DOI: 10.1021/acsanm.0c01236
與銅（Cu）電阻相關的功率損耗引起了人們對開發先進導體的極大興趣，該類導體將碳納米管（CNT）結合到Cu基質-超導Cu（UCC）復合材料中，以提高各種工業和住宅應用中的能源效率，包括電力傳輸、旋轉機械以及電子設備。為了滿足這一需求，研究者描述了一種基于靜電紡絲的聚合物納米纖維模板化策略，用于制備電氣和機械性能優于銅的UCC復合材料。該方法涉及將含CNT的聚乙烯吡咯烷酮（PVP）基溶液電紡成定向PVP/CNT納米纖維，沉積在Cu箔基板上，然后通過真空輔助熱去除CNT基質中的有機溶劑/聚合物，以在銅表面形成均勻分布的碳納米管層。Cu-CNT-Cu復合材料在額外Cu沉積后，表現出與參照Cu相似的導電性、更高的載流能力和改善的機械性能。重要的是，經熱處理后，CNT網絡的拉曼分析顯示出增強的金屬特性，從而增強了UCC復合材料的電性能。因此，這些性能特征以及本方法的商業可行性可以為設計用于廣泛電氣系統和工業應用的先進導體開辟新的可能性。
圖1.（a）靜電紡絲設置示意圖，（b）制備Cu-CNT-Cu復合材料的工藝流程。碳納米管層的顏色變化（淺灰色至黑色）與沉積后熱處理后有機化學物質的去除有關。
圖2.在600℃真空中進行熱處理前后，使用含（a）2wt％PVP和（b）7.5wt％的PVPH2O/EtOH/PVP配方在Cu上進行靜電紡絲CNT涂層的典型SEM圖像。
圖3.通過DMF/PVP配方在銅上制備電紡CNT纖維的典型SEM圖像。PVP含量為（a）5wt％、（b）7.5wt％和（c）10wt％，（d）、（e）和（f）分別顯示了在600℃的真空中除去PVP后相同樣品上的CNT涂層（有關詳細信息，請參見文本）。
圖4.熱處理前后，電紡CNT（由10wt％PVP分散液制成）涂層的偏振拉曼光譜，用532 nm激光激發記錄。（a）G波段區域。G+帶的峰位置用虛線表示。以10s的曝光時間收集光譜。（b）與原始SWCNT相比，相同熱處理樣品的RBM區域。通過真空熱處理從CNT基質中去除PVP（c）之前和（d）之后，對于10wt％PVP/CNT系統，G+帶強度與入射激光偏振和納米管軸之間角度（曝光時間：1s）的典型極坐標圖。角度依賴性由拉曼強度和偏振角（實線）之間的cos2（θ）比例描述。
圖5.（a）在初始階段和（b）在完成Cu沉積時，CNT-Cu上Cu覆蓋層的表面形態演變。（c）后退火Cu-CNT-Cu復合材料的低倍和（d）高倍放大圖像。在（b）和（c）中的縱向標記是在Cu帶的軋制過程中引起的。
圖6.由含（a）5wt％PVP和（b）10wt％PVP的CNT分散液制備的Cu-CNT-Cu樣品的STEM圖像。前者說明了整個CNT層厚度的多孔性。（b）的插圖顯示了CNT層中的Cu納米顆粒和單個原子。（c）和（d）中的高倍率ABF圖像清楚地顯示了兩個樣品中納米管的結構。
圖7.由含5、7.5和10wt％PVP的靜電紡絲溶液制備的Cu-CNT-Cu復合材料電阻率的溫度依賴性。為了進行比較，還顯示了在暴露于與復合樣品相同加工條件之前和之后29μm厚純Cu的電阻率數據。（b）與純Cu參照相比，在12μm厚的銅帶上進行類似加工的Cu-CNT-Cu（10wt％PVP）的溫度依賴性電阻率。注意，不同樣品兩次測量的數據在（a）中顯示為5、7.5和10wt％，在（b）中顯示為10wt％，以說明可重復性。
圖8.（a）以不同PVP/DMF前驅體配方在29μm厚的Cu上制備Cu-CNT-Cu復合材料，其電阻率隨電流密度的變化。為了進行比較，包括暴露在與復合樣品相同熱處理條件下的參考銅的數據。（b）比較在12μm厚的Cu上制備的含10wt％PVP的Cu-CNT-Cu復合材料及其參照純品的電流密度性能。失效時的線性外推由點劃線表示，并用于估計CCC。
圖9.（a）與圖7a所示相同的Cu-CNT-Cu復合材料樣品的典型室溫拉伸應力-應變曲線（其中CNT層由含有不同PVP濃度的分散體制備），與制備的銅參照進行比較。（b）Cu-CNT-Cu復合材料的平均拉伸強度和（c）楊氏模量。直方圖中的誤差線是同批次中多個試樣的拉伸性能的標準變化。
