CN118880301A - 一种超高导电玄武岩纤维-铜基复合材料的制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高导电玄武岩纤维‑铜基复合材料的制备方法，该方法通过消除传统的非金属材料表面化学镀工艺中的表面预处理、敏化和活化等流程，提高了玄武岩纤维的电导率、机械性能和热性能。该简便镀铜过程产生了均匀、有光泽且附着力强的铜涂层，其电导率高达4.41×108 S/m，是商业纯铜材料的7.5倍。同时，镀铜之后的玄武岩纤维还表现出更优异的力学性能参数，其抗拉强度为1459 MPa，密度为3.07 g/cm³，而商业铜抗拉强度在200‑500 MPa之间，密度为8.96 g/cm³。通过本方法制备镀铜玄武岩纤维材料具有环保、成本效益高等优势。在航空航天、电子信息与电信、新能源等领域具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于材料科学与工程领域，特别是针对玄武岩纤维的化学改性。本发明涉及一种超高导电玄武岩纤维-铜基复合材料的制备方法和应用。
背景技术
开发用于电信和电气应用的轻量化导电材料一直是材料科学的重点突破方向，减重增效需求促使人们探索传统金属(如铜)的替代品，以解决其重量、成本和可持续性问题。而玄武岩纤维材料密度小、力学强度高，是良好的材料选择。
相关专利强调了改性此类绝缘纤维电气性能的方法，使其成为适用于现代技术应用的导电材料。其中一种广泛使用的方法涉及在玄武岩纤维表面进行无电解金属镀层，以赋予其导电性能。CN104674199A描述了将铜和其他金属化学沉积到纤维表面的方法，该方法显著改善了纤维的电学性质。但其通常需要纤维经过多重准备阶段，以促进金属沉积过程。这些步骤通常包括通过物理或化学方法对电介质基材进行初步蚀刻，以改善金属涂层的附着力。蚀刻后的表面在锡离子(如，氯化亚锡)溶液中进行敏化，随后通过处理氯化钯进行活化，即通过锡离子将钯离子还原到零价态，在表面形成钯金属点或锡/钯复合物，使表面满足上镀工艺要求。例如，美国专利号3,011,920号(授予Shipley)描述了将贵金属作为零价态的胶体溶液直接应用于电介质基材。另一个例子是美国专利号3,783,005号(授予Kenney)描述了用含有锡离子的水合氧化物胶体涂覆基材，然后用钯或其他贵金属离子进行活化。同时，这些传统工艺存在固有的技术和经济缺陷。贵金属通常会在电镀过程中产生过量的氢气，导致镀层表面多孔，完整性差，相关位点能量较高，附着力差且易受化学攻击。此外，电镀液不可避免地被钯污染，需要频繁更换，从而升高运营成本。
简化工艺、提升效益以及追求绿色生产的需求促使人们开发一种新的方法。为了降低活化处理难度并减少工艺中贵金属的使用，CN114105494A公开了一种使用偶联剂复配离子镍无钯活化液对玄武岩纤维材料上镀金属涂层工艺进行改良的方法，减少了贵金属在活化过程的使用，提升了镀层表面质量，但并没有根本解决工艺复杂的问题。因此有必要设计一种新的方法，避免使用贵金属参与活化的同时简化工艺，从而获得满足工业生产的高质量导电玄武岩纤维材料。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种超高导电玄武岩纤维-铜基复合材料的制备方法和应用，该方法采用两步法简化无电解铜沉积工艺，省去表面处理、敏化和贵金属活化步骤，显著降低了传统多阶段处理的复杂性和成本。同时由于省去了贵金属活化过程，保证了金属镀层较高的表面质量。通过消除传统的非金属材料表面化学镀工艺中的表面预处理、敏化和活化等流程，提高了玄武岩纤维的电导率、机械性能和热性能。该简便镀铜过程产生了均匀、有光泽且附着力强的铜涂层，其电导率范围在4.34×108至4.41×108S/m之间，最高可达到商业纯铜材料的7.5倍。同时，镀铜之后的玄武岩纤维还表现出更优异的力学性能参数，其抗拉强度在1412MPa-1459 MPa之间，密度范围为3.07-3.65g/cm3，而商业铜抗拉强度在200-500MPa之间，密度为8.96g/cm3。通过本方法制备镀铜玄武岩纤维材料具有环保、成本效益高等优势。所生产产品导电性能和机械强度远超商业铜，能够作为传统铜线的有效替代品，在航空航天、电子信息与电信、新能源等领域具有广泛的应用前景。
本发明所述一种超高导电玄武岩纤维-铜基复合材料的制备方法，该方法按下列步骤进行：
a.还原：将玄武岩纤维浸泡在1-5g/L的硼氢化钾溶液中，在温度40℃下浸泡20分钟；
b.化学镀铜：将4-12g硫酸铜与36g乙二胺四乙酸、10ml甲醛、10ppm 2,2-联吡啶和800ml水混合，加入步骤a还原处理后的玄武岩纤维材料，用氢氧化钠将pH值调至13，并在温度40-70℃下加热60分钟，随后在温度105℃下干燥60分钟，得到电导率范围为4.34×108S/m至4.41×108S/m，密度范围为3.07g/cm3至3.65g/cm3，机械强度范围为1412MPa-1459 MPa的玄武岩纤维-铜基复合材料。
本发明还包括依照所述方法获得的玄武岩纤维-铜基复合材料在5G、6G等下一代电信技术中的应用。
本发明所述的一种超高导电玄武岩纤维-铜基复合材料的制备方法，该方法采用两步法：
a.还原：在还原过程中，选用质量分数在1-5g/L的硼氢化钾溶液，随后选取待处理玄武岩纤维，将玄武岩纤维浸泡在硼氢化钾溶液中，使用水浴、油浴或其他控温操作，在温度40℃的环境中处理20分钟，使玄武岩纤维表面充分完成还原步骤；
b.无电铜沉积：在铜沉积阶段，首先进行沉积液配制，选用4-12g五水硫酸铜、36g乙二胺四乙酸、10ml甲醛和10ppm 2,2'-联吡啶，加入蒸馏水，充分搅拌配制成800ml水溶液；加入步骤a还原处理后的玄武岩纤维材料，用氢氧化钠溶液调整体系pH＝13；控制无电解铜沉积温度40-70℃下反应，时间60分钟，获得玄武岩纤维表面的含铜镀膜；将获得玄武岩纤维清洗纤维表面后，置于温度105℃环境中干燥处理60分钟，得到带有均匀涂层的导电玄武岩纤维材料。
本发明所述的一种超高导电玄武岩纤维-铜基复合材料的制备方法,在没有传统表面处理、敏化和活化阶段的情况下增强了玄武岩纤维材料的导电性。简化了导电玄武岩纤维的制造，使玄武岩纤维成为铜线更为可行、经济的替代品。消除了昂贵且复杂的预处理阶段，降低了生产成本和环境影响，提高了金属镀层的良好表面质量，使该方法特别适用于需要高导电性的应用，如电气系统、汽车部件、通信等。玄武岩纤维的固有优势，包括较低的密度、高机械强度和耐腐蚀性，该特性进一步提高了其作为传统材料替代品的适用性，扩展了本新方法的工业应用前景。
本发明所述的一种超高导电玄武岩纤维-铜基复合材料的制备方法，该方法通过省略表面处理、敏化和贵金属活化等步骤，简化了传统的多阶段工艺。其使用两步还原法和化学镀铜工艺，在玄武岩纤维材料上形成铜镀层，得到相较于传统商业铜线密度更小，机械性能更强的导电性玄武岩纤维，在电气、航空航天、新一代通讯技术、新能源等领域具有广泛的应用前景。
本发明相比现有技术的优点是：
环保高效的生产工艺：利用丰富的自然资源玄武岩纤维，为传统导电材料提供了一种环保替代方案。玄武岩纤维的高导电性转换过程对环境的影响最小，符合可持续发展目标。该方法与传统方法需要表面处理或钯和银等贵金属活化不同，采用简洁的工艺。通过消除表面处理、敏化和贵金属活化所需的化学品，大大减少了生产导电材料的环境影响。硼氢化钾还原和无电镀铜的两步工艺最大限度地减少了化学废料和排放，促进了更可持续的制造方法。
优越的电导率：处理后的玄武岩纤维达到4.34×108S/m-4.41×108S/m的电导率，远超商用铜。这种电导率的显著提升对于需要高效电力和信号传输的应用(如电信和电子元件)至关重要。
更高的机械强度和轻量化：纤维的抗拉强度在1412MPa-1459 MPa之间，密度在3.07g/cm3-3.65g/cm3之间。这种高强度与轻量化的结合，相比密度高达8.94g/cm3的商用铜具有显著优势。这些特性应用于汽车、航空航天和提升建筑性能方面具有显著优势；
广泛的应用范围：这些纤维的独特性能使其适用于广泛的用途，可替代电气系统中的传统铜线以及作为电信如5G和6G基础设施中的关键组件。
附图说明
图1为本发明玄武岩纤维无电解铜沉积的示意图；
图2为本发明使用的原始玄武岩纤维与镀铜玄武岩纤维在不同温度下的扫描电子显微镜图像，其中(A)原始玄武岩纤维，(B)在温度40℃下的镀铜玄武岩纤维，(C)在温度50℃下的镀铜玄武岩纤维以及(D)在温度60℃下的镀铜玄武岩纤维，每张图像均展示单根玄武岩纤维，并附有更高放大倍数的横截面插图；
图3为本发明原始和镀铜玄武岩纤维的体积密度；
图4为本发明原始和镀铜玄武岩纤维的抗拉强度；
图5为本发明原始和镀铜玄武岩纤维的电导率。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明进行清楚、完整地描述，但并不限于所描述的实施例。
实施例1
a.还原：将玄武岩纤维浸泡在1g/L的硼氢化钾溶液中，在温度40℃下浸泡20分钟；
b.化学镀铜：将8g硫酸铜与36g乙二胺四乙酸、10ml甲醛、10ppm 2,2-联吡啶和800ml水混合，加入步骤a还原处理后的玄武岩纤维材料，用氢氧化钠将pH值调至13，并在温度50℃下加热60分钟，随后在温度105℃下干燥60分钟，得到电导率为4.34×108S/m，密度为3.07g/cm3，机械强度为1412MPa的玄武岩纤维-铜基复合材料。
实施例2
a.还原：将玄武岩纤维浸泡在3g/L的硼氢化钾溶液中，在温度40℃下浸泡20分钟；
b.化学镀铜：将8g硫酸铜与36g乙二胺四乙酸、10ml甲醛、10ppm 2,2-联吡啶和800ml水混合，加入步骤a还原处理后的玄武岩纤维材料，用氢氧化钠将pH值调至13，并在温度50℃下加热60分钟，随后在温度105℃下干燥60分钟，得到电导率为4.41×108S/m，密度为3.65g/cm3，机械强度为1459MPa的玄武岩纤维-铜基复合材料。
实施例3
a.还原：将玄武岩纤维浸泡在5g/L的硼氢化钾溶液中，在温度40℃下浸泡20分钟；
b.化学镀铜：将8g硫酸铜与36g乙二胺四乙酸、10ml甲醛、10ppm 2,2-联吡啶和800ml水混合，加入步骤a还原处理后的玄武岩纤维材料，用氢氧化钠将pH值调至13，并在温度50℃下加热60分钟，随后在温度105℃下干燥60分钟，得到电导率为4.38×108S/m，密度范围为3.54g/cm3，机械强度为1425MPa的玄武岩纤维-铜基复合材料。
实施例4
a.还原：将玄武岩纤维浸泡在3g/L的硼氢化钾溶液中，在温度40℃下浸泡20分钟；
b.化学镀铜：将4g硫酸铜与36g乙二胺四乙酸、10ml甲醛、10ppm 2,2-联吡啶和800ml水混合，加入步骤a还原处理后的玄武岩纤维材料，用氢氧化钠将pH值调至13，并在温度50℃下加热60分钟，随后在温度105℃下干燥60分钟，得到电导率为3.17×108S/m，密度为3.40g/cm3，机械强度为1431MPa的玄武岩纤维-铜基复合材料。
实施例5
a.还原：将玄武岩纤维浸泡在3g/L的硼氢化钾溶液中，在温度40℃下浸泡20分钟；
b.化学镀铜：将8g硫酸铜与36g乙二胺四乙酸、10ml甲醛、10ppm 2,2-联吡啶和800ml水混合，加入步骤a还原处理后的玄武岩纤维材料，用氢氧化钠将pH值调至13，并在温度50℃下加热60分钟，随后在温度105℃下干燥60分钟，得到电导率为4.06×108S/m，密度为3.47g/cm3，机械强度为1425MPa的玄武岩纤维-铜基复合材料。
实施例6
a.还原：将玄武岩纤维浸泡在7g/L的硼氢化钾溶液中，在温度40℃下浸泡20分钟；
b.化学镀铜：将10g硫酸铜与36g乙二胺四乙酸、10ml甲醛、10ppm 2,2-联吡啶和800ml水混合，加入步骤a还原处理后的玄武岩纤维材料，用氢氧化钠将pH值调至13，并在温度50℃下加热60分钟，随后在温度105℃下干燥60分钟，得到电导率为4.21×108S/m，密度为3.56g/cm3，机械强度为1396MPa的玄武岩纤维-铜基复合材料。
实施例7
a.还原：将玄武岩纤维浸泡在7g/L的硼氢化钾溶液中，在温度40℃下浸泡20分钟；
b.化学镀铜：将10g硫酸铜与36g乙二胺四乙酸、10ml甲醛、10ppm 2,2-联吡啶和800ml水混合，加入步骤a还原处理后的玄武岩纤维材料，用氢氧化钠将pH值调至13，并在温度40℃下加热60分钟，随后在温度105℃下干燥60分钟，得到电导率为4.34×108S/m，密度为3.07g/cm3，机械强度为1412MPa的玄武岩纤维-铜基复合材料。
实施例8
a.还原：将玄武岩纤维浸泡在7g/L的硼氢化钾溶液中，在温度40℃下浸泡20分钟；
b.化学镀铜：将10g硫酸铜与36g乙二胺四乙酸、10ml甲醛、10ppm 2,2-联吡啶和800ml水混合，加入步骤a还原处理后的玄武岩纤维材料，用氢氧化钠将pH值调至13，并在温度60℃下加热60分钟，随后在温度105℃下干燥60分钟，得到电导率为4.06×108S/m，密度为3.54g/cm3，机械强度为1425MPa的玄武岩纤维-铜基复合材料。
实施例9
a.还原：将玄武岩纤维浸泡在7g/L的硼氢化钾溶液中，在温度40℃下浸泡20分钟；
b.化学镀铜：将10g硫酸铜与36g乙二胺四乙酸、10ml甲醛、10ppm 2,2-联吡啶和800ml水混合，加入步骤a还原处理后的玄武岩纤维材料，用氢氧化钠将pH值调至13，并在温度70℃下加热60分钟，随后在温度105℃下干燥60分钟，得到电导率为3.17×108S/m，密度为3.40g/cm3，机械强度为1396MPa的玄武岩纤维-铜基复合材料。
实施例10
所获得的导电玄武岩纤维的微观结构和性能如下：
图1展示了高导电性玄武岩纤维的制备过程，采用了一种两步法获得超高导电玄武岩纤维复合材料：
本发明所述方法中对玄武岩纤维未处理、未敏化、未进行贵金属活化的玄武岩纤维，而是采用硼氢化钾溶液进行还原；
对还原后的玄武岩纤维进行无电镀铜沉积，并进行干燥处理；
图2展示了原始玄武岩纤维和在不同温度下进行无电镀铜的玄武岩纤维的场发射扫描电镜图像，它展示了在每个温度40℃、50℃、60℃和70℃增量下的明显形态变化；原始玄武岩纤维的场发射扫描电镜图像显示了相对光滑的表面，作为镀铜玄武岩纤维的基线比较；随着温度升高，涂层厚度和均匀性显著增强，在温度50℃时变化最为显著；这表明更高的温度促进了铜在玄武岩纤维上的更彻底沉积，可能是由于高温下的增强表面反应或扩散过程；涂层质量随着温度的逐步提高表明了一种温度依赖的机制，该机制优化了玄武岩纤维上的无电镀铜沉积，导致更好的覆盖并可能改善玄武岩纤维的物理性能；
图3展示了无电镀铜沉积前后玄武岩纤维的体积密度随温度变化的影响：原始玄武岩纤维初始体积密度为2.68g/cm3，铜沉积后，密度显著增加，随温度变化在40℃时，铜镀层玄武岩纤维的密度升至3.07g/cm3；这一增长趋势继续，温度50℃时密度达到峰值3.65g/cm3，表明此温度下铜沉积最为有效；然而，当温度进一步提高到60℃时，密度略微下降至3.54g/cm3，在温度70℃时进一步降至3.40g/cm3；这一高温下的减少表明在高温条件下可能发生了铜镀层的降解或重组。研究表明，温度50℃是铜沉积在玄武岩纤维上的最佳温度，在不影响纤维固有轻质特性的情况下最大化了密度；尽管密度随着铜镀层显著增加，但仍远低于纯商业铜，保留了纤维在需要高强度和减重的轻质应用中的适用性；
图4展示了在不同温度下无电镀铜沉积前后玄武岩纤维的机械强度；原始玄武岩纤维的强度为1279MPa；沉积后，强度显著增强，随着温度逐渐升高：纤维在温度40℃时显示出1412MPa的强度，在温度50℃时达到峰值1459MPa；此峰值代表了铜沉积的最佳温度，由于铜的粘附性和在纤维基质内的整合性改善，增强了纤维的强度；超过此峰值后，强度逐渐下降，在温度60℃时纤维记录的强度为1425MPa，在温度70℃时为1396MPa，是由于高温下的热降解或其他不利影响。这表明强调了在最大化铜镀层玄武岩纤维机械性能方面温度控制的重要性，这对于需要增强耐久性和强度的应用至关重要；
图5分析了铜镀层玄武岩捆绑纤维在温度40-70℃范围内的电导率；数据表明：电导率在温度50℃时达到峰值4.41×108S/m，表明此温度下电子迁移率最大化；电导率从温度40℃时的4.34×108S/m到温度50℃时的4.41×108S/m的初始增加可归因于中等温度下增强的电子迁移；然而，随着温度进一步升高到60℃和70℃，电导率显著下降至4.06×108S/m和3.17×108S/m。这种下降是由于材料降解或热效应引起的导电路径中断，例如铜层的分解或其结构完整性的变化；与保持相对稳定的约5.98×107S/m电导率的商业铜相比，铜镀层玄武岩纤维在最佳条件50℃下显示出显著更高的电导率。
相比于商业铜8.94g/cm3的密度和5.9×107S/m的电导率，本发明所述的铜镀层玄武岩纤维更轻，提供了显著更高的电导率。由于其具有高导电性、结构完整性和轻质特性，因此适用于5G和6G等下一代电信材料。本发明所述过程简化了导电玄武岩纤维的制造，支持了可持续、高性能材料的开发，以满足现代技术需求。
Claims (2)
1.一种超高导电玄武岩纤维-铜基复合材料的制备方法，其特征在于按下列步骤进行：
a. 还原：将玄武岩纤维浸泡在1-5 g/L的硼氢化钾溶液中，在温度40℃下浸泡20分钟；
b. 化学镀铜：将4-12 g硫酸铜与36 g乙二胺四乙酸、10 ml甲醛、10 ppm 2,2-联吡啶和800 ml水混合，加入步骤a还原处理后的玄武岩纤维材料，用氢氧化钠将pH值调至13，并在温度40-70 ℃下加热60分钟，随后在温度105℃下干燥60分钟，得到电导率在4.34×108 S/m至4.41×108 S/m之间，密度范围为3.07 g/cm³至3.65 g/cm³，机械强度范围为1412MPa-1459 MPa的玄武岩纤维-铜基复合材料。
2.如权利要求1所述方法获得的玄武岩纤维-铜基复合材料在制备电信技术5G和6G网络中的应用。
Priority Applications (1)
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