酸化处理对铜/碳纳米管复合材料导电性影响研究

黎大为　高召顺

摘要：碳纳米管电学性能良好，是提高金属材料导电性的重要增强相。随着研究的不断深入，发现碳纳米管团聚已成为提高金属碳纳米管复合材料性能的重要限制因素。现对碳纳米管进行了酸化处理，获得了无团聚的碳纳米管分散液。在此基础上获得了铜/分散性碳纳米管复合材料，将其与使用未处理的碳纳米管制备的复合材料进行了对比发现，铜/分散性碳纳米管复合材料具有更高的电导率，证明了对碳纳米管进行酸化处理有利于提升复合材料电导率。

关键词：碳纳米管;酸化处理;电导率

1 研究背景

铜具有导电性高、塑性好等优势，在国防、电气等领域得到了广泛应用。随着生产生活中对铜的需求不断提高，开发高导电铜基复合材料成为迫切需要解决的问题。自从碳纳米管（Carbon Nanotube，CNT）被发现以来，金属碳纳米管复合材料的研究热度逐年提高[1-2]，碳纳米管具有准一维结构，可在内部传输电子，且传输过程中电子只能沿轴向运动，具有高导电性[3]，因此被认为是增强铜电学性能的理想增强相。

由于CNT长径比大，范德华力强，易出现缠结团聚现象，不利于发挥高导电性[4]。CNT团聚已成为限制提升铜/CNT复合材料电导率的关键问题。

本文使用混酸对CNT进行酸化处理，提高分散性，解决团聚问题，以此获得的铜基复合薄膜具有更好的导电性。

2 实验设置

2.1    材料与仪器

碳纳米管酸化处理实验所需材料与仪器如表1所示。

2.2    实验过程

在500 mL圆底烧瓶中加入CNT 0.32 g和硝酸、硫酸混合酸160 mL，用50 ℃油浴加热6 h。倒出混合液，离心除酸加蒸馏水清洗得到黑色黏稠流体。冷冻干燥获得低团聚的dCNTs黑色粉体。

取黑色粉体溶于蒸馏水中配成浓度为0.2 g/L的分散液。取200 mL分散液置于烧杯中，加入50 g五水硫酸铜搅拌溶解，得到硫酸铜/dCNTs电镀液。随后使用电沉积方式制备铜/碳纳米管复合材料，沉积原理如图1所示。

采用532 nm激光拉曼光谱对CNT、dCNT进行表征，扫描电子显微镜对复合材料形貌进行表征。室温下采用伏安法测定样品的电导率，每个样本测量3次取平均值。

2.3    结果与讨论

图2为CNT与dCNTs分散液照片，可见CNT在水中已团聚沉降，而酸化处理后的dCNTs可形成稳定的分散液，未见团聚。图3为dCNTs的拉曼光谱。典型的CNT应该在1 350 cm-1（D）、1 580 cm-1（G）和2 670 cm-1（2D）有3个强峰，而dCNTs光谱显示在1 350 cm-1（D）和1 580 cm-1（G）有2个强峰。2D峰减弱，表明dCNTs经酸化处理发生了化学修饰[5]。

图4为使用dCNTs与原始CNT制备的铜/碳纳米管复合材料SEM图像，可见Cu/dCNTs更平整均匀，而Cu/CNT由于碳纳米管团聚，外层包裹铜形成大颗粒，会使得电导率降低。

使用两种碳纳米管制备的材料的拉曼光谱与导电率比较如图5所示，可见两种材料都成功引入了碳纳米管成分，为复合薄膜。

室温下Cu/dCNTs复合材料与Cu/CNT材料电导率如表2所示，用dCNTs制备的复合材料平均电导率可达95.964 1%IACS，高于Cu/CNT的89.256 9%IACS，说明CNT经酸化处理后再与铜复合有利于提高导电性。

3 结语

综上所述，采用混合酸对CNT进行酸化处理得到dCNTs，可以形成低团聚的分散液。此外用两种碳纳米管制备了复合材料，对比发现酸化使得复合材料更平整均匀，电导率更高。

[参考文献]

[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，倪颂，等.氧化阶段混酸处理对多壁碳纳米管化学镀铜的影响[J].粉末冶金材料科学与工程，2018，23（3）：266-273.

[5] 金劭，骞伟中，魏飞，等.官能团化碳纳米管的表征[J].北京化工大学学报（自然科学版），2010，37（6）：55-59.

收稿日期：2020-04-07

作者简介：黎大为（1994—），男，山东博兴人，硕士，研究方向：先进电工材料。