维持高真空环境（特别是约 10^-5 mbar）在铜-碳纳米管（Cu-CNT）复合材料的热压烧结过程中是强制性的，以防止灾难性的材料退化。这种真空可以防止铜粉表面快速氧化，并保护碳纳米管免受热烧蚀，从而确保两种成分的结构完整性。
核心洞察：真空的主要功能是构建一个“洁净界面”。通过去除氧气和挥发性气体，您可以让铜基体直接与碳纳米管结合。这种直接结合是实现有效载荷传递的唯一途径，而载荷传递是纳米管实际增强金属的机制。
保护材料完整性
防止铜氧化
在烧结所需的高温下，铜粉具有很高的反应活性。
如果没有真空，氧分子会立即与铜表面反应形成氧化铜。这些氧化物会形成脆性层，削弱最终材料并阻碍导电性。
避免碳纳米管热烧蚀
碳纳米管非常坚固，但在有氧环境下热稳定性差。
如果烧结环境控制不严格，碳纳米管会发生热烧蚀。本质上，它们会燃烧掉，在材料固化之前就破坏了复合材料的增强相。
增强机械性能
创建洁净界面
铜-碳纳米管复合材料的机械性能完全取决于金属与碳之间的界面。
高真空确保该界面保持化学洁净。它能防止氧化物屏障的形成，否则这些屏障会将铜基体与碳纳米管隔开。
确保有效的载荷传递
为了增强铜的强度，必须将机械应力从软金属基体传递到刚性碳纳米管。
这需要牢固的化学或机械结合。洁净、真空处理的界面有助于这种结合强度，从而最大化碳纳米管的机械增强性能。
促进致密化
去除吸附气体
粉末颗粒在储存和处理过程中，其表面会自然吸附气体和水分。
真空环境在烧结过程之前和期间会抽出这些吸附气体和挥发物。如果这些气体被困住，在高温下会膨胀，导致内部缺陷。
消除空隙和孔隙
烧结依赖于颗粒的重新排列和扩散蠕变来闭合间隙。
通过去除可能被困在颗粒之间的气体，真空促进了扩散蠕变和烧结颈的形成。这导致材料密度更高，内部孔隙更少。
了解失效的后果
结合力弱的风险
如果真空度不足（例如低于 10^-5 mbar），就会发生部分氧化。
这会导致复合材料中的碳纳米管松散地嵌入铜中，而不是固定在铜上。在应力作用下，碳纳米管会简单地从基体中拔出，而不是承受载荷。
结构不一致
真空压力不一致会导致挥发性物质被困住。
这会表现为最终产品中的孔隙率或“海绵状”，从而大大降低机械强度和导电性。
根据您的目标做出正确的选择
要获得高性能的铜-碳纳米管复合材料，需要严格遵守工艺参数。
- 如果您的主要关注点是机械强度：确保真空达到 10^-5 mbar，以防止碳纳米管烧蚀，保证碳纳米管保持完整以承受机械载荷。
- 如果您的主要关注点是导电性：优先考虑真空循环，以完全抽出吸附气体，净化晶界，实现无障碍电子流动。
- 如果您的主要关注点是高密度：利用真空防止粉末颗粒之间形成气体团，确保在热压阶段实现最大程度的固结。
高真空不仅仅是一种预防措施；它是铜-碳纳米管结合的根本促进因素。
总结表：
| 关键因素 | 高真空（10^-5 mbar）的功能 | 真空失效的后果 |
|---|---|---|
| 铜基体 | 防止表面氧化和脆性氧化层。 | 形成弱的、非导电的氧化物屏障。 |
| 碳纳米管 | 在高温下防止热烧蚀（燃烧）。 | 增强相的破坏/碳纳米管损失。 |
| 界面质量 | 创建用于载荷传递的化学洁净结合。 | 结合力弱；碳纳米管在机械应力下拔出。 |
| 材料密度 | 去除吸附气体并防止内部孔隙。 | 孔隙率、结构“海绵状”和空隙。 |
| 性能 | 最大化导电性和拉伸强度。 | 导电性降低和机械失效。 |
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