一种碳纳米管材料及其制备方法 【技术领域】
本发明是关于一种碳纳米管材料及其制备方法,特别是关于一种将多个碳纳米管制成预定图案或形状的碳纳米管材料及其制备方法。
【背景技术】
碳纳米管是一种新型碳材料,由于它具有独特的结构和奇特的物理、化学性质以及潜在的应用前景而受到人们的关注。碳纳米管是由石墨层碳原子卷曲而成的管状材料,其直径一般为几纳米到几十纳米,厚度仅为几纳米,它与石墨、金刚石互为同素异形体,一般可分单壁碳纳米管和多壁碳纳米管两种。碳纳米管是日本科学家Iijima于1991年发现的,请参见“Helicalmicrotubules of graphitic carbon”,S Iijima,Nature,vol.354,p56(1991)。
碳纳米管分别有Armchair、Zigzag和Chiral三种不同的卷曲方式,不同卷曲方式的碳纳米管具有不同导电性,因此,碳纳米管既可表现为良好的金属导电性,也可表现为半导体性。研究发现,金属性碳纳米管的导电性可与最好的金属材料相媲美,甚至更优良,而半导体性的碳纳米管也可与最好的半导体材料相媲美,请参见“Single-Walled Carbon Nanotube Electronics”,IEEETransactions on Nanotechnology,vol.1,No.1 p78-85(2002),因此,碳纳米管可作为最好的金属或半导体材料应用在电子器件中。
另外,碳纳米管的导热性能优异,请参见“Unusually High ThermalConductivity of Carbon Nanotubes”,Savas Berber,Young-Kyun Kwon,andDavid Tománek,Phys.Rev.Lett.84,4613(2000)一文。因此,碳纳米管还可用作良好的导热材料。
目前碳纳米管的制备方法主要有三种,电弧放电法、激光蒸发法以及化学气相沉积法。电弧放电法及激光蒸发法所得的碳纳米管主要缺点是产物多为缠绕、编结且杂乱无序的碳纳米管束,很难直接应用;化学气相沉积法是用金属纳米颗粒(如铁、钴、镍或其氧化物)做催化剂,在650℃~1000℃温度条件下催化裂解含碳气体(如乙烯或乙炔),在催化剂上生长出碳纳米管。该方法生产的碳纳米管是垂直排列的碳纳米管阵列,可以直接应用于场发射器件或原子力显微镜等。但这种碳纳米管的长度仅达微米级,不利于大尺寸器件的应用。
Brigitte Vigolo等人发表一种制备肉眼可见的碳纳米管纤维的方法,具体请参见“Macroscopic Fibers and Ribbons of Oriented Carbon Nanotubes”,Science,Vol.290,P1331-1334(2000)一文。该方法首先将碳纳米管分散在表面活性剂溶液中,然后通过聚合物溶液将其凝结成碳纳米管网状织物,最后将该网状织物制成大尺寸的碳纳米管纤维。
但是,上述制备方法所得到的碳纳米管纤维电阻很大,基本呈非金属性,其原因在于各碳纳米管没有形成良好的有序排列,甚至有地相邻碳纳米管间距很大,根本没有相互接触,因而不能充分发挥碳纳米管的优良导电性及导热性能。因此,提供一种有序排列、相互接触良好、且具有较大尺寸范围的碳纳米管材料非常必要。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种有序排列、相互接触良好、且具有较大长度的碳纳米管材料。
本发明的另一目的在于提供前述碳纳米管材料的制备方法。
本发明提供一种碳纳米管材料,包括多根碳纳米管,其中,各碳纳米管排布在同一平面上,相邻碳纳米管基本首尾相连,从而使得碳纳米管之间接触良好。
该碳纳米管材料的制备方法包括下列步骤:提供一真空腔,并提供多个碳纳米管,其中各碳纳米管的一端含有铁系金属或其氧化物的纳米颗粒;在该真空腔内持续释放适量的碳纳米管,同时施加一磁场作用于该碳纳米管;在真空腔内沿该碳纳米管运动方向相距该碳纳米管释放点一定距离处设置一可移动的碳纳米管收集装置,并驱使该收集装置沿一预定方向运动;碳纳米管运动至该收集装置,并沿预定方向水平有序排列成预定图案或形状。
与现有技术相比,本发明碳纳米管材料各碳纳米管排列有序,相邻碳纳米管接触良好,可充分发挥碳纳米管良好的导电和导热性。
【附图说明】
图1是本发明碳纳米管材料制备方法流程图。
图2是以化学气相沉积法制备的碳纳米管阵列示意图。
图3是图2的一根碳纳米管放大图。
图4是本发明第一实施例的制备方法示意图。
图5是本发明第一实施例的示意图。
图6是本发明第二实施例的示意图。
【具体实施方式】
请参见图1,是本发明的碳纳米管材料制备方法流程图。其包括下列步骤:
步骤1,提供碳纳米管并进行预处理。本发明所需提供的碳纳米管,要求一端包含铁系金属或其氧化物纳米颗粒,一般来说,用铁系金属或其氧化物为催化剂的制备方法所制备的碳纳米管均可满足此要求,例如化学气相沉积(CVD)法制备的碳纳米管阵列。一般CVD法是用铁系金属(包括铁、钴、镍)或其氧化物做催化剂,经化学方法在硅或玻璃基底上形成纳米级金属颗粒,再通入碳源气体(如乙烯或乙炔),在700~1000℃温度范围内热裂解碳源气,从而在催化剂颗粒上合成碳纳米管阵列,通常碳纳米管生长点一端包含反应剩余的催化剂颗粒。前述所得的碳纳米管阵列仍然呈紧靠状态,相邻碳纳米管之间具有分子间作用力,难以分散,需经预处理将其分离,通常可加入表面活性剂并进行超声分离而达成目的。
步骤2,提供一真空腔,并在真空腔内设置可移动的收集器。该真空腔是一个真空的容器,它可避免空气的阻力,因为碳纳米管的体积和质量非常小,因此,空气的阻力不可忽略。另外,在真空腔内一预定位置设置一个可移动的收集器,用来收集碳纳米管,该收集器可以是硅或其它材料形成的基底。该收集器可以在水平面内移动或转动。
步骤3,在真空腔内释放经过预处理的碳纳米管,同时施加磁场作用力。将经过预处理的碳纳米管置于真空腔内,释放适量的碳纳米管,因其受重力作用而作自由落体运动,同时施加一磁场作用力给释放的碳纳米管,磁场作用在碳纳米管一端的铁系金属上,将其磁化,从而产生异性磁场相吸的作用力,使该碳纳米管加速运动,从而在运动过程中,碳纳米管借助磁场作用从散乱状态调整为竖直状态。
步骤4,移动收集器接收碳纳米管。当碳纳米管经磁场作用调整为竖直状态运动后,其含有铁系金属的一端首先着陆在收集器的表面,因收集器处于运动状态,所以着陆后的碳纳米管因惯性作用,其另一端向收集器运动的相反方向倾倒。若保持收集器的运动方向不变,即可使陆续着陆到收集器表面的不同碳纳米管保持相同倾倒方向,从而达到碳纳米管相同方式排列的目的;若改变收集器的运动方向,即可使碳纳米管的倾倒方向改变,从而改变碳纳米管的排列方式。
以下将用具体实施例详细说明本发明的实施方式。
请参见图2和图3,是用CVD法制备的碳纳米管阵列示意图及其中一根碳纳米管放大图,长度大致相同的多个碳纳米管13竖直排列构成阵列形成在基底11的表面,其中各碳纳米管13的生长点一端包含金属纳米颗粒14,该金属纳米颗粒14是反应剩余的催化剂颗粒,一般为铁、钴、镍或其氧化物,其粒径一般与碳纳米管13的直径相当,为1~50纳米。
将此碳纳米管阵列取下进行预处理使之分离,例如,可溶于含有表面活性剂的溶液中,经过超声作用而分离后,干燥即可。
请参见图4,是本发明第一实施例的制备方法示意图。真空腔20内部设置有一容器30及一收集器22,其中,该收集器22与容器30相距一定距离,且收集器22可由驱动轮24带动而运动,另有一磁铁26置于收集器22底下,可产生磁场。容器30内置有长度大致相同的多个碳纳米管13,该碳纳米管13经过预处理呈分离状态,各碳纳米管13一端含有金属纳米颗粒14,如铁金属纳米颗粒。释放一定量的碳纳米管13,则其受重力作用而自由落体运动,同时,收集器22底下的磁铁26产生磁场作用在该碳纳米管13的金属纳米颗粒14上,借助磁场作用,加速碳纳米管13运动,并调整碳纳米管13至竖直状,当碳纳米管13运动至收集器22时,含有金属纳米颗粒14的一端首先着陆在收集器22的表面。由于收集器22被驱动轮24带动,收集器22沿一固定方向运动,碳纳米管13含有金属纳米颗粒14的一端着陆在收集器22表面,另一端向收集器运动相反方向倾倒。后续的碳纳米管13重复这一过程,以相同方式排列在收集器22的表面,借助控制碳纳米管13的释放速度及收集器22的运动速度,即可控制相邻碳纳米管13的间距,从而,选择适合的碳纳米管13释放速度及收集器22的运动速度,可使相邻碳纳米管13首尾相连,保持接触良好。另外,为保持碳纳米管13的稳固结合,可利用粘结剂(未图示)完成排列过程的碳纳米管13粘结固定。
请参见图5,是本发明第一实施例方法制备的碳纳米管材料示意图,其中碳纳米管13沿相同方向排列在收集器22表面,且相邻碳纳米管13大致首尾相连,保持良好接触。
请参见图6,是本发明第二实施例的示意图。本实施例与第一实施例实施方法各步骤大致相同,不同之处在于本实施例中收集器22绕其中心作圆周运动,结果使得碳纳米管13排列成圆弧状,各碳纳米管13仍首尾相连,保持良好接触。
本发明第三实施例,与第一实施例不同之处在于,使收集器22先作直线运动,再作圆周运动,可得到排列成直线与圆弧组合形状的碳纳米管材料。
本发明第四实施例,与第一实施例不同之处在于,在碳纳米管13分离过程中,控制超声作用的过程,使多根(如2~200根)碳纳米管13仍结合为一碳纳米管束,将这样的多个碳纳米管束通过第一实施例的步骤制备成预定形状或图案的碳纳米管束材料。
本发明所提供的碳纳米管材料,其中各碳纳米管排列有序,相邻碳纳米管接触良好,可充分发挥碳纳米管良好的导电及导热性,因而适于制备碳纳米管导电或导热材料或器件开发。
本发明的碳纳米管材料及其制备方法还可以有其它变化设计,例如为适应实际需要,可改变收集器22的运动方式为直线、折线、圆周运动或其组合,从而形成不同排列形状或图案的碳纳米管材料;或将多根碳纳米管13形成碳纳米管束释放,多个碳纳米管束排列而成碳纳米管材料等等,均属本发明允许的变化。