酸化處理對(duì)銅/碳納米管復(fù)合材料導(dǎo)電性影響研究

黎大為　高召順

摘要：碳納米管電學(xué)性能良好，是提高金屬材料導(dǎo)電性的重要增強(qiáng)相。隨著研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)碳納米管團(tuán)聚已成為提高金屬碳納米管復(fù)合材料性能的重要限制因素?，F(xiàn)對(duì)碳納米管進(jìn)行了酸化處理，獲得了無團(tuán)聚的碳納米管分散液。在此基礎(chǔ)上獲得了銅/分散性碳納米管復(fù)合材料，將其與使用未處理的碳納米管制備的復(fù)合材料進(jìn)行了對(duì)比發(fā)現(xiàn)，銅/分散性碳納米管復(fù)合材料具有更高的電導(dǎo)率，證明了對(duì)碳納米管進(jìn)行酸化處理有利于提升復(fù)合材料電導(dǎo)率。

關(guān)鍵詞：碳納米管;酸化處理;電導(dǎo)率

1 研究背景

銅具有導(dǎo)電性高、塑性好等優(yōu)勢(shì)，在國防、電氣等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著生產(chǎn)生活中對(duì)銅的需求不斷提高，開發(fā)高導(dǎo)電銅基復(fù)合材料成為迫切需要解決的問題。自從碳納米管（Carbon Nanotube，CNT）被發(fā)現(xiàn)以來，金屬碳納米管復(fù)合材料的研究熱度逐年提高[1-2]，碳納米管具有準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)，可在內(nèi)部傳輸電子，且傳輸過程中電子只能沿軸向運(yùn)動(dòng)，具有高導(dǎo)電性[3]，因此被認(rèn)為是增強(qiáng)銅電學(xué)性能的理想增強(qiáng)相。

由于CNT長徑比大，范德華力強(qiáng)，易出現(xiàn)纏結(jié)團(tuán)聚現(xiàn)象，不利于發(fā)揮高導(dǎo)電性[4]。CNT團(tuán)聚已成為限制提升銅/CNT復(fù)合材料電導(dǎo)率的關(guān)鍵問題。

本文使用混酸對(duì)CNT進(jìn)行酸化處理，提高分散性，解決團(tuán)聚問題，以此獲得的銅基復(fù)合薄膜具有更好的導(dǎo)電性。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

2.1? ? 材料與儀器

碳納米管酸化處理實(shí)驗(yàn)所需材料與儀器如表1所示。

2.2? ? 實(shí)驗(yàn)過程

在500 mL圓底燒瓶中加入CNT 0.32 g和硝酸、硫酸混合酸160 mL，用50 ℃油浴加熱6 h。倒出混合液，離心除酸加蒸餾水清洗得到黑色黏稠流體。冷凍干燥獲得低團(tuán)聚的dCNTs黑色粉體。

取黑色粉體溶于蒸餾水中配成濃度為0.2 g/L的分散液。取200 mL分散液置于燒杯中，加入50 g五水硫酸銅攪拌溶解，得到硫酸銅/dCNTs電鍍液。隨后使用電沉積方式制備銅/碳納米管復(fù)合材料，沉積原理如圖1所示。

采用532 nm激光拉曼光譜對(duì)CNT、dCNT進(jìn)行表征，掃描電子顯微鏡對(duì)復(fù)合材料形貌進(jìn)行表征。室溫下采用伏安法測(cè)定樣品的電導(dǎo)率，每個(gè)樣本測(cè)量3次取平均值。

2.3? ? 結(jié)果與討論

圖2為CNT與dCNTs分散液照片，可見CNT在水中已團(tuán)聚沉降，而酸化處理后的dCNTs可形成穩(wěn)定的分散液，未見團(tuán)聚。圖3為dCNTs的拉曼光譜。典型的CNT應(yīng)該在1 350 cm-1（D）、1 580 cm-1（G）和2 670 cm-1（2D）有3個(gè)強(qiáng)峰，而dCNTs光譜顯示在1 350 cm-1（D）和1 580 cm-1（G）有2個(gè)強(qiáng)峰。2D峰減弱，表明dCNTs經(jīng)酸化處理發(fā)生了化學(xué)修飾[5]。

圖4為使用dCNTs與原始CNT制備的銅/碳納米管復(fù)合材料SEM圖像，可見Cu/dCNTs更平整均勻，而Cu/CNT由于碳納米管團(tuán)聚，外層包裹銅形成大顆粒，會(huì)使得電導(dǎo)率降低。

使用兩種碳納米管制備的材料的拉曼光譜與導(dǎo)電率比較如圖5所示，可見兩種材料都成功引入了碳納米管成分，為復(fù)合薄膜。

室溫下Cu/dCNTs復(fù)合材料與Cu/CNT材料電導(dǎo)率如表2所示，用dCNTs制備的復(fù)合材料平均電導(dǎo)率可達(dá)95.964 1%IACS，高于Cu/CNT的89.256 9%IACS，說明CNT經(jīng)酸化處理后再與銅復(fù)合有利于提高導(dǎo)電性。

3 結(jié)語

綜上所述，采用混合酸對(duì)CNT進(jìn)行酸化處理得到dCNTs，可以形成低團(tuán)聚的分散液。此外用兩種碳納米管制備了復(fù)合材料，對(duì)比發(fā)現(xiàn)酸化使得復(fù)合材料更平整均勻，電導(dǎo)率更高。

[參考文獻(xiàn)]

[1] SUBRAMANIAM C， TAKEO Y，KAZUFUMI K，et al. One hundred fold increase in current carrying capacity in a carbon nanotube-copper composite[J].Nature Communication， 2013，4：2202.

[2] QIN X.Preparation of copper/carbon nanotube films by composite electrodeposition and its formation mechanism[D].Beijing：Beijing university of chemical technology，2010.

[3] CHAI G Y，SUN Y，SUN J R，et al.Mechanical properties of carbon nanotube–copper nanocomposites[J].Journal of Micromechanics and Microengineering，2008.18（3）：035013.

[4] 王鑫華，郭柏松，倪頌，等.氧化階段混酸處理對(duì)多壁碳納米管化學(xué)鍍銅的影響[J].粉末冶金材料科學(xué)與工程，2018，23（3）：266-273.

[5] 金劭，騫偉中，魏飛，等.官能團(tuán)化碳納米管的表征[J].北京化工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，37（6）：55-59.

收稿日期：2020-04-07

作者簡介：黎大為（1994—），男，山東博興人，碩士，研究方向：先進(jìn)電工材料。