Cu/TiN核壳结构复合纳米纤维的可控合成及性能

Motivated by the rising cost of tin-doped indium oxide (ITO), the search for new transparent conductive films to replace ITO is ongoing. To fabricate transparent conductive film with combination of high electric conductivity, high optical transparency and high chemical durability, our attention will be focused on a new domain-Cu/TiN nanofiber with a core/shell structure, concerning the high electric conductivity of Cu and the high chemical durability of TiN. Cu/TiN core/shell nanofibers with controllable morphology and structure will be synthesized by coaxial electrospinning. The effects of synthesis process parameters on the formation of Cu/TiN core/shell nanofibers will be investigated. Cu/TiN nanofiber-based transparent conductive films with high performance are expected to be obtained. The mechanism of the enhanced properties by integration of Cu and TiN in core/shell nanofiber will be proposed. This project will provide a method for finding new materials to replace traditional ITO-based transparent conductive films.

为了解决目前广泛应用的锡掺杂氧化铟（ITO）透明导电薄膜成本高、应用范围有限等不足，新型透明导电薄膜材料的研制一直是国内外研究的热点。本项目突破现有透明导电薄膜的材料体系，提出了一种新颖的核壳结构Cu/TiN复合纳米纤维透明导电薄膜材料，综合利用核壳结构中内核金属Cu的导电性和外壳TiN陶瓷的稳定性，旨在获得高电导率、高可见光透射率和良好稳定性的透明导电薄膜材料。基于同轴电纺丝技术，着重研究Cu/TiN纳米纤维核壳结构的形成条件、复合机理和控制策略，揭示核壳结构对组装的透明导电薄膜性能的影响规律和作用机制，为研制低成本、高性能新型透明导电薄膜奠定理论和技术基础。

透明导电薄膜材料具有高可见光透射率和低电阻率，是一种重要的光电材料，广泛应用于触摸屏、液晶显示器、太阳能电池、有机发光二极管和智能窗等光电领域。目前广泛应用的锡掺杂氧化铟（ITO）透明导电薄膜存在成本高、应用范围有限等不足，亟需寻找新型透明导电薄膜材料替代现有的ITO。为此，本项目基于同轴电纺丝技术，开展一种新颖的Cu/TiN复合纳米纤维透明导电薄膜材料的合成过程、机理及性能的研究。设计并构建了同轴电纺丝装置，研究了纺丝原液特性（金属盐的种类及含量、高分子粘结剂的种类及浓度、溶剂种类及比例）和纺丝工艺参数（电压、距离、纺丝液流速）对前驱体纤维成型过程的影响，制备了核壳结构前驱体复合纤维；通过研究两步热处理的工艺参数对复合纤维成分、结构及形貌的影响，揭示了Cu/TiN复合纳米纤维形成的热力学条件和反应机理，掌握了Cu/TiN复合纳米纤维在热处理过程中的结构和形貌演变规律；揭示了Cu/TiN复合纳米纤维的成分、结构对其性能的作用机制，合成了兼具高导电性和高稳定性的Cu/TiN复合纳米纤维，并组装了网格结构Cu/TiN复合纳米纤维透明导电薄膜，进一步探究了纤维分布密度对透明导电薄膜方阻和可见光透射率的影响规律。经过三年的研究，顺利完成了任务书中规定的任务，获得了高电导率、高可见光透射率和良好稳定性的透明导电薄膜材料，为低成本、高性能新型透明导电薄膜的研制奠定了理论和技术基础。通过本项目的研究，培养博士1名，硕士3名，其中2名硕士已经毕业，申请国家发明专利6项，发表SCI论文9篇。