静电纺丝制备铜碳纳米管复合材料用于先进导体

　　ACS Applied Nano Materials：静电纺丝制备铜-碳纳米管复合材料用于先进导体
　　DOI: 10.1021/acsanm.0c01236
　　与铜（Cu）电阻相关的功率损耗引起了人们对开发先进导体的极大兴趣，该类导体将碳纳米管（CNT）结合到Cu基质-超导Cu（UCC）复合材料中，以提高各种工业和住宅应用中的能源效率，包括电力传输、旋转机械以及电子设备。为了满足这一需求，研究者描述了一种基于静电纺丝的聚合物纳米纤维模板化策略，用于制备电气和机械性能优于铜的UCC复合材料。该方法涉及将含CNT的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）基溶液电纺成定向PVP/CNT纳米纤维，沉积在Cu箔基板上，然后通过真空辅助热去除CNT基质中的有机溶剂/聚合物，以在铜表面形成均匀分布的碳纳米管层。Cu-CNT-Cu复合材料在额外Cu沉积后，表现出与参照Cu相似的导电性、更高的载流能力和改善的机械性能。重要的是，经热处理后，CNT网络的拉曼分析显示出增强的金属特性，从而增强了UCC复合材料的电性能。因此，这些性能特征以及本方法的商业可行性可以为设计用于广泛电气系统和工业应用的先进导体开辟新的可能性。
　　图1.（a）静电纺丝设置示意图，（b）制备Cu-CNT-Cu复合材料的工艺流程。碳纳米管层的颜色变化（浅灰色至黑色）与沉积后热处理后有机化学物质的去除有关。
　　图2.在600℃真空中进行热处理前后，使用含（a）2wt％PVP和（b）7.5wt％的PVPH2O/EtOH/PVP配方在Cu上进行静电纺丝CNT涂层的典型SEM图像。
　　图3.通过DMF/PVP配方在铜上制备电纺CNT纤维的典型SEM图像。PVP含量为（a）5wt％、（b）7.5wt％和（c）10wt％，（d）、（e）和（f）分别显示了在600℃的真空中除去PVP后相同样品上的CNT涂层（有关详细信息，请参见文本）。
　　图4.热处理前后，电纺CNT（由10wt％PVP分散液制成）涂层的偏振拉曼光谱，用532 nm激光激发记录。（a）G波段区域。G+带的峰位置用虚线表示。以10s的曝光时间收集光谱。（b）与原始SWCNT相比，相同热处理样品的RBM区域。通过真空热处理从CNT基质中去除PVP（c）之前和（d）之后，对于10wt％PVP/CNT系统，G+带强度与入射激光偏振和纳米管轴之间角度（曝光时间：1s）的典型极坐标图。角度依赖性由拉曼强度和偏振角（实线）之间的cos2（θ）比例描述。
　　图5.（a）在初始阶段和（b）在完成Cu沉积时，CNT-Cu上Cu覆盖层的表面形态演变。（c）后退火Cu-CNT-Cu复合材料的低倍和（d）高倍放大图像。在（b）和（c）中的纵向标记是在Cu带的轧制过程中引起的。
　　图6.由含（a）5wt％PVP和（b）10wt％PVP的CNT分散液制备的Cu-CNT-Cu样品的STEM图像。前者说明了整个CNT层厚度的多孔性。（b）的插图显示了CNT层中的Cu纳米颗粒和单个原子。（c）和（d）中的高倍率ABF图像清楚地显示了两个样品中纳米管的结构。
　　图7.由含5、7.5和10wt％PVP的静电纺丝溶液制备的Cu-CNT-Cu复合材料电阻率的温度依赖性。为了进行比较，还显示了在暴露于与复合样品相同加工条件之前和之后29µm厚纯Cu的电阻率数据。（b）与纯Cu参照相比，在12µm厚的铜带上进行类似加工的Cu-CNT-Cu（10wt％PVP）的温度依赖性电阻率。注意，不同样品两次测量的数据在（a）中显示为5、7.5和10wt％，在（b）中显示为10wt％，以说明可重复性。
　　图8.（a）以不同PVP/DMF前驱体配方在29µm厚的Cu上制备Cu-CNT-Cu复合材料，其电阻率随电流密度的变化。为了进行比较，包括暴露在与复合样品相同热处理条件下的参考铜的数据。（b）比较在12µm厚的Cu上制备的含10wt％PVP的Cu-CNT-Cu复合材料及其参照纯品的电流密度性能。失效时的线性外推由点划线表示，并用于估计CCC。
　　图9.（a）与图7a所示相同的Cu-CNT-Cu复合材料样品的典型室温拉伸应力-应变曲线（其中CNT层由含有不同PVP浓度的分散体制备），与制备的铜参照进行比较。（b）Cu-CNT-Cu复合材料的平均拉伸强度和（c）杨氏模量。直方图中的误差线是同批次中多个试样的拉伸性能的标准变化。
　　文章来源：易丝帮
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