铜基板上垂直排列CNT-Ag复合层的设计及其电接触性能的研究

碳纳米管（CNTs）以其优异的物理、力学性能，已成为功能复合材料的理想增强体之一。本研究拟通过制备新型催化剂，采用化学气相沉积法在导电金属（Cu）基板表面直接生长垂直排列的CNTs，并进行微波等后续处理获得与基体具有良好电接触的CNTs阵列，再用浸渍等工艺将Ag填充进CNTs阵列中，制得Cu基体表面覆盖定向排列CNT-Ag复合层的新型电触头材料。该研究既可提高电触头材料的性能又降低了Ag的使用量，从而为低成本、高性能电触头材料的研制提供了新的途径。通过探明催化剂与基底Cu的相互作用及调控工艺参数，获得铜基板上垂直生长多结构CNTs阵列的控制条件，揭示其生长机理；并通过测评CNTs与基体的界面结合强度、接触电阻和复合材料的动、静态电接触性能等，得出CNTs与基体的界面结合特征及其与性能的关系，从而为CNTs增强金属基复合材料强化机理的研究提供可靠的试验数据和理论依据。

随着电气时代的发展，各种规格的电器开始进入千家万户，而电触头材料是影响开关电器触头系统工作可靠性的关键因素。发展优质、可靠、低成本的电触头材料成为人们研究的重点。.自碳纳米管(CNTs)被发现以来，以碳纳米管为代表的新型碳纳米材料以其优异的电学、力学特性引起了人们的广泛关注。碳纳米管具有载流容量大、导热率高、热稳定性好等特性。2004年，Hjortstam等提出了超低电阻材料的概念，利用碳纳米管的弹道传输特性，在理想状态下与金属基体（Cu、Ti等）复合，添加30-60vol%的CNTs就可使复合材料的室温电阻降低到纯铜的1/2。因此，通过合理的设计，将碳纳米管引入到电触头材料的制备中，有望突破目前常规添加物的限制，制备出新一代高性能环保电触头材料。本项目针对此开发了一种原位生长复合新技术，即首先在铜基体和银基体上通过CVD法直接合成出CNTs等碳纳米材料，然后采用浸渍、煅烧、还原和压制烧结等工艺制备出CNTs-Cu/Cu和CNTs-Ag/Ag复合电触头材料。通过本项目的实施，掌握了多结构碳纳米材料（如竹节状CNTs、单螺旋和双螺旋碳纳米纤维（CNFs）、富勒烯插层多孔CNFs（pCNFs）等）在Cu和Ag基体上直接生长的调控途径和复合材料的最佳制备工艺，其中富勒烯插层pCNFs为本课题组在世界上首次合成。同时通过控制反应条件，还可以在铜箔上一步合成自支撑pCNTs/石墨烯杂化体，由于pCNTs直接生长在连续的石墨烯膜（25nm）上形成化学键合，且石墨烯具有良好的导电性，是一种理想的电极集流体，而且其质量和体积相对于活性材料pCNFs几乎可以忽略不计，因此，用其所组装的超级电容器的器件性能相比传统方法高出一个数量级以上。受在金属基体上生长碳纳米材料的启发，本项目还开展了在去合金化纳米多孔金属上催化合成碳纳米材料，并在世界上首次合成了孔道只有十纳米左右的高密度三维连续石墨烯宏观体和三维石墨烯/CNTs杂化体，此材料具有高的比表面积、高的电导率等优异特性，将在催化、能量存储/转换等方面具有广泛的应用前景。