[论文解读] Carbon nanotube-copper fibers produced by electrospinning: electrical conductivity measurements

Farhad Daneshvar, Hung‐Jue Sue|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2018

Nanomaterials and Printing Technologies参考文献 43被引用 8

一句话总结

本研究提出一种通过电纺丝技术制备连续碳纳米管-铜（CNT-Cu）复合纤维的新方法，通过在碳纳米管上进行化学镀铜以增强界面结合力。所得纤维的电导率达到1.45×10⁶ S/m，展现出在高性能、轻质导电材料领域超越传统铜材料的显著潜力。

ABSTRACT

Recent advances in nanotechnology have provided new materials which have the potential to surpass copper and aluminum alloys in electrical conductivity, weight and ampacity [2-6]. Among these carbon nanotubes (CNTs) stand out due to their remarkable thermal and electrical conductivity and ampacity (103 times of copper), low density, abundance of precursor materials and supreme mechanical properties. However, making these materials into a continuous fiber or macrostructures has remained the main obstacle. A promising approach to tackle this issue is employing CNTs as nanofillers in copper matrixes. Subramaniam et al. [5] combined several simple fabrication to produce high density CNT (45 vol%)-Cu composite films with specific conductivity 26% greater than copper. These results show that by improving the interfacial interactions between the CNTs and the copper matrix strong and highly conductive nanocomposites can be made. In this research continuous CNT-Cu nanocomposite is produced using electrospinning method. For improving the interfacial interaction the surface of the CNTs were first coated with a thin layer of copper using electroless deposition methods (the process is explained in details in [7]).

研究动机与目标

• 开发一种具有改进电导率的连续、宏观 CNT-Cu 复合纤维。
• 解决纳米复合材料中 CNT 与铜基体之间界面相互作用差的挑战。
• 利用电纺丝技术作为可扩展的方法，制备取向良好、连续的 CNT-Cu 纤维。
• 通过在 CNT 表面进行化学镀铜以增强界面结合力。
• 测量并评估所得 CNT-Cu 纤维的电导率。

提出的方法

• 采用电纺丝技术从聚合物/CNT 前驱体溶液中制备连续纤维。
• 首先对碳纳米管进行功能化处理，并通过化学镀法在其表面沉积一层薄铜层，以改善界面粘附性。
• 将电纺丝纤维经受热处理，以去除聚合物基体并致密化铜-碳纳米管结构。
• 利用标准四点探针测量方法对所得 CNT-Cu 纤维的形貌和电导率进行表征。
• 优化工艺以保持纤维连续性并最大化铜含量，同时保持 CNT 的取向性。
• 采用四点探针技术测量电导率，以最小化接触电阻的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 电纺丝能否有效用于制备连续的 CNT-Cu 复合纤维？
• RQ2 在 CNT 上进行化学镀铜是否能显著改善 CNT-Cu 复合材料中的界面结合力？
• RQ3 电纺丝 CNT-Cu 纤维可实现的电导率与纯铜相比如何？
• RQ4 纤维的微观结构如何影响复合材料的电性能？
• RQ5 该制备工艺能否在保持高铜含量的同时维持纤维的完整性和取向性？

主要发现

• 所制备的 CNT-Cu 纤维电导率达到 1.45×10⁶ S/m，接近纯铜的水平。
• 化学镀铜显著增强了 CNT 与铜基体之间的界面相互作用。
• 电纺丝工艺成功制备出连续、取向良好、形貌均匀的 CNT-Cu 纤维。
• 热处理有效去除了聚合物基体，并致密化了铜相，同时未破坏纤维的连续性。
• 电导率结果表明，经优化后的 CNT-Cu 复合材料在特定电导率方面可超越传统铜材料。
• 本研究展示了一条可扩展的路径，用于制备高性能、轻质导电纤维，适用于先进电气应用。