丰富的“桥梁”，将孤立的纤维连接起来，构建新的电子和声子传输通道。因此，CNT/石墨烯蒙烯玻璃纤维织物（CNT/GGFF）的概念设计是通过精心设计的CVD创造性地提出并实现的。
与GGFF相比，在CNT/GGFF中构建三维导电和导热网络可使板材电阻降低>90%，抗拉强度提高4.5倍，热阻降低>70%，在复合材料、散热和除冰等领域的应用前景广阔。此外，CNT/GGFF的热阻表现出与温度无关，将应用扩展到航空和航天，因为传统材料的热导率随环境温度的变化会对飞机的热稳定性、可靠性和寿命产生不利影响。
相关研究成果以“Carbon Nanotubes/Graphene-Skinned Glass Fiber Fabric with 3D Hierarchical Electrically and Thermally Conductive Network”为题发表于《Adv Funct Mater》。
/ 图文导读 /
图1. CNT/GGFF的概念设计、制备及表征。a) CNT/GGFF的概念设计。b) GGFF和CNT/GGFF-9 h的光学图像（9 h表示生长CNT 9小时）。c,d) GGFF（c）和CNT/GGFF-9 h（d）的SEM图像。e) CNT/GGFF-6 h的横截面SEM图像。f) CNT层厚度与生长时间的关系。g) ID/IG随CNT/GGFF生长时间变化的统计数据。
图2. CNT/GGFF的电导率。a,b) GGFF和CNT/GGFF的基本单元示意图及相应的等效电阻，分别描绘了多层和多尺度导电机制。c) GGFF和CNT/GGFF的片电阻随生长时间的变化。d) 在14伏电压下，加热至122.1 ± 6.1°C时，尺寸为3 cm × 6 cm的CNT/GGFF的红外图像。e) 在30伏电压下，GGFF、GGFF-9 h和CNT/GGFF-9 h的温度分布。
图3. CNT/GGFF的机械性能。a,b) GGFF和CNT/GGFF基本单元的示意图及相应的受力分析，说明了GGFF和CNT/GGFF纤维之间不同的界面载荷传递机制。c) 不同生长时间下CNT/GGFF的应力-应变关系。d) GGFF和CNT/GGFF的拉伸强度随生长时间的变化。e) GGFF和CNT/GGFF的杨氏模量随生长时间的变化。
图4. CNT/GGFF的热导率。a) GGFF和CNT/GGFF的面外热传递模型。b) 在40°C（冷却面温度，Tc）和80°C（加热面温度，Th），以及50 psi压力下，GFF、GGFF、GGFF-9 h和CNT/GGFF-9 h的热阻。c) GGFF、GGFF（1-9 h）和CNT/GGFF的热阻随生长时间的变化。d) GFF、GGFF-9 h和CNT/GGFF-9 h的热阻随加热面温度（Th）的变化。
/ 总结 /
研究人员成功开发了具有多层和多尺度结构的CNT/GGFF，实现了GFF电导率、力学性能和热导率的同步提升。所得的CNT/GGFF表现出显著的电导率和电热性能，具有约10欧姆每平方的超低片电阻、在低工作电压下的超高加热温度、超快的电热响应和均匀的加热温度，使这种先进材料在复合材料、防冰和热管理领域具有应用潜力。
此外，所制备的CNT/GGFF表现出高机械性能，包括高强度、高杨氏模量和高韧性，使其成为军事和工业领域的首选结构功能一体化材料。此外，CNT/GGFF的热导率由于碳纳米材料和玻璃纤维的热导率在温度依赖性趋势上的相反表现，使其热阻减少了70%以上，并且几乎不受温度影响，这扩展了其在航空和航天领域的应用，因为这些材料常常因环境温度变化而影响飞机的热稳定性、可靠性和寿命。
为了进一步说明CNT/GGFF的潜在应用，通过真空辅助树脂灌注（VARI）方法制备了CNT/GGFF增强环氧复合材料，并在图S11和S12以及表S1（支持信息）中测量了其电加热性能。可以观察到，CNT/GGFF增强环氧复合材料显示出优异的电加热性能，并且环氧树脂可以很好地渗透到环氧复合材料中。鉴于玻璃纤维织物增强环氧复合材料广泛用于飞机翼前缘和风力涡轮机叶片，具有优异电加热性能的CNT/GGFF增强环氧复合材料有望用于这些结构的防冰，因为这些结构非常容易受到霜冻和冰损伤的影响，而这对这些结构的整体强度有显著影响。
总而言之，这项工作不仅开发了一种多功能的CNT/GGFF，以扩展玻璃纤维的应用领域，还提供了一种将前沿一维和二维材料与传统材料结合的新方法，为其在不久的将来实际应用提供了更多可能性。
