摘要
随着社会发展，高导电率、低能耗以及轻质的导线材料市场需求巨大。铜作为传统且应用广泛的导电材料，其较高的密度已很难满足电力运输、航空航天和微电子等行业对于轻质导电材料的发展需求。碳纳米管纤维（CNTF)具有强度高、导电性能好、密度低以及耐腐蚀等特点，是潜在的新型导体材料。相较于纯铜，CNTF可以通过化学修饰改性提升其导电性能，如酸氧化、碘掺杂、金/铂酸处理和臭氧照射等，但是电学性能提升有限，并且传统的改性方法会影响纤维的致密性，增加碳纳米管之间的接触电阻，很难满足实际应用。实现铜和CNTF的复合是解决上述问题的有效策略，提升CNTF电导性能的同时，满足轻质化的要求。目前，铜和CNTF界面结合是复合过程中亟需解决的关键问题，主要是因为碳纳米管与铜之间的界面能差异大，导致碳纳米管和铜的界面相互作用较弱。通过对CNTF进行致密化、提纯、引入官能团或金属等策略，可以提升铜/碳纳米管复合结构中界面结合力，进而提升其电学性能。针对上述问题，在本论文中，通过在CNTF引入双亲和力的中间层，增加CNTF与铜之间的结合能力，进而提升碳纳米管的电学性能。本论文主要研究结果如下： 1.尝试在CNTF表面分别引入金属镍粒子、聚吡咯以及盐酸多巴胺，在其表面生成能够改善Cu-CNTF界面结合力的缓冲层。实验结果表明：镍颗粒未能顺利附着在CNTF表面；聚吡咯在CNTF表面形成纳米线结构，但通过进一步沉积铜后的电导率未有明显提升；以盐酸多巴胺作为前驱体，浸泡CNTF且碳化后，对其形貌结构表征后发现，CNTF表面生成了一层均匀且致密的含氮颗粒。在对含氮掺杂的CNTF表面进行铜沉积后表征发现，引入盐酸多巴胺作为氮源成功提升了Cu@CNTF的电导率，这说明盐酸多巴胺作为氮源能够有效改善Cu和CNTF界面亲和力。 2.以盐酸多巴胺溶液作为前驱体，通过调控CNTF浸泡时间并热处理，得到氮掺杂碳材料改性的CNTF界面（NC@CNTF），经过电化学沉积铜，随后高温退火得到氮掺杂碳表面沉积铜的碳纳米管复合纤维（Cu@NC@CNTF）。氮元素在CNTF表面的有效引入，使得铜碳纳米管界面的结合更加紧密。当盐酸多巴胺浸泡时间为24h且沉积铜的电流密度为0.02A/cm2时，碳纳米管/铜复合纤维的界面结合紧密。由于热处理增加了表面的缺陷结构，利于Cu在表面上的紧密锚定，进而形成更加紧密的铜-碳纳米管界面。 3.在CNTF表面电化学沉积铜制备铜碳复合纤维的过程中，研究了不同电化学沉积条件对其电学性能的影响。在研究中发现，通过调控电化学沉积条件可以有效地调控铜的沉积速率和形貌，并且对铜碳复合纤维的电学性能产生了重要影响。在调控沉积过程中的电流密度时，铜的沉积速率随着电流密度的增加而增加，与此同时也会形成较大的铜颗粒，进而导致电阻率增加。在电解液中添加助剂可以有效地改善铜的沉积形貌，进而提高铜碳复合纤维的电导率和机械性能。本文还研究了不同电解质对电化学沉积铜的影响，发现选择不同电解质会对铜的沉积速率和形貌产生影响，进而影响铜碳复合纤维的电学性能。通过对比发现，CNTF在水系无机电沉积溶液中的铜沉积最有利于铜碳复合纤维电学性能的提升，其电导率达到了3.06×107S/m，与无界面修饰的碳纳米管/铜复合纤维相比提高了23.09%；比电导率达到了7571.48S·m2/kg，与无界面修饰的碳纳米管/铜复合纤维相比提高了20.65%。
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