【儀表網 研發快訊】隨著電子系統在交叉領域的應用日益廣泛，對能夠高效傳輸電能和信號的輕質高性能材料的需求正在不斷增長。雖然銅(Cu)因其高導電性和成本效益而成為傳統的首選材料，但密度高、機械強度低等固有局限性阻礙了其在航空航天、汽車制造、電力輸送等對減重和增強機械性能有嚴格要求的應用場景下的使用，這充分促進了對增強金屬銅的性能或開發合適的替代材料等進一步研究的開展。其中，一種有前景的方法是使用碳納米管(CNTs)、石墨烯 (GO)、碳纖維等高性能納米材料來強化金屬銅，以顯著提升其機械強度、導電性和熱穩定性。然而，CNTs易發生團聚，難以在銅基體中實現均勻的分散和排列，同時CNTs和GO的成本較高，這些頗具挑戰性的問題限制了該方法的大規模應用。
玄武巖纖維(BFs)源于自然界中儲量豐富的玄武巖石，得益于其耐熱性良好、彈性模量高、耐腐蝕性強、吸濕性低、耐熱性顯著、化學穩定性卓越等一系列獨特優勢，現已成為一種令人矚目的替代材料。BFs由SiO2、Al2O3和其他各種金屬氧化物組成，被稱為“21世紀的綠色工業材料”，已應用于道路鋪設、汽車零部件加工、建筑結構加固等多個領域。此外，BFs不含化學添加劑、無致癌性，廢棄后可回收并自然降解，這種環境可持續性進一步增強了其競爭力。然而，玄武巖纖維本質上是絕緣的，限制了其在電氣工程領域的直接應用；相對光滑的表面又阻礙了其與各種涂層的界面結合，因此還需要進行表面改性。此前的研究已經探索了添加CNTs、GO、聚合物填料等多種增強BFs性能的策略，但是目前的加工過程仍存在纖維損傷、加工成本高、導電性低、涂層質量不一致以及由于工藝所帶來的環境問題等諸多障礙。
為了克服這些局限性，中國科學院新疆理化技術研究所分離材料與技術團隊提出了一種通過堿處理和化學鍍銅法增強BF的機械性能與電學性能的新策略。科研人員探討了氫氧化鉀(KOH)、氫氧化鈉(NaOH)分別預處理并進行化學鍍銅對BFs性能的影響。實驗結果表明，雖然兩種處理方式都增強了BFs的導電性和拉伸強度，但KOH預處理還促進了銅鍍層的均勻涂覆以及附著力的改善。與未處理的BFs(1279±301 MPa)相比，其拉伸強度顯著提升了38%(50 °C處理后可達到1766±392 MPa)。至關重要的是，所得的鍍銅BFs經過50 °C處理后表現出7.82×107 S/m的導電率，甚至超過了商品銅的導電率(5.96×107 S/m)。在50 °C的最佳溫度下，KOH處理后的BFs的密度為3.59 g/cm3，顯著高于NaOH處理后的密度(3.26 g/cm3)，而低于金屬銅的密度(8.96 g/cm3)。上述性能的增強歸因于KOH誘導的BFs表面形態促進了銅原子的均勻成核和生長。該研究成果促使KOH處理的鍍銅BFs成為高性能電子產品和先進電信材料的頗具競爭力的替代產品，其更輕質、更高強、更高導電、更可持續的特點可能在不久的將來助力6G等下一代通信技術的實現。
相關研究成果近期發表在國際學術期刊《Construction and Building Materials》上，助理研究員Parkash Anand為第一作者，中國科學院新疆理化技術研究所分離材料與技術團隊的阿卜杜克熱木·喀迪爾研究員和馬鵬程研究員為共同通訊作者。該研究得到了新疆維吾爾自治區天池博士計劃、新疆維吾爾自治區自然科學基金、新疆維吾爾自治區天山英才人才培養計劃、中國科學院“西部之光”項目等項目的資助。
圖1 玄武巖纖維(BF)表面改性和化學鍍銅過程的示意圖，該方法促使BFs的電導率和拉伸強度顯著提高，其電導率甚至超過了商品銅和商品銀，為下一代電信技術提供了合適的金屬化纖維材料
圖2 玄武巖纖維(BF)的SEM圖像(A：原始BFs；B：KOH處理后的BFs；C-G：在20 °C、30 °C、40 °C、50 °C、60 °C下分別處理后的鍍銅BFs；H：50 °C處理后的鍍銅BFs的EDS圖)
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