新型导电材料：提高电导率

1.新型导电材料的基本类型

（1）高性能铜/铜合金材料

对纯铜的强化通常使用塑性变形细化其显微结构，减小晶粒尺寸，利用晶界强化，避免引入固溶合金元素，以减少对电导率的影响。近年来快速发展的严重塑性变形方法进一步将纯铜晶粒尺寸减小到亚微米尺度。然而，继续减小结构尺寸提高强度非常困难，且随着晶粒尺寸的减小，纳米金属的电阻率显著增加。这是由于在纳米晶体材料中其晶界体积百分数显著增加，晶界对电子的散射起主导作用，从而造成电阻率大幅度增加。这种强度与导电性的倒置关系也制约了纳米金属材料在相关领域的应用。

利用脉冲电解沉积技术（PED），中国科学院金属所获得了层片厚度在纳米尺度的高密度生长孪晶纯Cu薄膜。利用分布在亚微米晶粒内层片厚度可控的孪晶结构，在保持电导率不低于96%IACS的情况下，这种孪晶铜的强度可超过1GPa。其高强度源于孪晶界对位错滑移的阻碍作用与普通大角晶界相似。利用脉冲电解沉积的方式可以获得常规方法难以达到的纳米尺寸显微结构，而孪晶界引入的电导率较普通大角晶界低一个数量级，保证了其高电导率。图3-1所示为纳米孪晶铜中的孪晶结构及其拉伸曲线。

通过对纳米孪晶铜的进一步研究发现，在纯铜中引入高体积分数纳米孪晶束后再进行室温冷轧处理，获得的纯铜薄带在具有500MPa级强度的同时，铜型轧制织构极大地减弱了。对孪晶结构在轧制中的演化行为的研究表明，孪晶特殊的二维结构限制了其中位错的均匀滑移行为。这种特殊的结构抑制了孪晶区域晶体在轧制中的晶体转动，同时也延缓了其他区域晶粒的定向转动。这种方法大大缩短了工艺流程，并对工艺参数的选择范围更宽容，将是一种非常有潜力的控制薄带材轧制织构的方法，具有巨大应用潜力。

（2）铜/碳纳米管复合导电材料

铜由于具有优异的导电性能（在20℃下，电导率为1.72μΩ·cm）、导热性能以及良好的塑性，是当前电力系统中应用最为广泛的导线材料。但受材料基本物理性质的限制，纯铜的电导率几乎达到了极限。碳纳米管（Carbon Nanotube，CNT）具有独特的结构，优异的电学、热学和力学性能，显示出广阔的应用前景[7]。由于C-C键短而强，单层碳管具有5TPa的弹性模量，而密度只有钢材的六分之一，是目前已知比强度最高的材料。这种新型的导电材料有可能给电力行业带来巨大的变革：如果该技术能把目前导线的电阻率降低1/3，每年节约的电能高达1000亿kW·h；如果电动机、电力机车和家电等各种用电终端的导线采用新型高导材料，将会进一步降低能耗，可有效缓解我国东部地区能源短缺和环境污染等问题。

图3-1 纳米孪晶铜中的孪晶结构及其拉伸曲线^[6]

铜/CNT复合材料一直是研究的热点，但主要集中在如何提高材料的机械强度上。由于存在CNT分散不均、界面浸润性差等问题，掺入CNT后往往会造成铜的电导率下降。随着人们对材料性能的深入了解，近几年来利用CNT掺杂提高铜电导率的研究不断升温。

铜/CNT复合高导电材料的研究虽然已经取得了一定进展，但研究刚刚起步，突破性成果并不多，目前面临的主要挑战如下：

1）CNT在铜基体中的分散性较差，由于CNT之间存在较强的范德华力，传统工艺难以使其充分分散开。

2）CNT与铜基体的界面浸润性差，使CNT很难充分实现对基体的弥散强化和载荷传递作用。

3）CNT在铜基体中的结构完整保持性较差，使CNT优异的电学性能受损，从而大大降低对铜基体的增强效果。(www.xing528.com)

（3）新型碳-金属合金材料

Covetics是一种新型的铜基体纳米碳复合材料^[8]，由内嵌石墨烯结构的铜基体构成（见图3-2）。在通常情况下，碳在铜中的溶解度特别低，只有ppm量级（百万分之几）的溶解率。通过在熔融状态下通大电流的方法可以有效提高碳在铜中的溶解率，使碳含量达到5wt%（wt为质量分数）以上。这种方法不仅适用于铜，而且也适用于金、银和铝等其他金属。

图3-2 Covetics的结构

与纯金属相比，Covetics的热导率和电导率大幅提高，而且具有优异的机械强度^[9]。该材料有望应用于电力传输线降低传输损耗，制造小型化的变压器、电动机和发电机，以及应用在电动汽车上降低汽车的能耗和重量。此外，该材料的优异性能使得其在航空和国防等领域也具有极大的应用潜力。人们可以期待，Covetics的研发成功将会对能源利用效率和智能电网产生深远的影响。

2.新型导电材料的技术发展方向

（1）采用纳米技术对传统导电材料的综合改性

近期研究发现，将金属的微观结构细化至纳米量级可有效提高其强度^[10]；如同时控制其界面为低能、共格结构，该结构在提高强度的同时还可保持良好的导电性。以纯铜为例，引入纳米共格孪晶界面可使其强度高达1GPa，电导率达80%IACS，成功实现材料高强度-高电导率。

提高金属材料综合性能的另一有效途径是将几种具有不同优异性能的材料复合化。碳纳米管具有轻质、高强、高模、高热导、高电导、高化学稳定性等优异性能，且其纳米表面结构易于界面改性，是新一代轻质高强金属基复合材料的优秀增强增韧相。但由于分散、界面结合等工艺困难，碳纳米管增强铝基复合材料的研究依然处在实验室阶段。近年拜耳材料科技公司研发的新型碳纳米管改性铝基复合材料强度可与钢媲美，而密度仅为钢的1/3，硬度、耐磨性、抗冲击性均有显著提高。碳纳米管增强铝基复合材料的应用，将有望降低电缆重量、降低电力塔线建设维护成本，提高输电能力和使用温度，在电工材料领域具有重要应用前景。而利用轻质高强碳纳米管纤维作为支撑结构，通过纤维与金属的复合，有望获得具有高载流容量、高频传输特性的新型功能性导电材料。

今后，将以探索新的强化机制和强化方法为出发点，着重研究高强度、高电导率的纳米结构铜合金、碳纳米管增强铜/铝合金以及碳纳米管纤维/金属复合导线等前沿基础问题，并探索其作为导体材料在电工领域的应用前景。

（2）发展耐烧蚀导电材料

耐烧蚀导电材料是与人类生活有着密切联系的一类金属材料，也是一种广泛应用于各行业的基础材料。随着特高压电网的商业化运行，输变电工程中维持电网稳定的电容器组开关的寿命严重不足，如何延长电容器组开关的电气寿命，成为特高压电网安全稳定运行必须攻克的难题。触头材料作为开关的核心，其质量直接影响电网中关键设备的性能和体积，随着“一带一路”和智能电网战略的实施，进一步延长触头材料的寿命、提高其可靠性、使20年关键设备免维修对电网的经济高效运行至关重要。因此，耐烧蚀导电材料研究是以长寿命、大容量高压电触头材料为主要目标的，在CuW合金触头材料的制备、产品性能和服役寿命提高方面实现技术突破，缩小与国外先进水平的差距，促进我国电工装备技术的跨越式发展与进步。

受电弓滑板由于长期暴露在自然环境下，在运行过程中因为离线等因素与接触导线不断产生机械冲击和电烧蚀，因此对受电弓滑板的性能要求十分苛刻。现有国内高速铁路用电力机车受电弓滑板主要依赖进口，且国外厂家对滑板研制的核心技术采取了严格的保密措施。因此，耐烧蚀导电材料研究是以高性能受电弓滑板材料为主要应用目标，研制出具有自主知识产权、高性能的受电弓滑板，克服现有滑板材料因自身材质的缺陷而难以协调弓网耦合系统载流磨损过大等问题，使我国受电弓滑板的研发和制备达到国际先进水平。