專利名稱：碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種預(yù)制件及其制備方法，尤其涉及一種碳納米管復(fù)合材料 預(yù)制件及其制備方法。
背景技術(shù)：
自1991年日本NEC公司的Iijima發(fā)現(xiàn)碳納米管(Carbon Nanotube， CNT)以來(lái)(IilimaS., Nature, 1991,354, 56-58),碳納米管引起了科學(xué)界及產(chǎn) 業(yè)界的極大重視，是近年來(lái)國(guó)際科學(xué)研究的熱點(diǎn)。碳納米管具有與金剛石相 同的熱導(dǎo)和獨(dú)特的力學(xué)性能，如抗張強(qiáng)度達(dá)100千兆帕，模量高達(dá)1800千 兆帕，且耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿，600。C以下基本不氧化等。利用碳納米管作為填充 物與工程材料復(fù)合成為碳納米管應(yīng)用的一個(gè)重要方向。
現(xiàn)有技術(shù)中，在玻璃基片、硅基片和耐高溫金屬材料上生長(zhǎng)碳納米管陣 列已經(jīng)日趨成熟，這種結(jié)構(gòu)均勻一致、排列分立有序、高質(zhì)量、低能耗的碳 納米管陣列所形成的自組裝有序陣列復(fù)合結(jié)構(gòu)，被廣泛地應(yīng)用到場(chǎng)發(fā)射管、 超薄平面顯示器、陰極電極、生物傳感器、分子尺度的電子元件和光子器件 上。同時(shí)，碳納米管陣列還在儲(chǔ)氫材料、電極材料、電子元器件方面有極具 潛力的應(yīng)用價(jià)值。
然而，碳納米管陣列間充滿的空氣導(dǎo)致碳納米管徑向性能(如導(dǎo)熱性能) 較差，影響了整個(gè)材料的性能，如果能在碳納米管間隙里邊填充金屬或高分 子材料，使金屬或高分子材料與碳納米管緊密接觸形成復(fù)合材料，就能改善 碳納米管陣列徑向方向的性能。
目前，碳納米管陣列的復(fù)合材料制備工藝通常是采用直接生長(zhǎng)的碳納米 管陣列作為預(yù)制件，并直接在碳納米管陣列里灌入熔融的金屬或高分子材料 (請(qǐng)參見(jiàn)文獻(xiàn)"Aligned Carbon Nanotube Composite Films for Thermal Management" Huang H., Liu C.H.， AVu Y. et al.. Adv Mater.， Vol 17， p1652(2005)，但是，由于現(xiàn)有技術(shù)中碳納米管陣列中的碳納米管之間的間隙 較小，使得某些材料如銦、銅等較難進(jìn)入到碳納米管陣列間隙中去。
有鑒于此，確有必要提供一種碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件及其制備方法， 該碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件中碳納米管之間具有較大的間驚，且制備方法工 藝筒單、成本低、周期短、易于實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
下面將以實(shí)施例說(shuō)明 一種碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件及其制備方法，該碳 納米管復(fù)合材料預(yù)制件中碳納米管之間的間隙較大，且制備方法工藝簡(jiǎn)單、 成本低、周期短、易于實(shí)現(xiàn)。
一種碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件，其包括一基片及一碳納米管陣列形成于 該基片，其中，該碳納米管陣列遠(yuǎn)離基片的一端碳納米管之間的間隙大于靠 近基片的一端碳納米管之間的間隙。
該碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件的制備方法包括如下步驟 提供一碳納米管陣列形成于 一基片；
將上述形成有碳納米管陣列的基片置于一溶劑中 一段時(shí)間；以及 將上述基片取出后烘干處理，形成碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件。 其中，將所述形成有碳納米管陣列的基片置于一溶劑中后，可進(jìn)一步包 括一抽真空過(guò)程或一超聲波處理過(guò)程以排出碳納米管陣列中的氣體。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，所述的碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件及其制備方法具有以 下優(yōu)點(diǎn)其一，本技術(shù)方案所提供的碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件中碳納米管陣 列遠(yuǎn)離基片的一端碳納米管之間的間隙較大，該間隙尺寸為2微米-300微米， 因而易與其它材料復(fù)合以形成碳納米管陣列復(fù)合材料；其二，上述制備方法 工藝簡(jiǎn)單、成本低、周期短、易于實(shí)現(xiàn)。


圖1是本技術(shù)方案碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件的制備方法的流程圖。
圖2是本技術(shù)方案第 一 實(shí)施例中的碳納米管陣列在雙氧水里抽真空處理 后，其遠(yuǎn)離基片的一端的掃描電鏡(SEM)照片。
圖3是本技術(shù)方案第一實(shí)施例中的碳納米管陣列在雙氧水里抽真空處理 后，其與碳納米管軸向平行的剖面的掃描電鏡(SEM)照片。
圖4是本技術(shù)方案第一實(shí)施例中的碳納米管陣列在雙氧水里抽真空處理
后，其靠近基片的一端的掃描電鏡(SEM)照片。
圖5是本技術(shù)方案第二實(shí)施例中的碳納米管陣列在水里抽真空處理后， 其遠(yuǎn)離基片的一端的掃描電鏡(SEM)照片。
圖6是本技術(shù)方案第三實(shí)施例中的碳納米管陣列從水里取出后，其遠(yuǎn)離 基片的一端的掃描電鏡(SEM)照片。
圖7是本技術(shù)方案第四實(shí)施例中的碳納米管陣列在酒精里抽真空處理 后，其遠(yuǎn)離基片的一端的掃描電鏡(SEM)照片。
圖8是本技術(shù)方案第五實(shí)施例中的碳納米管陣列在雙氧水里超聲波處理 后，其遠(yuǎn)離基片的一端的掃描電鏡(SEM)照片。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例，對(duì)本技術(shù)方案提供的一種碳納米管復(fù)合 材料預(yù)制件及其制備方法作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
請(qǐng)參閱圖1,本技術(shù)方案實(shí)施例碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件的制備方法包 括以下步驟
步驟一、提供一碳納米管陣列形成于一基片；
其中，所述碳納米管陣列的形成方法為化學(xué)氣相沉積法或激光燒蝕法， 其包括以下步驟提供一基片；在所述基片表面形成一催化劑層；在所述催 化劑層上形成碳納米管陣列。
上述基片至少具有一表面，所述基片材料可為玻璃、硅、金屬或金屬氧 化物。上述碳納米管陣列中的碳納米管的直徑為l納米-100納米，長(zhǎng)度為1 微米-500微米，本實(shí)施例中，碳納米管的長(zhǎng)度為200微米，碳納米管之間的 間隙為1納米-100納米。該碳納米管可為單壁碳納米管、雙壁碳納米管以及 多壁碳納米管。
步驟二、將上述形成有碳納米管陣列的基片置于一溶劑中一段時(shí)間； 所述的將上述形成有碳納米管陣列的基片置于 一溶劑中 一段時(shí)間可包
括以下步驟提供一溶劑；將所述溶劑放入一容器中；將碳納米管陣列連同
基片放入上述溶劑中，靜置一段時(shí)間。
其中，所述溶劑為水、乙醇或雙氧水溶液，上述雙氧水溶液的濃度為
25%。所述溶劑的加入量須能夠使碳納米管陣列遠(yuǎn)離基片的一端浸沒(méi)在上述
溶劑中。所述的置于上述溶劑中所用的時(shí)間為10分鐘-60分鐘。
所述的將上述形成有碳納米管陣列的基片置于一溶劑中后，可進(jìn)一步包 括一抽真空過(guò)程或一超聲波處理過(guò)程，以排出碳納米管陣列中的氣體。上述 過(guò)程中，碳納米管陣列中的氣體逸出至碳納米管陣列遠(yuǎn)離基片的一端，在碳 納米管陣列遠(yuǎn)離基片的一端形成氣泡，在氣泡的表面張力作用下，碳納米管 陣列遠(yuǎn)離基片的一端中的碳納米管被擠到一邊壓實(shí)，從而在碳納米管陣列遠(yuǎn) 離基片的一端中形成蜂窩煤狀的間隙，該間隙尺寸為2微米-300微米。
其中，上述抽真空為采用水循環(huán)真空泵抽真空，所述抽真空處理的時(shí)間 為10分鐘-60分鐘。所述進(jìn)行超聲波處理的時(shí)間為10分鐘-60分鐘。
步驟三、將上述基片從溶劑中取出后烘干處理，形成碳納米管復(fù)合材料 預(yù)制件。
所述烘干處理為放入真空干燥箱中烘干，目的在于使碳納米管陣列中的 溶劑蒸發(fā)。所述烘干處理的溫度為4(TC-5(TC,所述烘干處理所用的時(shí)間為 10-60分鐘。
所制備的碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件包括一基片及一碳納米管陣列形成 于該基片，其中，該碳納米管陣列遠(yuǎn)離基片的一端碳納米管之間的間隙大于 靠近基片的一端碳納米管之間的間隙。其中，上述碳納米管陣列遠(yuǎn)離基片的 一端碳納米管之間的間隙尺寸為2微米-300微米；上述碳納米管陣列靠近基 片的一端碳納米管之間的間隙尺寸為1納米-100納米。上述碳納米管復(fù)合材 料預(yù)制件中的碳納米管的直徑為l納米-100納米，長(zhǎng)度為l微米-500微米。 本技術(shù)方案碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件中的碳納米管有序排列，具有出色的物 理性能，易于處理并適用于各種領(lǐng)域，例如電子材料、導(dǎo)熱材料、光學(xué)材 料、催化劑材料、磁性材料、吸附過(guò)濾材料、紡織服裝材料等。若將上述碳 納米管復(fù)合材料預(yù)制件與金屬或高分子材料復(fù)合，如將熔融態(tài)的金屬或高分 子材料滲入到本技術(shù)方案所提供的碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件中，由于熔融態(tài) 的金屬或高分子材料從遠(yuǎn)離基片的一端滲入碳納米管陣列，而碳納米管陣列 遠(yuǎn)離基片的一端碳納米管之間的間隙較大，該間隙尺寸為2微米-300微米， 故金屬或高分子材料可較容易地滲入到碳納米管陣列中，從而制備出性能更 加優(yōu)異的復(fù)合材料。
以下將提供碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件的制備方法的具體實(shí)施例。
實(shí)施例一
首先，提供一碳納米管陣列形成于一基片，基片的長(zhǎng)與寬均為l厘米； 將上述形成有碳納米管陣列的基片置于濃度為25%的雙氧水溶劑中；將上述 雙氧水溶液用水循環(huán)真空泵進(jìn)行抽真空處理20分鐘；將上述基片取出后放 入真空干燥箱中烘干，形成碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件，上述碳納米管復(fù)合材 料預(yù)制件遠(yuǎn)離基片的一端、與碳納米管軸向平行的剖面以及靠近基片的一端 的表面形貌請(qǐng)參見(jiàn)圖2、圖3及圖4。從圖2中可以看出，碳納米管復(fù)合材 料預(yù)制件遠(yuǎn)離基片的一端碳納米管之間的間隙尺寸為10微米-30微米；從圖 3及圖4中可以看出，碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件中碳納米管陣列遠(yuǎn)離基片的 一端中碳納米管之間的較大間隙沒(méi)有貫穿到底。
實(shí)施例二
首先，提供一碳納米管陣列形成于一基片，基片的長(zhǎng)與寬均為l厘米； 將上述形成有碳納米管陣列的基片置于水中；將上述溶液用水循環(huán)真空泵進(jìn) 行抽真空處理40分鐘；將上述基片取出后放入真空干燥箱中烘干，形成碳 納米管復(fù)合材料預(yù)制件，上述碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件遠(yuǎn)離基片的一端的表 面形貌參見(jiàn)圖5,從圖5中可以看出，上述碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件遠(yuǎn)離基 片的一端碳納米管之間的間隙尺寸為15微米-30微米。
實(shí)施例三
首先，提供一碳納米管陣列形成于一基片，基片的長(zhǎng)與寬均為l厘米； 將上述形成有碳納米管陣列的基片置于乙醇溶劑中；將上述乙醇溶液用水循 環(huán)真空泵進(jìn)行抽真空處理60分鐘；將上述基片取出后放入真空干燥箱中烘 干，形成碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件，上述碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件的遠(yuǎn)離基 片的一端的表面形貌參見(jiàn)圖6，從圖6中可以看出，碳納米管復(fù)合材料預(yù)制 件遠(yuǎn)離基片的一端碳納米管之間的間隙尺寸約為300微米。
實(shí)施例四
首先，提供一碳納米管陣列形成于一基片，基片的長(zhǎng)與寬均為l厘米； 將上述形成有碳納米管陣列的基片置于濃度為25%的雙氧水溶劑中，將上述 雙氧水溶液進(jìn)行超聲波處理30分鐘；將上述基片取出后放入真空干燥箱中 烘干，形成碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件，上述碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件的遠(yuǎn)離 基片的一端的表面形貌參見(jiàn)圖7，從圖7中可以看出，碳納米管復(fù)合材料預(yù)
制件遠(yuǎn)離基片的一端碳納米管之間的間隙尺寸為2微米-5微米。
實(shí)施例五
首先，提供一碳納米管陣列形成于一基片，基片的長(zhǎng)與寬均為l厘米； 將上述形成有碳納米管陣列的基片置于水中浸泡40分鐘；將上述基片取出 后放入真空干燥箱中烘干，形成碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件，上述碳納米管復(fù) 合材料預(yù)制件遠(yuǎn)離基片的一端的表面形貌參見(jiàn)圖8，從圖8中可以看出，碳 納米管復(fù)合材料預(yù)制件遠(yuǎn)離基片的一端碳納米管之間的間隙尺寸為10微米 -200微米。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本技術(shù)方案實(shí)施例中碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件及其制 備方法具有以下優(yōu)點(diǎn)其一，本技術(shù)方案所提供的碳納米管復(fù)合材料預(yù)制中 碳納米管陣列遠(yuǎn)離基片的一端碳納米管之間的間隙較大，該間隙尺寸為2微 米-300微米，因而易與其它材料復(fù)合以形成碳納米管陣列復(fù)合材料；其二， 本技術(shù)方案所提供的碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件的制備方法對(duì)碳納米管陣列 的形態(tài)影響較小，碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件中的碳納米管保持有序排列；其 三，上述制備方法工藝簡(jiǎn)單、成本低、周期短、易于實(shí)現(xiàn)。
另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本技術(shù)方案精神內(nèi)作其它變化，當(dāng)然這些 依據(jù)本技術(shù)方案精神所作的變化，都應(yīng)包含在本技術(shù)方案所要求保護(hù)的范圍 內(nèi)。
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權(quán)利要求
1. 一種碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件，其包括一基片及一碳納米管陣列形成于該基片，其特征在于，該碳納米管陣列遠(yuǎn)離基片的一端碳納米管之間的間隙大于靠近基片的一端碳納米管之間的間隙。
2. 如權(quán)利要求1所述的碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件，其特征在于，所述碳納 米管陣列遠(yuǎn)離基片的一端碳納米管之間的間隙尺寸為2微米-300微米。
3. 如權(quán)利要求1所述的碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件，其特征在于，所述碳納 米管陣列靠近基片的一端碳納米管之間的間隙尺寸為1納米-100納米。
4. 如權(quán)利要求1所述的碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件，其特征在于，所述碳納 米管陣列中的石友納米管的直徑為l納米-100納米，長(zhǎng)度為l孩i米-500凝: 米。
5. 如權(quán)利要求1所述的碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件的制備方法，包括以下步 驟提供一碳納米管陣列形成于一基片；將上述形成有碳納米管陣列的基片置于一溶劑中 一段時(shí)間；以及 將上述基片取出后烘干處理，形成碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件。
6. 如權(quán)利要求5所述的碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件的制備方法，其特征在于， 所述溶劑為水、乙醇或雙氧水溶液。
7. 如權(quán)利要求5所述的碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件的制備方法，其特征在于， 將所述形成有碳納米管陣列的基片置于 一溶劑中后，可進(jìn)一 步包括一抽 真空過(guò)程。
8. 如權(quán)利要求5所述的碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件的制備方法，其特征在于， 將所述形成有碳納米管陣列的基片置于一溶劑中后，可進(jìn)一步包括一超 聲波處理過(guò)程。
9. 如權(quán)利要求7所述的碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件的制備方法，其特征在于， 所述的抽真空為采用水循環(huán)真空泵抽真空。
10. 如權(quán)利要求7所述的碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件的制備方法，其特征在于， 抽真空的時(shí)間為10分鐘-60分鐘。
11. 如權(quán)利要求5所述的碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件的制備方法，其特征在于， 烘干處理為在真空干燥箱中烘干。
12.如權(quán)利要求5所述的碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件的制備方法，其特征在于， 所述碳納米管陣列的形成方法為化學(xué)氣相沉積法或激光燒蝕法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件及其制備方法，該碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件包括一基片及一碳納米管陣列形成于該基片，其中，該碳納米管陣列遠(yuǎn)離基片的一端碳納米管之間的間隙大于靠近基片的一端碳納米管之間的間隙。該碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件的制備方法包括以下步驟提供一碳納米管陣列形成于一基片；將上述形成有碳納米管陣列的基片置于一溶劑中一段時(shí)間；將上述基片取出后烘干處理，形成碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件。本發(fā)明所提供的碳納米管復(fù)合材料預(yù)制件中碳納米管之間具有較大的間隙，且制備方法工藝簡(jiǎn)單、成本低、周期短、易于實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)C01B31/02GK101376497SQ20071007674
公開(kāi)日2009年3月4日 申請(qǐng)日期2007年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月31日
發(fā)明者劉長(zhǎng)洪, 湲 姚, 姜開(kāi)利, 張長(zhǎng)生, 戴風(fēng)偉, 郭海周 申請(qǐng)人:清華大學(xué);鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司