你将学习:
- 通过添加碳纳米管来提高铜的导电性。
- 导电性、载流能力和抗拉强度的测试结果。
我们知道铜(Cu)幸运地结合了许多对电子和其他用途有利的特性。它价格低廉，储量丰富，易于提炼，是一种优良的导电体，并且具有很高的导热性。尽管如此，对于更高功率的应用，任何更低的电阻率和更高的电导率都将是一个优势，因为欧姆表电阻率的每一点增量都会影响性能(见参考文献如果你忘记了电阻和电阻率之间的区别，请点击下面的内容)。
认识到这一点，一个多学科的研究团队在橡树岭国家实验室(ORNL)发明了一种方法，通过将铜与碳纳米管(CNTs)结合来改善铜的性能，从而创造出具有更高载流能力的导体。这一结果不仅可以降低损耗(这对大功率电机、电动汽车、磁共振成像(MRI)系统至关重要)，还可以在提高机械强度的同时降低电阻率的温度系数(后者在输电线路中尤其有用)。
将碳纳米管与铜基体结合来改善这些特性并不是一个新想法。然而，其他研究人员过去对复合材料的尝试导致了材料长度非常短，在微米或毫米量级，或更长的长度，性能很差。制造这种Cu +碳纳米管复合材料——他们称之为超导电铜(UCC)——不仅仅是熟练地熔炼和精炼铜，然后使用冶金配方添加碳纳米管的问题。
相反，他们采用了一种已经使用的碳纳米管技术，即通过静电纺丝沉积单壁碳纳米管。静电纺丝是一种商业上可行的方法，可以在电场中产生液体喷射的纤维(图1)(见参考文献对于静电纺丝的解释)。
将含有碳纳米管的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)溶液静电纺丝成排列在铜箔衬底上的PVP/碳纳米管纳米纤维，可以控制沉积材料的结构和取向。这导致碳纳米管在一个总的方向上定向，以促进电流的增强，从扫描电子显微镜(SEM)图像中可以看到。
过程的步骤并没有到此结束。接下来，他们使用了磁控溅射技术，这是一种广泛使用的真空镀膜技术，在碳纳米管镀膜的铜带上添加薄层铜膜参考文献如果您不熟悉磁控溅射)。随后，真空辅助热去除碳纳米管基体中的有机溶剂/聚合物，使碳纳米管在Cu表面形成均匀分布的碳纳米管层。
随后，在真空炉中对涂层试样进行退火处理。通过形成致密、均匀的铜层，并允许铜扩散到碳纳米管基体中，从而产生一个高导电性的铜碳纳米管网络。其结果是一种长10厘米、宽4厘米的铜-碳纳米管复合材料。
电学测试表明，cu - cnts - cu复合材料的导电性、载流容量和热系数性能均优于对照铜(图二、图三)．研究人员确定，这种复合材料的电流容量增加了14%。
他们还评估了UCC材料的拉伸性能，与纯铜相比，UCC材料的力学性能提高了20%(图4)．
当然，由于这项工作是在ORNL进行的，他们并没有在基本的电阻、载流和拉伸强度测试之后停止。他们在热处理后进行了拉曼散射分析，发现碳纳米管网络显示出增加的金属特性，这支持了UCC复合材料增强的电学性能参考文献拉曼散射的基本原理)。
该项目的首席研究员Tolga Aytug指出:“通过将碳纳米管的所有伟大特性嵌入铜基体中，我们的目标是获得更好的机械强度、更轻的重量和更高的电流容量。”这样你就得到了一个功率损耗更小的更好的导体，这反过来又提高了设备的效率和性能。例如，性能的改进意味着我们可以在先进的电机系统中减少体积，增加功率密度。”
本文详细介绍了这项工作。”基于静电纺丝技术的铜碳纳米管复合材料在先进导体中的应用”,发表在ACS应用纳米材料,连同补充材料．
参考文献
BYJU的学习应用程序，”电阻和电阻率的区别”
科学/叶组”,电阻率和电导率:定义，原因，公式和单位”
IntechOpen。”纳米纤维及静电纺丝方法”
纳米科学仪器”,电纺的”
IntechOpen。”导论一章:磁控溅射的基本理论”
科学指引。”磁控溅射”
威利分析科学"拉曼光谱简介:介绍和基本原理”
Anton Paar GmbH， "拉曼光谱基础”
