碳纳米管绞线及其制备方法 【技术领域】
本发明涉及一种绞线及其制备方法， 尤其涉及一种基于碳纳米管的绞线及其制备方法。 背景技术 碳纳米管是一种由石墨烯片卷成的中空管状物， 其具有优异的力学、 热学及电学 性质。 碳纳米管应用领域非常广阔， 例如， 它可用于制作场效应晶体管、 原子力显微镜针尖、 场发射电子枪、 纳米模板等等。但是， 目前基本上都是在微观尺度下应用碳纳米管， 操作较 困难。所以， 将碳纳米管组装成宏观尺度的结构对于碳纳米管的宏观应用具有重要意义。
Baughman 等人在 2008 年 7 月 17 日公开的美国第 US20080170982 号公开专利中揭 露了一种碳纳米管绞线的制备方法， 如该专利的图 2 所示， 其以扭转拉伸的方式从碳纳米 管阵列中边扭转边拉取， 从而获得一碳纳米管绞线。 该碳纳米管绞线中， 碳纳米管绕绞线的 轴向螺旋排列。
然而， 以扭转拉取的方式形成碳纳米管绞线的过程中， 由于碳纳米管阵列对该碳 纳米管绞线提供的拉力有限， 该绞线内部的碳纳米管间仍然具有较大间隙， 从而使该碳纳 米管绞线的密度较低， 拉伸应力 (tensile stress) 仍需进一步提高。
发明内容
有鉴于此， 确有必要提供一种具有较高密度及拉伸应力的碳纳米管绞线及其制备 方法。
一种碳纳米管绞线的制备方法， 其包括以下步骤 ： 提供至少一碳纳米管膜， 该碳纳 米管膜包括多个通过范德华力首尾相连的碳纳米管， 该多个碳纳米管的轴向基本沿同一方 向延伸 ； 沿碳纳米管的轴向施加两个相反外力作用于该至少一碳纳米管膜， 使该至少一碳 纳米管膜中至少部分的碳纳米管在该外力拉力的作用下沿碳纳米管轴向绷直 ； 以及扭转该 至少一碳纳米管膜， 获得一碳纳米管绞线。
一种碳纳米管绞线的制备方法， 其包括以下步骤 ： 提供至少一碳纳米管阵列 ； 采 用至少一拉伸工具分别从该至少一碳纳米管阵列中拉取获得至少一碳纳米管膜， 所述拉伸 工具与该碳纳米管膜的一端固定， 该碳纳米管膜的另一端与所述碳纳米管阵列相连接， 该 碳纳米管膜中的碳纳米管的轴向基本沿拉伸方向延伸 ； 提供至少一支撑体 ； 将该拉取获得 的碳纳米管膜通过该至少一支撑体支撑 ； 通过所述拉伸工具与至少一支撑体对该碳纳米管 膜施加两个方向相反且平行于该碳纳米管膜中碳纳米管的轴向的拉力， 使该至少一碳纳米 管膜中至少部分碳纳米管在该拉力的作用下沿碳纳米管轴向绷直 ； 以及扭转所述碳纳米管 膜， 形成一碳纳米管绞线。
一种碳纳米管绞线， 其包括 ： 多个通过范德华力首尾相连的碳纳米管， 该多个碳纳 米管绕该碳纳米管绞线的轴向螺旋状旋转排列， 其中， 该碳纳米管绞线的力学拉伸应力大 于 1200Mpa。与现有技术比较， 所述的碳纳米管绞线及其制备方法通过先对从碳纳米管阵列中 拉取获得的碳纳米管膜施加力的作用， 然后扭转碳纳米管膜形成碳纳米管绞线， 其中， 所施 加的力可使该碳纳米管膜中的碳纳米管绷直。当该碳纳米管绷直后， 相邻的碳纳米管之间 的间隙减小， 从而使形成的碳纳米管绞线具有更高的密度及拉伸应力。 附图说明
图 1 是本发明第一实施例碳纳米管绞线的制备方法的流程图。
图 2 是本发明第一实施例碳纳米管绞线的制备方法的过程示意图。
图 3 是形成本发明第一实施例碳纳米管绞线的碳纳米管膜的扫描电镜照片。
图 4 是图 3 的碳纳米管膜中碳纳米管片段的结构示意图。
图 5 是本发明第二实施例碳纳米管绞线的制备方法的流程图。
图 6 是本发明第二实施例碳纳米管绞线的制备方法的过程示意图。
图 7 是本发明第二实施例同时拉取多个碳纳米管阵列制备碳纳米管绞线的过程 示意图。
图 8 是本发明第二实施例有机溶剂处理的过程示意图。
图 9 是本发明第三实施例碳纳米管绞线的制备方法的流程图。
图 10 是本发明第三实施例碳纳米管绞线的制备方法的过程示意图。
图 11 是本发明第四实施例碳纳米管绞线的制备方法的流程图。
图 12 是本发明第四实施例碳纳米管绞线的制备方法的俯视示意图。
图 13 是本发明实施例碳纳米管绞线的扫描电镜照片。 具体实施方式
以下将结合附图详细说明本发明实施例碳纳米管绞线的结构及其制备方法。
请参阅图 1 及图 2， 本发明第一实施例中碳纳米管绞线 10 的制备方法主要包括以 下步骤 ：
步骤一 ： 提供至少一碳纳米管膜 100。
该碳纳米管膜 100 包括多个碳纳米管基本相互平行且该多个碳纳米管的轴向基 本沿该碳纳米管膜 100 的长度方向延伸。 请参阅图 3， 所述碳纳米管膜包括多个平行于碳纳 米管膜 100 表面， 且基本沿同一方向择优取向排列的碳纳米管。所述碳纳米管通过范德华 力首尾相连。具体地， 请参阅图 4， 每一碳纳米管膜 100 包括多个连续且定向排列的碳纳米 管片段 143。该多个碳纳米管片段 143 通过范德华力首尾相连。每一碳纳米管片段 143 包 括多个相互平行的碳纳米管 145， 该多个相互平行的碳纳米管 145 通过范德华力紧密结合。 该碳纳米管片段 143 具有任意的长度、 厚度、 均匀性及形状。在该碳纳米管膜中， 相邻且并 排的碳纳米管之间具有间隙。由于该碳纳米管膜 100 中的多个碳纳米管通过范德华力首尾 相连， 所述碳纳米管膜 100 为一自支撑结构。所谓自支撑结构即该碳纳米管膜 100 无需通 过支撑体支撑， 也能保持自身特定的形状。
所述碳纳米管膜 100 的制备方法可包括以下步骤 ：
首先， 提供一碳纳米管阵列形成于一生长基底。
该碳纳米管阵列的制备方法可采用化学气相沉积法、 石墨电极恒流电弧放电沉积法或激光蒸发沉积法等。该碳纳米管阵列为多个彼此平行且垂直于生长基底生长的碳纳 米管形成的纯碳纳米管阵列。通过上述控制生长条件， 该定向排列的碳纳米管阵列中基本 不含有杂质， 如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等。本发明实施例提供的碳纳米管阵列 为单壁碳纳米管阵列、 双壁碳纳米管阵列及多壁碳纳米管阵列中的一种。所述碳纳米管的 直径为 1 ～ 50 纳米， 长度为 50 纳米～ 5 毫米。本实施例中， 碳纳米管的长度优选为 100 ～ 900 微米。
其次， 采用一拉伸工具从碳纳米管阵列中拉取碳纳米管获得至少一碳纳米管膜 100， 其具体包括以下步骤 ： (a) 从所述超顺排碳纳米管阵列中选定一个或具有一定宽度的 多个碳纳米管， 本实施例优选为采用具有一定宽度的胶带、 镊子或夹子接触碳纳米管阵列 以选定一个或具有一定宽度的多个碳纳米管 ； (b) 以一定速度拉伸该选定的碳纳米管， 从 而形成首尾相连的多个碳纳米管片段， 进而形成一连续的碳纳米管膜 100。 该拉取方向沿基 本垂直于碳纳米管阵列的生长方向。
在上述拉伸过程中， 该多个碳纳米管片段在拉力作用下沿拉伸方向逐渐脱离生长 基底的同时， 由于范德华力作用， 该选定的多个碳纳米管片段分别与其它碳纳米管片段首 尾相连地连续地被拉出， 从而形成一连续、 均匀且具有一定宽度的碳纳米管膜 100。该碳纳 米管膜 100 包括多个首尾相连的碳纳米管， 该碳纳米管基本沿拉伸方向择优取向排列。 该碳纳米管膜 100 的宽度与碳纳米管阵列的尺寸以及步骤 (a) 中选定的多个碳纳 米管的宽度有关， 该碳纳米管膜 100 的长度不限， 可根据实际需求制得。当该碳纳米管阵列 的面积为 4 英寸时， 该碳纳米管膜 100 的宽度为 0.5 纳米～ 10 厘米。该碳纳米管膜 100 的 厚度为 0.5 纳米～ 100 微米。
可以理解， 在该碳纳米管膜 100 从所述碳纳米管阵列中拉出的过程中， 所述碳纳 米管阵列面积不断减小， 所述碳纳米管阵列中的碳纳米管不断被从碳纳米管阵列中首尾相 连的拉出从而形成所述碳纳米管膜 100， 该碳纳米管膜 100 一端与所述拉伸工具相连， 一端 与所述碳纳米管阵列相连。当碳纳米管阵列中的所有碳纳米管全部被从生长基底上拉取 完毕， 或该碳纳米管阵列无法为该碳纳米管膜 100 提供足够的范德华力作用时， 该碳纳米 管膜 100 从该碳纳米管阵列中分离。可以理解， 在上述拉取过程中， 可通过一外加的截断步 骤， 将该碳纳米管膜 100 与碳纳米管阵列分离。该阶段步骤可包括采用一激光切割或一机 械剪切的方式， 切断该碳纳米管膜 100， 从而使该碳纳米管膜 100 与该碳纳米管阵列分离。
所述步骤一可进一步包括将所述多个碳纳米管膜 100 沿相同方向层叠设置。当将 多个碳纳米管膜 100 层叠设置时， 该多个碳纳米管膜 100 中碳纳米管的轴向均沿同一方向 延伸。由于该碳纳米管膜 100 具有较大的比表面积， 因此该碳纳米管膜 100 具有较大粘性。 因此一旦该多个碳纳米管膜 100 相互接触， 由于范德华力的作用， 该多个碳纳米管膜 100 相 互结合形成一稳定整体。该多个层叠的碳纳米管膜 100 能够承受更大的拉力。
步骤二 ： 提供两固定装置 120， 以所述两固定装置分别夹持该至少一碳纳米管膜 100 沿长度方向的两端。
该固定装置 120 可以与所述拉伸工具具有相同的结构， 本实施例优选为采用具有 一定宽度的胶带、 镊子或夹子。该固定装置 120 与所述碳纳米管膜 100 沿长度方向的两端 固定。
步骤三 ： 通过该两固定装置 120 在该碳纳米管膜 100 的两端沿平行于该碳纳米管
膜 100 的长度方向施加两个方向相反大小相等的拉力。
具体地， 该两固定装置 120 沿相背的方向拉伸该碳纳米管膜 100。 由于该碳纳米管 膜 100 中的碳纳米管的轴向基本沿该碳纳米管膜的长度方向延伸， 该碳纳米管膜 100 中的 碳纳米管受到沿轴向的两个相反的拉力， 从而使该碳纳米管膜 100 中的至少大部分碳纳米 管在该拉力的作用下沿轴向绷直， 从而使相邻的碳纳米管间的间隙减小， 并使该碳纳米管 的顺排程度提高。该拉力的大小与该碳纳米管膜 100 的宽度有关。优选地， 该拉力 F 与该 碳纳米管膜的宽度 L 之比应满足 0.005 牛 / 厘米＜ F/L ＜ 0.02 牛 / 厘米。
步骤四 ： 扭转所述碳纳米管膜 100， 形成一碳纳米管绞线 10。
该两固定装置 120 沿相反的方向相对转动， 从而扭转该碳纳米管膜 100。 该转动所 在的面与所述碳纳米管膜 100 的长度方向垂直。可以理解， 可保持其中一固定装置 120 固 定不动， 只由另一固定装置 120 转动 ； 也可同时使该两固定装置 120 沿相反的方向转动。具 体地， 该固定装置 120 可固定于旋转电机上， 从而实现连续转动。该转动的圈数与碳纳米管 膜 100 的长度相关。本实施例中， 当该碳纳米管膜 100 的长度为 1 米时， 该碳纳米管膜 100 被扭转 1000 圈～ 1500 圈。
可以理解， 在扭转的过程中， 该两固定装置 120 仍需对该碳纳米管膜 100 施加所述 两个相反的拉力， 从而使该碳纳米管膜 100 中的碳纳米管在绷直的情况下扭转。该先拉取 后扭转形成的碳纳米管绞线 10 与边扭转边拉取形成的碳纳米管绞线相比， 由于其两端均 由固定装置 120 通过机械力固定， 该固定装置 120 对该碳纳米管膜 100 能够提供较大的拉 力， 从而使该碳纳米管膜 100 中的碳纳米管绷直。与之相比， 当拉取碳纳米管膜 100 的同 时进行扭转时， 该碳纳米管膜 100 与碳纳米管阵列相连的一端只能通过范德华力的作用连 接， 该碳纳米管阵列无法为该碳纳米管膜 100 提供足够的拉力的作用， 因此无法使该碳纳 米管膜 100 中的碳纳米管绷直。当该碳纳米管绷直后， 相邻的碳纳米管之间的间隙减小， 从 而使形成的碳纳米管绞线 10 具有更高的密度及拉伸应力。
可以理解， 本实施例碳纳米管绞线 10 的制备方法可进一步包括一截断步骤， 使该 碳纳米管绞线 10 的两端与该固定装置 120 分离。
本实施例碳纳米管绞线 10 的制备方法可进一步包括一通过挥发性有机溶剂处理 该碳纳米管绞线 10 的步骤， 从而使该碳纳米管绞线 10 具有更小的直径。该采用挥发性有 机溶剂处理的步骤可在形成所述碳纳米管绞线 10 之后进行。具体地， 可将有机溶剂浸润所 述碳纳米管绞线 10 的整个表面， 在挥发性有机溶剂挥发时产生的表面张力的作用下， 碳纳 米管绞线 10 中的相互平行的多个碳纳米管通过范德华力紧密结合， 使相邻的碳纳米管之 间的间隙进一步减小， 从而使碳纳米管绞线 10 的直径收缩， 比表面积减小， 粘性降低。
该采用挥发性有机溶剂处理的步骤也可于步骤三与步骤四之间进行， 或着先于步 骤三进行， 即， 采用挥发性有机溶剂处理被施加力的碳纳米管膜 100， 从而使所述碳纳米管 膜 100 中相邻的碳纳米管之间的间隙减小， 进而使扭转后得到的碳纳米管绞线 10 的直径减 小， 比表面积减小， 粘性降低。
请参阅图 5 及图 6， 本发明第二实施例提供一种碳纳米管绞线 20 的制备方法， 其主 要包括以下步骤 ：
步骤一 ： 提供至少一碳纳米管阵列 210， 采用至少一拉伸工具 220 分别从该至少一 碳纳米管阵列 210 中拉取获得至少一碳纳米管膜 230。该第二实施例的步骤一与上述第一实施例的步骤一基本相同， 其区别在于， 该碳纳米管膜 230 仍处于拉取阶段， 并未与碳纳米 管阵列 210 脱离， 该碳纳米管膜 230 的一端与该碳纳米管阵列 210 通过范德华力相连， 另一 端通过所述拉伸工具 220 夹持固定。该碳纳米管膜中的碳纳米管的轴向基本沿拉伸方向延 伸。
步骤二 ： 提供至少一支撑轴 240， 将上述至少一碳纳米管膜 230 与该至少一支撑轴 240 接触， 并通过至少一支撑轴 240 支撑。
该支撑轴 240 作为一支撑体对该碳纳米管膜 230 提供一支撑力。具体地， 该支撑 轴 240 为一具有较为光滑表面的圆柱体， 该支撑轴 240 的宽度大于或等于该碳纳米管膜 230 的宽度， 从而使该碳纳米管膜 230 在通过该支撑轴 240 时宽度不变且均能够通过该支撑轴 240 支撑。该至少一支撑轴 240 为所述碳纳米管膜 230 提供一垂直于所述碳纳米管膜 230 表面的支撑力。具体地， 当该碳纳米管膜 230 从该支撑轴 240 上部通过该支撑轴 240 时， 该 支撑轴 240 的位置应高于该碳纳米管阵列 210， 当该碳纳米管膜 230 从该支撑轴 240 下部通 过该支撑轴时， 该支撑轴 240 的位置应低于该碳纳米管阵列 210。优选地， 该支撑轴 240 的 轴向与该碳纳米管阵列 210 的表面平行， 且与该碳纳米管膜 230 的拉取方向垂直。
可以理解， 该支撑轴 240 的数量不限。当该支撑轴 240 为多个时， 优选地， 该多个 支撑轴的高度可交替变化， 从而为该碳纳米管膜 230 提供支撑力的作用。 可以理解， 与第一实施例的碳纳米管绞线 10 的制备方法相似地， 该第二实施例 中， 可进一步包括沿相同方向重叠多个所述碳纳米管膜 230 的步骤。
请参阅图 7， 该步骤可与上述拉取碳纳米管膜的步骤同时进行， 具体为 ： 将多个仍 处于拉取过程中且与碳纳米管阵列 210 相连的碳纳米管膜 230 通过共同的支撑轴 240 表 面， 从而使该多个碳纳米管膜 230 在该支撑轴 240 表面上重叠。可以理解， 多层重叠的碳纳 米管膜 230 能够承受更大的拉力， 在通过支撑轴 240 以及下述的扭转过程中不易被破坏。
步骤三， 以所述拉伸工具 220 与该至少一支撑轴 240 共同作用， 为该碳纳米管膜 230 施加两个方向相反且平行于碳纳米管膜的拉伸方向的拉力。
由于该支撑轴 240 为该碳纳米管膜 230 提供一支撑力， 因此该碳纳米管膜 230 在 拉伸工具 220 的作用下受到一沿拉伸工具 220 移动方向的拉力， 以及与该拉力相背的由该 支撑轴 240 提供的拉力。该支撑轴 240 提供的拉力与支撑力成正比。由于该支撑轴 240 自 身不发生滚动， 故由支撑轴 240 提供的拉力的最大值为该支撑轴 240 对该碳纳米管膜 230 产生的滑动摩擦力。该滑动摩擦力与该支撑轴 240 对该碳纳米管膜 230 提供的支撑力成正 比。当该支撑轴 240 的数量越多， 该碳纳米管膜 230 通过该支撑轴 240 改变的方向与原方 向的角度越大， 该支撑轴 240 能为该碳纳米管膜 230 提供的拉力越大。由于该碳纳米管膜 230 与该碳纳米管阵列 210 通过范德华力连接， 其结合力较弱， 故至少与碳纳米管阵列 210 距离最近的支撑轴 240 与该碳纳米管阵列表面所呈角度 a 应小于 30°， 即最初拉取的碳纳 米管膜 230 与碳纳米管阵列 210 所呈角度 a ＜ 30°。可以理解， 即使该碳纳米管膜 230 只 通过一个支撑轴 240， 该支撑轴 240 为该碳纳米管膜 230 提供的最大拉力仍大于该碳纳米 管阵列 210 能够为该碳纳米管膜 230 提供的最大范德华力， 从而使该碳纳米管膜 230 中的 大部分碳纳米管能够在该支撑轴 240 与该拉伸工具 220 的拉力的共同作用下绷直， 从而使 相邻的碳纳米管间的间隙减小， 并使该碳纳米管的顺排程度提高。该支撑轴 240 施加于碳 纳米管膜的拉力不能过大或过小， 其大小与该碳纳米管膜 230 的宽度有关。优选地， 该拉力
F 与该碳纳米管膜 230 的宽度 L 之比应满足 0.005 牛 / 厘米＜ F/L ＜ 0.02 牛 / 厘米， 使该 碳纳米管膜 230 中的碳纳米管绷直而不致使该碳纳米管膜 230 被破坏。该拉伸工具 220 施 加于碳纳米管膜的拉力可等于该支撑轴 240 施加于碳纳米管膜的拉力， 此时该碳纳米管膜 230 静止。该拉伸工具 220 施加于碳纳米管膜的拉力也可大于该支撑轴 240 施加于该碳纳 米管膜的拉力以及所述碳纳米管阵列与该碳纳米管膜之间的范德华力的合力， 此时该碳纳 米管膜 230 被拉伸工具 220 拉动， 具体地， 该拉伸工具 220 可继续拉取该碳纳米管膜 230。
该支持轴 240 与碳纳米管膜 230 之间的摩擦力不应太大， 以使碳纳米管膜 230 能 够在该拉伸工具 220 施加的拉力的作用下在该支撑轴 240 表面滑动， 避免该碳纳米管膜 230 在该拉力的作用下破坏。
步骤四 ： 扭转所述碳纳米管膜 230， 并形成一碳纳米管绞线 20。
该拉伸工具 220 不断转动， 该转动所在的面与所述碳纳米管膜 230 的长度方向垂 直。具体地， 该拉伸工具 220 可固定于旋转电机上， 从而实现连续转动。可以理解， 在扭转 的过程中， 该拉伸工具 220 仍需对该碳纳米管膜 230 施加所述拉力， 即该拉伸工具 220 继续 拉取该碳纳米管膜 230， 使该碳纳米管膜 230 中的碳纳米管在绷直的状态发生扭转。 进一步 地， 可通过拉伸工具 220 施加拉力， 使该碳纳米管膜 230 继续从所述碳纳米管阵列 210 中不 断被拉出。具体地， 在该拉伸工具 220 的作用下， 所述碳纳米管膜 230 扭转的同时， 所述碳 纳米管阵列中的碳纳米管继续从所述碳纳米管阵列中不断被拉出， 使碳纳米管膜 230 长度 延长。本实施例的碳纳米管绞线 20 的制备方法可实现碳纳米管绞线 20 的连续生产。
可以理解， 当多个碳纳米管膜 230 同时从多个碳纳米管阵列 210 中拉取并同时通 过同一个支撑轴 240 时， 该步骤四中， 通过拉伸工具 220 的不断转动， 该多个相互层叠的碳 纳米管膜 230 被整体扭转， 并形成一具有较大直径及较高拉伸应力的碳纳米管绞线 20。
与上述第一实施例相似地， 本实施例可进一步包括一采用有机溶剂处理该碳纳米 管绞线 20 或形成该碳纳米管绞线 20 的碳纳米管膜 230 的步骤。具体地， 可在碳纳米管绷 直的状态下通过挥发性有机溶剂处理该碳纳米管膜 230， 或在碳纳米管绷直前通过挥发性 有机溶剂处理该碳纳米管膜 230。
请参阅图 8， 可在该碳纳米管膜 230 的上方通过一底端开口的容器 ( 图未示 ) 垂下 一水帘 260。该水帘 260 由挥发性有机溶剂形成。当该碳纳米管膜 230 不断的通过该水帘 260， 该挥发性有机溶剂浸润该碳纳米管膜 230 的表面。该水帘 260 可设置于该碳纳米管阵 列 210 与最相邻的支撑轴 240 之间， 或设置于该支撑轴 240 与所述拉伸工具 220 之间。另 外， 可在该碳纳米管绞线 20 的下方设置一水盆 250。该水盆 250 中盛有挥发性有机溶剂。 该碳纳米管绞线 20 绕过一位于该水盆 250 中的支撑轴 240， 从而不断被该水盆 250 中的有 机溶剂浸润。
请参阅图 9 及图 10， 本发明第三实施例提供一种碳纳米管绞线 30 的制备方法， 其 主要包括以下步骤 ：
步骤一 ： 提供至少一碳纳米管阵列 310， 采用至少一拉伸工具 320 分别从该碳纳米 管阵列 310 中拉取获得至少一碳纳米管膜 330。该第三实施例的步骤一与上述第二实施例 的步骤一基本相同。
步骤二 ： 提供至少一夹持装置 340， 以该夹持装置 340 夹持所述碳纳米管膜 330。
该夹持装置 340 可作为一支撑体对该碳纳米管膜 330 提供一作用力。具体地， 该夹持装置 340 的宽度大于或等于该碳纳米管膜 330 的宽度。本实施例中， 该夹持装置 340 为两个相贴合的圆柱体。该碳纳米管膜 330 通过该两圆柱体之间， 并保持宽度不变且均能 够通过该夹持装置 340 夹持。该夹持装置 340 为所述碳纳米管膜 330 提供一垂直于所述碳 纳米管膜 330 表面的压力。该两圆柱体之间应具有一相互作用力。
可以理解， 该夹持装置 340 的数量不限。当该夹持装置 340 为多个时， 该多个夹持 装置 340 可位于同一高度， 且与该碳纳米管阵列的表面处于同一平面。此时， 该碳纳米管膜 330 通过该夹持装置 340 而拉伸方向不变。
可以理解， 与第二实施例的碳纳米管绞线 20 的制备方法相似地， 该第三实施例 中， 可进一步包括将多个从处于拉取过程中且分别与不同碳纳米管阵列 310 相连的碳纳米 管膜 330 通过共同的夹持装置 340， 从而使该多个碳纳米管膜 330 在该夹持装置 340 中层叠 的步骤。可以理解， 多层层叠的碳纳米管膜 330 具有较大的拉伸应力， 在通过夹持装置 340 以及下述的扭转过程中不易被破坏。
步骤三， 以所述拉伸工具 320 与该至少一夹持装置 340 共同作用， 为该碳纳米管膜 330 施加两个方向相反且平行于碳纳米管膜的拉伸方向的拉力。
由于该夹持装置 340 为该碳纳米管膜 330 提供一压力， 因此该碳纳米管膜 330 在 拉伸工具 320 的作用下受到一沿拉伸工具 320 移动方向的拉力， 以及与该拉力相背的由该 夹持装置 340 提供的拉力。 该夹持装置 340 提供的拉力与压力成正比。 由于该夹持装置 340 自身固定， 故由夹持装置 340 提供的拉力的最大值为该夹持装置 340 对该碳纳米管膜 230 产生的滑动摩擦力。该滑动摩擦力与该夹持装置 340 对该碳纳米管膜 230 提供的压力成正 比。当该夹持装置 340 的数量越多， 该支撑轴 340 能为该碳纳米管膜 330 提供的拉力越大。 可以理解， 即使该碳纳米管膜 330 只通过一个夹持装置 340 夹持， 该夹持装置 340 为该碳纳 米管膜 330 提供的最大拉力仍大于该碳纳米管阵列 310 能够为该碳纳米管膜 330 提供的最 大范德华力， 从而使该碳纳米管膜 330 中的大部分碳纳米管能够在该夹持装置 340 与该拉 伸工具 320 的拉力的共同作用下绷直， 从而使相邻的碳纳米管间的间隙减小， 并使该碳纳 米管的顺排程度提高。该夹持装置 340 施加于碳纳米管膜的拉力不能过大或过小， 其大小 与该碳纳米管膜 330 的宽度有关。优选地， 该拉力 F 与该碳纳米管膜 330 的宽度 L 之比应 满足 0.005 牛 / 厘米＜ F/L ＜ 0.02 牛 / 厘米， 使该碳纳米管膜 330 中的碳纳米管绷直而不 致使该碳纳米管膜 330 被破坏。
另外， 夹持装置 340 与碳纳米管膜 330 之间的摩擦力不应太大， 以使碳纳米管膜 330 能够在拉伸工具 320 的拉力的作用下在该夹持装置 340 表面滑动， 避免该碳纳米管膜 330 在该拉力的作用下被破坏。
步骤四 ： 扭转所述碳纳米管膜 330， 并形成一碳纳米管绞线 30。
本实施例步骤四与上述第二实施例步骤四基本相同。当本实施例步骤二包括从 多个碳纳米管阵列 310 同时拉取多个碳纳米管膜 330， 并同时通过同一个夹持装置 340， 形 成碳纳米管结构时， 该步骤四中， 通过拉伸工具 320 的不断转动， 该碳纳米管结构被整体扭 转， 并形成一具有较大直径及较高拉伸应力的碳纳米管绞线 30。 另外， 本实施例可进一步包 括一与第二实施例相似的采用有机溶剂处理该碳纳米管绞线 30 或形成该碳纳米管绞线 30 的碳纳米管膜 330 的步骤。
请参阅图 11 及图 12， 本发明第四实施例提供一种碳纳米管绞线 40 的制备方法， 其主要包括以下步骤 ：
步骤一 ： 提供至少一碳纳米管阵列 410， 采用至少一拉伸工具分别从该碳纳米管 阵列 410 中拉取获得至少一碳纳米管膜 430。该第四实施例的步骤一与上述第二实施例的 步骤一基本相同。
步骤二 ： 提供至少一汇聚装置 440， 将上述至少一碳纳米管膜 430 与该至少一汇聚 装置 440 接触， 并通过该至少一汇聚装置 440 支撑并汇聚所述碳纳米管膜 430。 该汇聚装置 440 为所述碳纳米管膜 430 提供一垂直于所述碳纳米管膜 430 表面的支撑力。该汇聚装置 440 使该碳纳米管膜 430 的宽度减小。具体地， 该汇聚装置 440 可以为一钩子或一圆环， 其 具有一较小的曲率半径。该碳纳米管膜 430 通过该钩子或穿过该圆环。该汇聚装置 440 的 设置方式与第二实施例支撑轴 240 的设置方式相似， 从而为该碳纳米管膜 430 提供一支撑 力。可以理解， 该汇聚装置 440 的数量不限。
可以理解， 与第二实施例的碳纳米管绞线 20 的制备方法相似地， 该第四实施例 中， 可进一步包括将多个从处于拉取过程中且分别与不同碳纳米管阵列 410 相连的碳纳米 管膜 430 通过共同的汇聚装置 440， 从而使该多个碳纳米管膜 430 在该汇聚装置 440 中重叠 并汇聚的步骤。 步骤三， 以所述拉伸工具与该汇聚装置 440 共同作用， 为该碳纳米管膜 430 施加两 个方向相反且平行于该碳纳米管膜 430 的拉伸方向的拉力。
具体地， 该拉伸工具可继续拉取该碳纳米管膜 430。与第二实施例步骤三相似地， 该碳纳米管膜 430 中的碳纳米管能够在该汇聚装置 440 与该拉伸工具的共同作用下绷直， 从而使相邻的碳纳米管间的间隙减小， 并使该碳纳米管的顺排程度提高。该汇聚装置 440 施加的拉力的大小与该碳纳米管膜 430 的宽度有关。优选地， 该汇聚装置 440 施加的拉力 F 与该碳纳米管膜 430 的宽度 L 之比应满足 0.005 牛 / 厘米＜ F/L ＜ 0.02 牛 / 厘米。
步骤四 ： 扭转所述碳纳米管膜 430， 并形成一碳纳米管绞线 40。
本实施例步骤四与上述第二实施例步骤四基本相同。另外， 如图 12 所示， 可进一 步包括 ： 首先， 提供一绞线装置 450 以及一绕线装置 455， 该绞线装置 450 与绕线装置 455 同 轴设置且均可沿该轴旋转 ； 将碳纳米管膜 430 与所述拉伸工具连接的一端从该拉伸工具上 取下， 并穿过该绞线装置 450 与该绕线装置 455 相连接 ； 其次， 使该绞线装置 450 与该绕线 装置 455 以相同的速度同向旋转 ； 再次， 使该绕线装置 455 的旋转速度大于或小于该绞线装 置 450。该绞线装置 450 可带动穿过该绞线装置 450 中的碳纳米管膜 430 转动。该绕线装 置 455 可通过自身转动将该碳纳米管绞线 40 卷绕于该绕线装置 455 上。该绞线装置 450 与该绕线装置 455 的转轴与该碳纳米管绞线 40 同轴。当该绞线装置 450 旋转时， 该碳纳米 管膜 4305 被扭转， 从而形成所述碳纳米管绞线 40。 当该绕线装置 455 的以大于或小于该绞 线装置 450 的旋转速度旋转时， 该碳纳米管绞线 40 在扭转的同时发生进动， 使该碳纳米管 膜 430 继续从所述碳纳米管阵列 410 中不断被拉出， 连续的形成碳纳米管绞线 40， 并缠绕在 该绕线装置 455 上。可以理解， 该绞线装置 450 与绕线装置 455 由电机驱动， 其转速均可调 节， 使该碳纳米管绞线 40 的绞距随之得到调节。具体地， 可调节该绞线装置 450 与绕线装 置 455 的转速， 使该碳纳米管绞线 40 的绞距大于 1 毫米 / 圈。该碳纳米管绞线 40 的绞距 越大， 该碳纳米管绞线 40 的拉伸应力越大。可以理解， 上述通过绞线装置 450 与绕线装置 455 扭转所述碳纳米管膜 430 的方式同样可以附加于上述第二及第三实施例的扭转碳纳米
管膜 230， 330， 形成碳纳米管绞线 20， 30 的步骤四中。
当本实施例步骤二包括从多个碳纳米管阵列 410 同时拉取多个碳纳米管膜 430， 并同时通过同一个汇聚装置 440， 形成碳纳米管结构时， 该步骤四中， 通过绞线装置 450 与 绕线装置 455 的不断转动， 该碳纳米管膜被整体扭转， 并形成一具有较大直径及较高拉伸 应力的碳纳米管绞线 40。另外， 本实施例可进一步包括一与第二实施例相似的采用有机溶 剂处理该碳纳米管绞线 40 或形成该碳纳米管绞线 40 的碳纳米管膜 430 的步骤。
可以理解， 本发明并不限于上述方法获得碳纳米管绞线， 只要能在扭转碳纳米管 膜之前在该碳纳米管膜上施加一沿碳纳米管膜长度方向的拉力， 使所述碳纳米管膜中的碳 纳米管绷直， 进而形成绞线的方法都在本发明的保护范围之内。
请参阅图 13， 本发明实施例提供一种碳纳米管绞线， 该绞线由碳纳米管构成。 具体 地， 该碳纳米管绞线包括多个碳纳米管， 该多个碳纳米管通过范德华力首尾相连， 且该多个 碳纳米管连续地绕该碳纳米管绞线的轴向螺旋状旋转排列。 该碳纳米管绞线的直径可以为 4.5 纳米～ 100 微米。
经实验测试可知， 当所述碳纳米管结构由一碳纳米管膜形成时， 该碳纳米管绞线 -5 -5 的电阻率则为 1×10 Ω·m ～ 2×10 Ω·m。本实施例中， 该碳纳米管绞线由一碳纳米管 -5 膜扭转形成， 该碳纳米管绞线电阻率为 1.91×10 Ω·m。与边从碳纳米管阵列中拉取边扭 转获得的碳纳米管绞线相比， 本发明实施例的碳纳米管绞线具有较大的密度， 该碳纳米管 绞线的截面积减小 20％～ 40％。由于密度的增大， 该碳纳米管绞线的电阻率减小 50％， 且 该碳纳米管绞线的最大承重提高 20％～ 50％， 力学拉伸应力提高 60％～ 120％。具体地， 该碳纳米管绞线的力学拉伸应力大于 1200Mpa。本实施例中， 该碳纳米管绞线的直径为 10 微米， 力学拉伸应力为 1.5GPa。
另外， 本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化， 当然这些依据本发明精 神所作的变化， 都应包含在本发明所要求保护的范围内。