Processing and properties of carbon nanotube-copper composites

Abstract

Pristine individual carbon nanotubes (CNT) exhibit extraordinary mechanical, thermal and electrical properties, which have been difficult to translate into practical applications. One route to obtaining improved material properties on a larger scale is to combine carbon nanotubes with a traditional conductor material, copper. Such composites have been proposed as a new generation of conductor materials to replace traditional copper conductors due to their potential for improving various properties of copper, such as specific electrical conductivity, current carrying capacity, mechanical properties and specific density.

This thesis focuses on the electrochemical deposition process of copper onto premade carbon nanotube macrostructures, such as a CNT fiber, yarn and film, from aqueous copper sulphate electrolytes. The microstructure and specific electrical conductivity of the electrodeposited CNT-Cu samples are also investigated as well as the corrosion properties of CNT-Cu wires.

The properties of pristine CNT macrostructures, such as low electrical conductivity, hydrophobicity and existence of impurities are found to affect the electrochemical deposition process considerably. Due to the low electrical conductivity of CNT macrostructures, the electrochemical deposition begins closest to the electrical contact and proceeds further as the copper deposit provides more conductivity to the working electrode. The degree of penetration of Cu on the inside of CNT material was found to be dependent on the porosity of CNT material, with higher porosity CNT macrostructures being easier to deposit on the inside.

Oxidative pre-treatments were applied in order to improve the electrochemical response of the employed CNT films. The degree of the functionalization treatments, heat treatment and electro-oxidation, were controlled by the employed parameters. The electrochemical activity of CNT films could be considerably enhanced, while the undesired amorphous carbon particles were removed. In addition, the CNT film became hydrophilic, which enabled deposition inside the CNT network and not just on the surface of the film.The microstructure of CNT-Cu fibers and yarns were found to affect their specific electrical conductivity. At any given amount of nanotubes, the specific conductivity of CNT-Cu fibers, where carbon nanotubes are embedded inside a copper matrix is smaller than that for a CNT-Cu yarn with only a copper cladding surrounding the carbon nanotube core. This is assumed to be due to the high electrical resistance of the curved nanotubes themselves and the nanotube-nanotube junctions on the inside of the wire.

The corrosion properties of CNT-Cu wires with 0.05 wt % multiwall nanotubes produced by casting and drawing were also investigated. The effect of the small concentration of nanotubes inside the copper matrix was shown to reduce the corrosion rate slightly. No galvanic corrosion between CNTs and the surrounding Cu matrix could be observed by measurements or from the sample surfaces.

Yksittäisillä hiilinanoputkilla on huomattavan hyvät mekaaniset, termiset ja sähköiset ominaisuudet. Yksi keino hyödyntää näitä ominaisuuksia suuremmassa mittakaavassa on valmistaa komposiittimateriaali, jossa yhdistetään hiilinanoputkia kuparin kanssa. Tällaista materiaalia on ehdotettu korvaamaan perinteisiä kuparijohtimia, koska komposiitti voi teoreettisesti tarkasteltuna parantaa useita johdinmateriaalille tärkeitä ominaisuuksia, kuten sähköistä johtavuutta ja virrankantokykyä sekä keventää sen painoa.

Tämän väitöskirjan tavoitteena on tutkia kuparin sähkösaostusprosessia vesipohjaisesta kuparisulfaattielektrolyytistä erilaisille hiilinanoputkimatriiseille, kuten hiilinanoputkikuiduille, hiilinanoputkilangoille ja hiilinanoputkikalvoille. Hiilinanoputkimatriisien alhaisen sähköisen johtavuuden takia sähkösaostusprosessi alkaa läheltä sähköistä kontaktia ja etenee kauemmas kasvavan kuparin parantaessa työelektrodin sähkönjohtavuutta. Kuparin kasvu nanoputkimatriisin sisälle on sitä helpompaa, mitä suurempi on matriisin huokoisuus.

Hapettavat esikäsittelyt paransivat hiilinanoputkifilmien sähkökemiallista aktiivisuutta huomattavasti. Hapetuskäsittelyn vahvuutta voitiin kontrolloida sekä lämpökäsittelyllä että sähkökemiallisella hapetuksella. Samalla kun materiaalin sähkökemiallinen aktiivisuus kasvoi, myös amorfinen hiili hapettui pois materiaalin pinnalta. Lisäksi materiaalin hydrofiilisyys kasvoi, jolloin kuparin sähkösaostus filmin sisälle tuli mahdolliseksi.

Hiilinanoputki-kuparikuitujen ja lankojen mikrorakenne vaikutti niiden massalla normalisoituun sähköiseen johtokykyyn (spesifinen johtavuus). Hiilinanoputki-kuparikuitujen spesifinen johtavuus oli pienempi, kuin vastaavien hiilinanoputki-kuparilankojen. Langoissa kupari pinnoittui vain matriisin päälle muodostaen puhtaan hyvin johtavan kuparipinnoitteen, kun kuiturakenteissa kupari ydintyi myös nanoputkien väliin matriisin sisälle. Tällöin kuitujen spesifistä johtavuutta heikensi myös nanoputkien väliset kontaktivastukset sekä heikko ominaisjohtavuus.

Työssä tutkittiin myös valettujen ja langoiksi vedettyjen 0.05 painoprosenttia hiilinanoputkia sisältävien kuparilankojen korroosio-ominaisuuksia. Komposiittilankojen korroosionopeus oli tutkituilla metodeilla hieman puhdasta kuparia pienempi. Viitteitä galvaanisesta korroosiosta ei todettu sähkökemiallisilla menetelmillä eikä korroosiopintoja tutkimalla.