随着电子系统在交叉领域的应用日益广泛，对能够高效传输电能和信号的轻质高性能材料的需求正在不断增长。虽然铜(Cu)因其高导电性和成本效益而成为传统的首选材料，但密度高、机械强度低等固有局限性阻碍了其在航空航天、汽车制造、电力输送等对减重和增强机械性能有严格要求的应用场景下的使用，这充分促进了对增强金属铜的性能或开发合适的替代材料等进一步研究的开展。其中，一种有前景的方法是使用碳纳米管(CNTs)、石墨烯 (GO)、碳纤维等高性能纳米材料来强化金属铜，以显著提升其机械强度、导电性和热稳定性。然而，CNTs易发生团聚，难以在铜基体中实现均匀的分散和排列，同时CNTs和GO的成本较高，这些颇具挑战性的问题限制了该方法的大规模应用。
玄武岩纤维(BFs)源于自然界中储量丰富的玄武岩石，得益于其耐热性良好、弹性模量高、耐腐蚀性强、吸湿性低、耐热性显著、化学稳定性卓越等一系列独特优势，现已成为一种令人瞩目的替代材料。BFs由SiO2、Al2O3和其他各种金属氧化物组成，被称为“21世纪的绿色工业材料”，已应用于道路铺设、汽车零部件加工、建筑结构加固等多个领域。此外，BFs不含化学添加剂、无致癌性，废弃后可回收并自然降解，这种环境可持续性进一步增强了其竞争力。然而，玄武岩纤维本质上是绝缘的，限制了其在电气工程领域的直接应用；相对光滑的表面又阻碍了其与各种涂层的界面结合，因此还需要进行表面改性。此前的研究已经探索了添加CNTs、GO、聚合物填料等多种增强BFs性能的策略，但是目前的加工过程仍存在纤维损伤、加工成本高、导电性低、涂层质量不一致以及由于工艺所带来的环境问题等诸多障碍。
为了克服这些局限性，中国科学院新疆理化技术研究所分离材料与技术团队提出了一种通过碱处理和化学镀铜法增强BF的机械性能与电学性能的新策略。科研人员探讨了氢氧化钾(KOH)、氢氧化钠(NaOH)分别预处理并进行化学镀铜对BFs性能的影响。实验结果表明，虽然两种处理方式都增强了BFs的导电性和拉伸强度，但KOH预处理还促进了铜镀层的均匀涂覆以及附着力的改善。与未处理的BFs(1279±301 MPa)相比，其拉伸强度显著提升了38%(50 °C处理后可达到1766±392 MPa)。至关重要的是，所得的镀铜BFs经过50 °C处理后表现出7.82×107 S/m的导电率，甚至超过了商品铜的导电率(5.96×107 S/m)。在50 °C的最佳温度下，KOH处理后的BFs的密度为3.59 g/cm3，显著高于NaOH处理后的密度(3.26 g/cm3)，而低于金属铜的密度(8.96 g/cm3)。上述性能的增强归因于KOH诱导的BFs表面形态促进了铜原子的均匀成核和生长。该研究成果促使KOH处理的镀铜BFs成为高性能电子产品和先进电信材料的颇具竞争力的替代产品，其更轻质、更高强、更高导电、更可持续的特点可能在不久的将来助力6G等下一代通信技术的实现。
相关研究成果近期发表在国际学术期刊《Construction and Building Materials》上，助理研究员Parkash Anand为第一作者，中国科学院新疆理化技术研究所分离材料与技术团队的阿卜杜克热木·喀迪尔研究员和马鹏程研究员为共同通讯作者。该研究得到了新疆维吾尔自治区天池博士计划、新疆维吾尔自治区自然科学基金、新疆维吾尔自治区天山英才人才培养计划、中国科学院“西部之光”项目等项目的资助。
图1 玄武岩纤维(BF)表面改性和化学镀铜过程的示意图，该方法促使BFs的电导率和拉伸强度显著提高，其电导率甚至超过了商品铜和商品银，为下一代电信技术提供了合适的金属化纤维材料
图2 玄武岩纤维(BF)的SEM图像(A：原始BFs；B：KOH处理后的BFs；C-G：在20 °C、30 °C、40 °C、50 °C、60 °C下分别处理后的镀铜BFs；H：50 °C处理后的镀铜BFs的EDS图)
