碳纳米管导电纤维是一种由无数碳纳米管单体组装而成的连续宏观聚集体,具有极为优异的力学性能、较高的电导率、极高的柔韧性与轻量化特性,契合下一代新型导电材料的发展要求,在电线电缆、柔性电极、可穿戴智能设备及纤维状功能器件领域均有极为广泛的应用前景,未来市场极为庞大。然而受管间接触电阻的影响,现有技术制得的碳纳米管纤维的电学性能仍远低于预期值,需进一步地提高,或将其与传统金属材料复合,结合两者优势,制备出高强、高导电的轻量化复合导电纤维。另一方面,得益于其独特的组装结构及碳纳米管单体的特殊电学性能,碳纳米管导电纤维具有诸多独特的电学特性,但目前对此方面缺乏足够的认知。为此,本文对两种方式制备的、具有不同组装结构的碳纳米管纤维的电学性能进行了详细地研究,发现了几种极为特殊的电学行为,包括非线性电阻、负微分电阻与电导率跃迁行为。此外,现有的焊接技术并不适用于碳纳米管导电纤维,为此本文还将涉及一种碳纳米管纤维焊接技术,为构建全碳制电路或器件扫除一大障碍。论文的主要研究内容与创新点归纳如下:(1)碳纳米管纤维阵列纺丝技术与浮动催化法制备技术可实现碳纳米管纤维的连续制备。纺丝纤维中碳纳米管束高度取向,为顺排结构,而浮动纤维中则高度缠结而呈网络状组装结构。纺丝纤维强度高,但其断裂延伸率低,仅有2-3%,呈脆性断裂趋势,且其电导率较低,仅有400-500S/cm;而浮动纤维强度低,断裂延伸率高,可超过20%,纤维韧性较大,且其电导率高于阵列纤维,达到4000-6000S/cm。适度的加捻、溶剂致密、酸化处理、阳极氧化处理等可在一定程度上提高纤维电学及力学性能。(2)浮动法制备碳纳米管纤维的过程中会生成大量以临苯二甲酸二辛脂(DOP)为主的有机杂质。一方面其可起增塑作用,大幅提升纤维塑性,但会影响管间载荷传输效率,降低纤维强度。基于此,在去除有机杂质的浮动纤维中添加聚偏氟乙烯(PVDF),利用长链PVDF分子缠绕住纤维中碳纳米管束搭接点,可同时提高纤维强度与塑性,制备出高韧导电纤维;另一方面,DOP分子可提升碳纳米管纤维的电导率,并诱导出独特的非线性电阻(NLR)及负微分电阻(NDR)现象。对比研究各类不同有机分子,发现具有临苯、长链、氧化官能团等特征的有机分子可在更大程度上提高纤维电导率。通过分子动力学模拟,确定有机分子可调制管间界面结构,促使碳纳米管坍塌,增大管间接触面积,降低接触电阻,从而诱导上述纤维电学性能的变化。(3)受碳纳米管间接触电阻的影响,碳纳米管导电纤维载流容量仅在104 A/cm2量级。而承受大电流时产生的极高温会促使碳纳米管的重结晶与结构坍塌,导致S型非线性电学行为的出现。其机理为:上述坍塌的碳纳米管在承受电流时会发生膨胀,而受加捻导致的限域作用影响,管间接触增加,纤维电阻将随电流大小而变化。在液氮的急速散热效应的作用下,上述由管间界面结构变化引起的非线性电学行为又可突变为一种特殊的电导率跃迁行为。(4)利用碳纳米管纤维突出的电热效应及其中含有的铁催化剂颗粒,在含碳源蒸汽的保护气氛下,可在纤维表面原位生长大量纤维状纳米碳组织,其是由大量纳米碳纤维及片层组成,结晶度较高,具有较高力学强度及导电能力。进一步利用碳纳米管纤维间的接触电阻则可使上述纳米碳组织优先生长于搭接点处,从而在纤维间构建出可靠、稳定的载荷及电子传输通道,实现碳纳米管纤维的焊接。此碳纳米管纤维焊接技术简单可靠,将推动全碳制电路与器件的发展。(5)采用连续电镀法,在碳纳米管纤维表面镀覆均匀铜层,实现了碳纳米管/铜复合导电纤维的连续批量化制备。在此铜碳复合导电体系中,电子与热量可自铜层跃迁至碳纳米管中进行无消耗的弹道式传输,大幅提升复合导电体的电导、热导、载流容量及高频信号传输能力。通过快速冲击镍处理,引入镍缓冲层,增大铜碳界面作用力,形成强健、高热稳定的碳-镍-铜界面结构可进一步提高复合导电纤维的有效强度、抗弯折能力、导电率、载流容量及载流稳定性,并提升其GHz高频信号传输能力。