元素掺杂对铜/碳纳米管复合材料界面及导电性能的影响研究

Conductive materials are the most important basic materials for power technology. The development of new high-strength, high-conductivity and high-current-carrying copper/carbon nanotube (CNTs) composites is an important measure to implement high-efficiency power conservation. In order to solve the problem of poor wettability and weak bonding between Cu and CNTs, this project will dope a series of strong carbide forming elements in Cu. And through sintering process, a certain amount of carbides will form at the interface between Cu and CNTs, which will enhance the interface connection. By optimizing parameters of the sintering, the plastic deformation and the heat treatment process, the interface structure and the directional alignment of the CNTs are further improved, and the comprehensive performance of the material is improved. At the same time, by systematically studying the effects of doping element types, contents, and reaction temperatures on the size, morphology, and content of interface products, analyze the formation and evolution mechanism of microstructure and interface of the composite under different preparation processes, establish the relationship among composition, interface, and the electrical properties, and successfully prepare the Cu/CNTs composites with high current-carrying capacity, high conductivity and low resistance temperature coefficient.

导电材料是电力技术最重要的基础性材料，开发新型高强高导高载流量铜/碳纳米管（CNTs）复合材料，是实施高效电力节能的重要举措。为了解决Cu与CNTs界面润湿性差，结合力弱的问题，本项目在Cu中掺杂强碳化物形成元素，通过烧结在Cu与CNTs界面处产生界面反应，形成一定数量的碳化物，从而增强界面连接；通过优化烧结工艺、塑性变形以及热处理工艺，进一步改善界面结构以及CNTs定向排列，提升材料的综合性能。同时，系统研究掺杂元素种类和含量，界面反应温度等对界面产物的尺寸、形貌和含量的影响，分析不同制备工艺下微观组织以及复合界面的形成、演化规律，深入探讨其对Cu/CNTs复合材料导电性能的影响，建立成分-界面结构-导电性能之间的关联关系，制备具有高载流量、高电导率、低电阻温度系数的Cu/CNTs复合材料。

铜是航空航天、国防军工、能源电力、先进轨道交通等高新技术领域的关键基础材料。随着社会的发展，对高性能铜基导电材料的需求日益迫切。铜/碳纳米管(Cu/CNTs)复合材料是一种极具潜力的导电材料，但其难点在于如何实现铜/碳之间优良的界面结合以及碳纳米管在铜基体中的均匀分散。针对以上关键科学问题，本项目主要围绕元素掺杂对铜/碳纳米管复合材料界面及导电性能的影响等开展研究，系统研究了CNTs的前处理工艺、掺杂元素的选择原则，铜/碳界面形貌演变规律、铜/碳纳米管复合材料热压烧结制备与塑性加工技术、以及高强高导机制。取得了以下主要结论：（1）采用过渡族碳化物形成元素（Cr、Nb、Mo、Ti、W、Zr）掺杂可有效改善Cu与CNTs界面结合，掺杂元素在基体中的固溶度越低，生成的碳化物与基体的润湿性越好，数量越适中，越有利提升复合材料的硬度及电导率；（2）掺杂元素含量影响Cu/CNTs复合界面结构，随着掺杂含量提升，碳化物由纳米颗粒向过渡层转变，剩余的元素则以单质颗粒的形式存在；界面处适量碳化物的存在有效提高Cu与CNTs的界面润湿性，降低界面散射，利于电子的传输；碳化物以及CNTs的存在主要起到细晶强化、位错强化、载荷转移强化。（3）铜粉颗粒度、热压烧结温度、时间、压力影响基体晶粒组织以及界面碳化物的含量及形貌，Cu/CNTs复合材料的最佳真空热压烧结工艺为：温度900 ℃、压力50 MPa，保温保压1 h；（4）大塑性变形有助于CNTs在铜基体中均匀分散、取向排列，冷轧板材电导率96.6%IACS，抗拉强度为373 MPa；通过无中间退火的冷拔技术，基体晶粒呈拉长的纤维状，获得了电导率为93.3%IACS、抗拉强度470 MPa的Cu/CNTs复合导线；（5）开发了电沉积结合卷绕拉拔技术以及碳纳米管纤维镀铜结合高温退火技术制备出高电导率、高载流、低电阻温度系数的Cu/CNTs复合导线。此项目的实施丰富了复合导电材料的基础理论，为高性能铜/纳米碳复合材料的设计与制备提供了指导。该类材料展现出了良好的应用前景。