隨著電子系統(tǒng)在交叉領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，對(duì)能夠高效傳輸電能和信號(hào)的輕質(zhì)高性能材料的需求正在不斷增長(zhǎng)。雖然銅(Cu)因其高導(dǎo)電性和成本效益而成為傳統(tǒng)的首選材料，但密度高、機(jī)械強(qiáng)度低等固有局限性阻礙了其在航空航天、汽車(chē)制造、電力輸送等對(duì)減重和增強(qiáng)機(jī)械性能有嚴(yán)格要求的應(yīng)用場(chǎng)景下的使用，這充分促進(jìn)了對(duì)增強(qiáng)金屬銅的性能或開(kāi)發(fā)合適的替代材料等進(jìn)一步研究的開(kāi)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(lái)強(qiáng)化金屬銅，以顯著提升其機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性。然而，CNTs易發(fā)生團(tuán)聚，難以在銅基體中實(shí)現(xiàn)均勻的分散和排列，同時(shí)CNTs和GO的成本較高，這些頗具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題限制了該方法的大規(guī)模應(yīng)用。
玄武巖纖維(BFs)源于自然界中儲(chǔ)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(qiáng)、吸濕性低、耐熱性顯著、化學(xué)穩(wěn)定性卓越等一系列獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)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(jì)的綠色工業(yè)材料”，已應(yīng)用于道路鋪設(shè)、汽車(chē)零部件加工、建筑結(jié)構(gòu)加固等多個(gè)領(lǐng)域。此外，BFs不含化學(xué)添加劑、無(wú)致癌性，廢棄后可回收并自然降解，這種環(huán)境可持續(xù)性進(jìn)一步增強(qiáng)了其競(jìng)爭(zhēng)力。然而，玄武巖纖維本質(zhì)上是絕緣的，限制了其在電氣工程領(lǐng)域的直接應(yīng)用；相對(duì)光滑的表面又阻礙了其與各種涂層的界面結(jié)合，因此還需要進(jìn)行表面改性。此前的研究已經(jīng)探索了添加CNTs、GO、聚合物填料等多種增強(qiáng)BFs性能的策略，但是目前的加工過(guò)程仍存在纖維損傷、加工成本高、導(dǎo)電性低、涂層質(zhì)量不一致以及由于工藝所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題等諸多障礙。
為了克服這些局限性，中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所分離材料與技術(shù)團(tuán)隊(duì)提出了一種通過(guò)堿處理和化學(xué)鍍銅法增強(qiáng)BF的機(jī)械性能與電學(xué)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(yù)處理并進(jìn)行化學(xué)鍍銅對(duì)BFs性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雖然兩種處理方式都增強(qiáng)了BFs的導(dǎo)電性和拉伸強(qiáng)度，但KOH預(yù)處理還促進(jìn)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(qiáng)度顯著提升了38%(50 °C處理后可達(dá)到1766±392 MPa)。至關(guān)重要的是，所得的鍍銅BFs經(jīng)過(guò)50 °C處理后表現(xiàn)出7.82×107 S/m的導(dǎo)電率，甚至超過(guò)了商品銅的導(dǎo)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(qiáng)歸因于KOH誘導(dǎo)的BFs表面形態(tài)促進(jìn)了銅原子的均勻成核和生長(zhǎng)。該研究成果促使KOH處理的鍍銅BFs成為高性能電子產(chǎn)品和先進(jìn)電信材料的頗具競(jìng)爭(zhēng)力的替代產(chǎn)品，其更輕質(zhì)、更高強(qiáng)、更高導(dǎo)電、更可持續(xù)的特點(diǎn)可能在不久的將來(lái)助力6G等下一代通信技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。
相關(guān)研究成果近期發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Construction and Building Materials》上，助理研究員Parkash Anand為第一作者，中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所分離材料與技術(shù)團(tuán)隊(duì)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(qū)天池博士計(jì)劃、新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金、新疆維吾爾自治區(qū)天山英才人才培養(yǎng)計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院“西部之光”項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助。
圖1 玄武巖纖維(BF)表面改性和化學(xué)鍍銅過(guò)程的示意圖，該方法促使BFs的電導(dǎo)率和拉伸強(qiáng)度顯著提高，其電導(dǎo)率甚至超過(guò)了商品銅和商品銀，為下一代電信技術(shù)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)
