專利名稱：碳納米管結(jié)構(gòu)的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳納米管結(jié)構(gòu)的制備方法。
背景技術(shù)：
碳納米管(Carbon Nanotube, CNT)是一種由石墨烯片卷成的中空管狀物，其具有 優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)及電學(xué)性質(zhì)，因此具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。由于單根碳納米管的尺寸為納 米級，難于進(jìn)行加工，為便于實際應(yīng)用，人們嘗試將多個碳納米管作為原材料，制成具有較 大尺寸的宏觀結(jié)構(gòu)。該宏觀結(jié)構(gòu)由多個碳納米管組成，可以是膜狀、線狀或其它形狀?，F(xiàn) 有技術(shù)中一般將由多個碳納米管組成的宏觀膜狀結(jié)構(gòu)稱為碳納米管膜(Carbon Nanotube Film)，將由多個碳納米管組成的宏觀線狀結(jié)構(gòu)稱為碳納米管線(Carbon Nanotube Wire) 或碳納米管線纜(Carbon Nanotube Cable)。姜開利等人于2008年8月20日公告的第CN100411979C號中國發(fā)明專利說明書 中揭露了一種從碳納米管陣列中直接拉取獲得的碳納米管繩，這種碳納米管繩具有宏觀尺 度且能夠自支撐，其包括多個在范德華力作用下首尾相連的碳納米管。由于該碳納米管繩 中碳納米管基本沿同一方向排列，因此該碳納米管繩能夠較好的發(fā)揮碳納米管軸向具有的 導(dǎo)電及導(dǎo)熱等各種優(yōu)異性質(zhì)，具有極為廣泛的應(yīng)用前景。另外，與上述拉取碳納米管繩相似 地，可從碳納米管陣列中拉取一碳納米管膜?，F(xiàn)有技術(shù)中的碳納米管陣列一般采用化學(xué)氣相沉積法生長獲得，具體為將一平整 的圓形硅片作為基底，一表面形成一催化劑薄膜，放置于反應(yīng)爐中加熱，并通入碳源氣及保 護(hù)氣體，該碳源氣在硅片表面的催化劑作用下分解，并在硅片表面生長獲得平面圓形的碳 納米管陣列。目前用于生長碳納米管陣列的反應(yīng)爐通常為管式反應(yīng)爐。由于在上述生長過 程中，管式反應(yīng)爐內(nèi)的氣壓小于爐外的大氣壓力，管式反應(yīng)爐的爐壁將承受向內(nèi)的壓力，使 該管式反應(yīng)爐的內(nèi)徑難以做到很大。一般地，當(dāng)管式反應(yīng)爐的直徑為10英寸，長度為2米， 內(nèi)部氣壓為10托(Torr)時，內(nèi)外壁壓力差為5萬牛頓。而當(dāng)管式反應(yīng)爐的直徑增加到40 英寸時，內(nèi)外壁壓力差可達(dá)到20萬牛頓。并且，當(dāng)直徑增加時，由于管式反應(yīng)爐的爐壁曲率 下降，其支撐作用也會減弱，使管式反應(yīng)爐的穩(wěn)定性和使用壽命受到影響。因此，當(dāng)采用圓形硅片作為基底在管式反應(yīng)爐內(nèi)生長碳納米管陣列時，該圓形硅 片的最大直徑受到管式反應(yīng)爐內(nèi)的直徑的限制，使生長于其上的碳納米管陣列的最大直徑 亦受到限制，從而使從該圓形硅片生長的碳納米管陣列中拉取的碳納米管結(jié)構(gòu)的尺寸，如 碳納米管膜的寬度、面積或碳納米管繩的長度受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，確有必要提供一種能夠獲得尺寸較大的碳納米管結(jié)構(gòu)的制備方法?！N碳納米管結(jié)構(gòu)的制備方法，其包括以下步驟提供一筒狀碳納米管陣列；采 用一拉伸工具與該筒狀碳納米管陣列接觸，從該筒狀碳納米管陣列中選定一碳納米管片 段；以及沿該筒狀碳納米管陣列的徑向方向移動該拉伸工具遠(yuǎn)離該筒狀碳納米管陣列，拉取該選定的碳納米管片段，從而形成一碳納米管結(jié)構(gòu)，該碳納米管結(jié)構(gòu)一端連接該拉伸工 具，另一端連接該筒狀碳納米管陣列，在拉伸過程中，在所述碳納米管結(jié)構(gòu)與該筒狀碳納米 管陣列的連接處，該筒狀碳納米管陣列的切面與該碳納米管結(jié)構(gòu)成一角度，該角度大于等 于0度，小于等于60度。相較于現(xiàn)有技術(shù)，由于該碳納米管陣列為筒狀，因此在相同的現(xiàn)有反應(yīng)爐中制備 的該筒狀碳納米管陣列比平面碳納米管陣列具有更大的尺寸，使從中拉取獲得的碳納米管 結(jié)構(gòu)也具有更大的尺寸。


圖1是本發(fā)明第一實施例中從筒狀碳納米管陣列中拉伸獲得一碳納米管膜的過 程示意圖。圖2是本發(fā)明第一實施例形成于圓形筒狀體外周面的筒狀碳納米管陣列垂直于 筒狀體軸向的剖視示意圖。圖3是本發(fā)明第一實施例形成于具有開口的圓形筒狀體外周面的筒狀碳納米管 陣列垂直于筒狀體軸向的剖視示意圖。圖4是本發(fā)明第一實施例形成于具有導(dǎo)角的矩形筒狀體外周面的筒狀碳納米管 陣列垂直于筒狀體軸向的剖視示意圖。圖5是本發(fā)明第一實施例形成于具有開口和導(dǎo)角的矩形筒狀體外周面的筒狀碳 納米管陣列垂直于筒狀體軸向的剖視示意圖。圖6是本發(fā)明第一實施例一碳納米管片段的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是本發(fā)明第一實施例非扭轉(zhuǎn)的碳納米管線的掃描電鏡照片。圖8是本發(fā)明第一實施例扭轉(zhuǎn)的碳納米管線的掃描電鏡照片。圖9是本發(fā)明第一實施例碳納米管膜的掃描電鏡照片。圖10是本發(fā)明第二實施例從具有螺旋形帶狀子碳納米管陣列中拉伸獲得一碳納 米管線的過程示意圖。主要元件符號說明
碳納米管結(jié)構(gòu)100,200
筒狀碳納米管陣列120，120a,120b,120c,220
凹槽22
基底140，140a,140b,140c,240
開口142
碳納米管片段143
圓角144
碳納米管14具體實施例方式以下將結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明實施例碳納米管結(jié)構(gòu)的制備方法。請參閱圖1至圖6，本發(fā)明第一實施例提供一種碳納米管結(jié)構(gòu)100的制備方法，其 包括以下步驟
步驟一提供一筒狀碳納米管陣列120。步驟二 采用一拉伸工具與該筒狀碳納米管陣列120接觸，從該筒狀碳納米管陣 列120中選定一碳納米管片段143。步驟三使該拉伸工具沿該筒狀碳納米管陣列120的徑向方向移動，并遠(yuǎn)離該筒 狀碳納米管陣列120拉取該選定的碳納米管片段143，從而形成一碳納米管結(jié)構(gòu)100，該碳 納米管結(jié)構(gòu)100—端連接該拉伸工具，另一端連接該筒狀碳納米管陣列120，在拉伸過程 中，在所述碳納米管結(jié)構(gòu)100與該筒狀碳納米管陣列120的連接處，該筒狀碳納米管陣列 120的切面與該碳納米管結(jié)構(gòu)100成一角度。下面分別對各步驟展開說明。首先對步驟一進(jìn)一步說明。該筒狀碳納米管陣列120是通過化學(xué)氣相沉積法形成 于一基底140表面，優(yōu)選為超順排的筒狀碳納米管陣列120。本實施例中，該超順排筒狀碳 納米管陣列120的制備方法具體包括(a)提供一基底140，該基底140包括至少一柱面；(b)在該基底140的所述至少一柱面上均勻形成一催化劑層；(c)將上述形成有催化劑層的基底140在300°C 900°C的空氣中退火約30分 鐘 90分鐘；以及(d)將基底140置于反應(yīng)爐中，在保護(hù)氣體環(huán)境下加熱到400°C 900°C，然后通入 碳源氣體反應(yīng)約5分鐘 30分鐘，生長得到超順排的筒狀碳納米管陣列120。該基底140為筒狀體，其外周面可形成所述柱面，其中該柱面可為圓柱面、橢圓柱 面或具有導(dǎo)角的棱柱面，該棱柱面包括三棱柱面或四棱柱面等；可進(jìn)一步在筒狀體外周面 筒壁沿筒狀體軸向設(shè)置長條狀開口，該長條狀開口平行于筒狀體的軸向，從而形成軸向具 有開口的柱面，此時該筒狀體的橫截面呈未封閉的圓、橢圓或者圓角多邊形等，為方便描 述，將設(shè)有開口(未封閉)和未設(shè)有開口(封閉)的這兩種情況統(tǒng)稱為筒狀體。具體地，請 參閱圖2，在本實施例中，該基底140是截面為圓形的筒狀體，所述碳納米管陣列120形成于 該筒狀體的外周面，從而形成一筒狀碳納米管陣列120。請參閱圖3，該基底140a可以為具 有一平行于筒狀體軸向的開口 142的未封閉筒狀體，該筒狀體的橫截面為未封閉的圓形。 所述碳納米管陣列120a形成于該未封閉筒狀體的外周面，形成一未封閉的筒狀碳納米管 陣列120a，即該未封閉的筒狀碳納米管陣列120a包括一平行于該筒狀碳納米管陣列120a 軸向的開口。請參閱圖4，該基底140b也可以是截面為矩形的筒狀體，該矩形具有圓角144。 所述碳納米管陣列120b形成于該筒狀體的外周面，形成一封閉的筒狀碳納米管陣列120b。 請參閱圖5，該基底140c還可以為具有一平行于筒狀體軸向的開口 142的未封閉筒狀體，該 筒狀體的截面為未封閉的圓角矩形。所述碳納米管陣列120c形成于該未封閉筒狀體的外 周面，形成一未封閉的筒狀碳納米管陣列120c，即該未封閉的筒狀碳納米管陣列120c包括 一平行于該筒狀碳納米管陣列軸向的開口?？梢岳斫?，所述基底不限于上述形狀，該基底的 截面也可是橢圓或者具有圓角的其他多邊形等。該基底也可以包括但不限于以下形狀，從而得到所述柱面該基底可為柱狀體 (實心體)，該柱狀體外周面形成所述柱面，其中，與上述筒狀體相似，該柱狀體的橫截面可 以是圓、橢圓或者圓角多邊形，也可進(jìn)一步在柱狀體外周面沿軸向設(shè)置長條狀溝槽，從而形 成軸向具有缺口的柱面，此時該柱狀體的橫截面呈未封閉的圓、橢圓或者圓角多邊形等。
6
該基底可選用石英基底、耐高溫玻璃基底、P型或N型硅基底，金屬基底、或選用形 成有氧化層的硅基底，本實施例中，該基底140優(yōu)選為一具有較為平滑表面的石英管。該催化劑層材料可選用鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)或其任意組合的合金之一，優(yōu)選 為約5納米厚的鐵催化劑層。該催化劑層可形成在該石英管的外周面。當(dāng)所述反應(yīng)爐為管式反應(yīng)爐時，該基底140可沿管式反應(yīng)爐的軸向設(shè)置于該管式 反應(yīng)爐內(nèi)，即該基底140的軸線方向平行于管式反應(yīng)爐的軸線方向。進(jìn)一步地，可通過一支 架支撐該基底140的兩端，該支架可使該基底140懸于該反應(yīng)爐內(nèi)并可繞該基底140的軸 線方向原位旋轉(zhuǎn)。該碳源氣可選用乙炔、乙烯、乙烷等，優(yōu)選為乙炔等化學(xué)性質(zhì)較活潑的碳 氫化合物，保護(hù)氣體可選用氮氣、氨氣或惰性氣體。該筒狀碳納米管陣列120包括多個碳納米管，其中，大多數(shù)碳納米管基本彼此平 行且垂直于該基底140表面。該筒狀碳納米管陣列120的頂面為與該基底140表面平行的 柱面。通過上述控制生長條件，該筒狀碳納米管陣列120中基本不含有雜質(zhì)，如無定型碳或 殘留的催化劑金屬顆粒等。該筒狀碳納米管陣列120中的碳納米管彼此通過范德華力緊密 接觸形成陣列。該筒狀碳納米管陣列120的生長面積可以與上述基底140面積基本相同。 該筒狀碳納米管陣列120中的碳納米管可以至少包括單壁碳納米管、雙壁碳納米管及多壁 碳納米管中的一種。該筒狀碳納米管陣列120中碳納米管的高度為2微米 10毫米，優(yōu)選 為100 900微米。該碳納米管的直徑為1 50納米。其次，對步驟二進(jìn)一步說明，請參閱圖6，在該步驟中，該碳納米管片段143由該筒 狀碳納米管陣列120中的一個或相鄰的多個碳納米管145組成，該多個碳納米管145通過 范德華力相互作用。該拉伸工具用于選定并拉取該碳納米管片段143。該拉伸工具可以為 鑷子、夾子、膠帶或表面具有黏膠的硬質(zhì)基條。該選定所述碳納米管片段143的過程可以是 采用鑷子或夾子夾取筒狀碳納米管陣列120中的部分碳納米管145，或者是采用膠帶或基 條的黏膠接觸該筒狀碳納米管陣列120。具體地，所述拉伸工具可直接沿平行于所述筒狀碳納米管陣列120的軸線方向選 定所述碳納米管片段143，請參閱圖3，當(dāng)該筒狀碳納米管陣列120a具有一開口時，所述拉 伸工具可從該筒狀碳納米管陣列120a靠近開口的邊緣處沿平行于所述筒狀碳納米管陣列 120a的軸線方向選定所述碳納米管片段，從而避免有不參與后續(xù)拉伸的碳納米管粘結(jié)到拉 伸工具上，降低所拉伸獲得的碳納米管結(jié)構(gòu)100的質(zhì)量。當(dāng)該拉伸工具選定的碳納米管片段143的寬度與所述筒狀碳納米管陣列120的軸 長度(沿平行于基底140的軸線方向的尺寸)相同時，該拉伸工具可在后續(xù)拉伸的步驟之 后獲得一具有固定寬度的碳納米管膜或固定直徑的碳納米管線。最后，對步驟三進(jìn)一步說明。所述徑向指垂直于筒狀碳納米管陣列120軸向的方 向。具體地，該拉伸工具沿該筒狀碳納米管陣列120的徑向方向移動的過程中，由于相鄰的 碳納米管之間存在相互的范德華力作用，從而使多個碳納米管首尾相連地被連續(xù)拉出，即 該碳納米管結(jié)構(gòu)100中的碳納米管連續(xù)不斷地從該筒狀碳納米管陣列120中拉出，進(jìn)而形 成一連續(xù)的碳納米管結(jié)構(gòu)100。另外，由于所述基底140可活動且可繞其軸向原位旋轉(zhuǎn)，因 此當(dāng)所述拉伸工具在外力的作用下逐漸移動時，所述基底140也可在外力的作用下同時繞 其軸向原位旋轉(zhuǎn)以補償筒狀碳納米管陣列120中碳納米管的消耗，從而在筒狀碳納米管陣 列120中的碳納米管逐漸脫離所述基底140。另外，若所述基底140固定不能旋轉(zhuǎn)，則所述拉伸工具可在拉伸過程中隨著碳納米管逐漸脫離所述基底140的同時繞該基底140逐漸調(diào) 整拉伸位置以確保補償所述筒狀碳納米管陣列120的消耗。該碳納米管結(jié)構(gòu)100可以為一 碳納米管膜或一碳納米管線。該形成的碳納米管結(jié)構(gòu)100是碳納米管線還是碳納米管膜由 該拉伸工具選定的碳納米管片段143的寬度決定。此外，在拉伸過程中，在所述碳納米管結(jié)構(gòu)100與該筒狀碳納米管陣列120的連接 處，該筒狀碳納米管陣列120的切面與該碳納米管結(jié)構(gòu)100需成一角度，該角度可大于等于 0度，小于等于60度，優(yōu)選為大于0度小于等于15度，本實施例中，該角度為15度。具體 為，如果該角度為0°，所拉出的碳納米管結(jié)構(gòu)100容易與所述筒狀碳納米管陣列120的生 長基底140接觸，由于生長基底140可能殘留有催化劑或無定形碳，這些雜質(zhì)會吸附到碳納 米管結(jié)構(gòu)上影響該碳納米管結(jié)構(gòu)的質(zhì)量；若角度太大，碳納米管結(jié)構(gòu)中碳納米管片段之間 的范德華力會變小，使得碳納米管片斷結(jié)合不牢固，容易破裂。以下將分別就該形成碳納米管線及碳納米管膜的兩種情況進(jìn)行具體介紹。當(dāng)該選定的碳納米管片段的寬度較窄時，可形成一碳納米管線。具體地，當(dāng)該拉伸 工具沿該筒狀碳納米管陣列120的徑向方向拉取該碳納米管片段時，與該選定的碳納米管 片段相鄰的碳納米管片段通過范德華力的作用被首尾相連地不斷從筒狀碳納米管陣列120 中拉出并形成一碳納米管線。另外，當(dāng)所選定的碳納米管片段的寬度較寬時，通過拉伸可形成一寬度較窄的碳 納米管膜，為形成一碳納米管線，該過程可進(jìn)一步包括采用一有機溶劑處理該寬度較窄的 碳納米管膜，使該碳納米管膜中的碳納米管迅速在聚攏形成所述碳納米管線。本實施例具 體為使該碳納米管膜通過該有機溶劑浸潤并匯聚成碳納米管線后使該有機溶劑揮發(fā)。該有 機溶劑為揮發(fā)性有機溶劑，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本實施例中采用乙醇。請 參閱圖7和圖8，在揮發(fā)性有機溶劑揮發(fā)時產(chǎn)生的表面張力的作用下，該碳納米管膜中的碳 納米管通過范德華力聚攏，從而形成一非扭轉(zhuǎn)的碳納米管線102。該形成碳納米管線的過程還可進(jìn)一步包括扭轉(zhuǎn)所述碳米管膜，從而使所述碳納米 管膜扭轉(zhuǎn)成一扭轉(zhuǎn)的碳納米管線，具體可在移動所述拉伸工具的同時，使該拉伸工具繞拉 伸工具的移動方向旋轉(zhuǎn)該拉伸工具，從而使碳納米管膜也隨之旋轉(zhuǎn)，從而形成一扭轉(zhuǎn)的碳 納米管線。該碳納米管線包括多個碳納米管通過范德華力首尾相連。具體地，該碳納米管線 包括多個連續(xù)且定向排列的碳納米管片段。該多個碳納米管片段通過范德華力首尾相連。 每一碳納米管片段包括多個相互平行的碳納米管，該多個相互平行的碳納米管通過范德華 力緊密結(jié)合。該碳納米管片段具有任意的長度、厚度、均勻性及形狀。該碳納米管線長度不 限，直徑與所形成的筒狀碳納米管陣列120的軸長度有關(guān)，當(dāng)該筒狀碳納米管陣列120的軸 長度為400寸時，該碳納米管線的直徑可達(dá)300微米。請參閱圖7，當(dāng)該碳納米管線為非扭 轉(zhuǎn)的碳納米管線時包括多個基本平行于所述碳納米管線長度方向排列的碳納米管。請參閱 圖8，當(dāng)該碳納米管線為扭轉(zhuǎn)的碳納米管線時包括多個繞該碳納米管線軸向螺旋排列的碳 納米管。當(dāng)選定的碳納米管片段的寬度較寬時，可形成一碳納米管膜。具體地，當(dāng)該拉伸工 具沿該筒狀碳納米管陣列120的徑向方向拉取該碳納米管片段時，一連續(xù)的碳納米管膜便 從碳納米管陣列中拉出。
請參閱圖9，所述碳納米管膜是由若干碳納米管組成的自支撐結(jié)構(gòu)。所述若干碳納 米管為沿同一方向擇優(yōu)取向排列。所述擇優(yōu)取向是指在碳納米管膜中大多數(shù)碳納米管的整 體延伸方向基本朝同一方向。而且，所述大多數(shù)碳納米管的整體延伸方向基本平行于碳納 米管膜的表面。進(jìn)一步地，所述碳納米管膜中多數(shù)碳納米管是通過范德華力首尾相連。具體 地，所述碳納米管膜中基本朝同一方向延伸的大多數(shù)碳納米管中每一碳納米管與在延伸方 向上相鄰的碳納米管通過范德華力首尾相連。當(dāng)然，所述碳納米管膜中存在少數(shù)隨機排列 的碳納米管，這些碳納米管不會對碳納米管膜中大多數(shù)碳納米管的整體取向排列構(gòu)成明顯 影響。所述自支撐為碳納米管膜不需要大面積的載體支撐，而只要相對兩邊提供支撐力即 能整體上懸空而保持自身膜狀狀態(tài)，即將該碳納米管膜置于(或固定于)間隔一定距離設(shè) 置的兩個支撐體上時，位于兩個支撐體之間的碳納米管膜能夠懸空保持自身膜狀狀態(tài)。所 述自支撐主要通過碳納米管膜中存在連續(xù)的通過范德華力首尾相連延伸排列的碳納米管 而實現(xiàn)。具體地，所述碳納米管膜中基本朝同一方向延伸的多數(shù)碳納米管，并非絕對的直 線狀，可以適當(dāng)?shù)膹澢?；或者并非完全沿延伸方向排列，可以適當(dāng)?shù)钠x延伸方向。因此，不 能排除碳納米管膜的基本朝同一方向延伸的多數(shù)碳納米管中并列的碳納米管之間可能存 在部分接觸。具體地，請參閱圖6，所述碳納米管膜包括多個連續(xù)且定向排列的碳納米管片段 143。該多個碳納米管片段143通過范德華力首尾相連。每一碳納米管片段143包括多個 相互平行的碳納米管145，該多個相互平行的碳納米管145通過范德華力緊密結(jié)合。該碳納 米管片段143具有任意的長度、厚度、均勻性及形狀。該碳納米管膜中的碳納米管145沿同 一方向擇優(yōu)取向排列。所述碳納米管膜的厚度為0. 5納米 100微米，最大寬度與所述筒 狀碳納米管陣列120的軸長度相等。該碳納米管膜106的比表面積大于100平方米每克。 該碳納米管膜具有較好的透光性，可見光透過率可以達(dá)到75%以上。請參閱圖10，本發(fā)明第二實施例提供一種碳納米管結(jié)構(gòu)200的制備方法，該方法 具體包括以下步驟步驟一提供一筒狀碳納米管陣列220。步驟二 預(yù)處理該筒狀碳納米管陣列220，使在該筒狀碳納米管陣列220的表面形 成至少一凹槽22，該至少一凹槽22可將該筒狀碳納米管陣列分割成至少一子碳納米管陣 列。步驟三采用一拉伸工具接觸該子碳納米管陣列，從該子碳納米管陣列中選定一 寬度與該子碳納米管陣列的寬度相同的碳納米管片段。步驟四使拉伸工具沿該筒狀碳納米管陣列220的徑向方向移動并遠(yuǎn)離該筒狀碳 納米管陣列220，拉取該選定的碳納米管片段，從而形成一碳納米管結(jié)構(gòu)200，該碳納米管 結(jié)構(gòu)200 —端連接該拉伸工具，另一端連接該子碳納米管陣列，在拉伸過程中，在所述碳納 米管結(jié)構(gòu)200與該子碳納米管陣列的連接處，該筒狀碳納米管陣列的切面與該碳納米管結(jié) 構(gòu)構(gòu)成一角度，該角度大于等于0度，小于等于60度。下面分別對各步驟展開說明。本實施例中的步驟一與步驟四與上述第一實施例的步驟一與步驟三完全相同，在 此將不再贅述以下將僅對步驟二和步驟三進(jìn)行說明。CN 102092703 A
說明書
7/9頁首先，對步驟二進(jìn)一步說明。本實施例中，為獲得實際需求尺寸的碳納米管結(jié)構(gòu)200，可將所述筒狀碳納米管陣 列220分割成至少一個具有一預(yù)定尺寸的子碳納米管陣列。即可根據(jù)實際需要碳納米管結(jié) 構(gòu)200的尺寸，將碳納米管陣列220分割成具有預(yù)定尺寸的子碳納米管陣列，從該具有預(yù)定 尺寸的子碳納米管陣列中便可拉伸出所述實際需求尺寸的碳納米管結(jié)構(gòu)200。具體地，采用 激光刻蝕的方法在所述筒狀碳納米管陣列220的表面加工形成至少一凹槽22，該至少一凹 槽22可將所述筒狀碳納米管陣列220分割成至少一個子碳納米管陣列，該子碳納米管陣列 具有一預(yù)定尺寸。如所形成的至少一凹槽22沿該筒狀碳納米管陣列220的軸向螺旋延伸， 從而將該筒狀碳納米管陣列220分割成至少一呈連續(xù)的螺旋形纏繞在基底240表面的帶狀 子碳納米管陣列，或者該至少一凹槽環(huán)繞該筒狀碳納米管陣列220，從而將該筒狀碳納米管 陣列220分割成至少兩個筒狀碳納米管子陣列。形成所述呈螺旋形的帶狀子碳納米管陣列的方法具體為S101,固定筒狀碳納米管陣列220連同基底M0。S102，提供一可移動的激光器。所述激光器包括固體激光器、液體激光器、氣體激光器或半導(dǎo)體激光器。本實施例 中，所述激光器為二氧化碳激光器。所述激光器的移動方法不限，可以通過外力移動激光器 使其按照一定路徑移動，也可以通過其它方法移動激光器。本實施例中，該二氧化碳激光器 的激光束的照射路徑通過電腦過程控制，將確定好筒狀碳納米管陣列220中所需要形成的 螺旋帶的圖形和位置等數(shù)據(jù)輸入電腦程序中。S103，移動該激光器使激光束照射該筒狀碳納米管陣列220，使筒狀碳納米管陣列 220中被激光處理過的部分形成一凹槽22，該凹槽22在所述筒狀碳納米管陣列220上沿該 筒狀碳納米管陣列220的軸向螺旋延伸。經(jīng)過上述激光處理，凹槽22處碳納米管的高度小于100微米。且該凹槽22可使 中間未被激光處理的筒狀碳納米管陣列220也被分割成具有一定寬度的呈連續(xù)的螺旋形 纏繞在基底240表面的帶狀子碳納米管陣列。上述被形成的呈螺旋形的帶狀子碳納米管陣列的寬度可通過控制由凹槽22構(gòu)成 的螺旋線的螺旋角大小加以控制。本實施例中，所述呈螺旋形的帶狀子碳納米管陣列寬度 為1英寸。所采用的激光束為波長為1064納米的紅光激光束、波長為10640納米的二氧化碳 激光束或波長為532納米的綠光激光束。所述激光束的掃描速度為50毫米/秒至150毫 米/秒。所述激光束的功率密度優(yōu)選地為5X IO7瓦/平方米至5X IO9瓦/平方米。本實 施例中，采用波長為IOM納米的紅外激光束，該紅外激光束的掃描速度為100毫米/秒，功 率密度為IX IO8瓦/平方米。激光照射過程中，由于激光束所具有的高能量被碳納米管吸收，產(chǎn)生的高溫將處 于激光照射路徑處的碳納米管全部或部分燒蝕，從而在筒狀碳納米管陣列220中形成預(yù)定 深度和距離的凹槽22。激光處理后碳納米管的高度會降低，當(dāng)被激光處理后的碳納米管的 高度小于100微米時，則該部分碳納米管就無法參與后續(xù)的拉伸過程。以拉伸獲得一碳納 米管膜為例，即只要被激光處理后的碳納米管的高度小于100微米，就可保證所制備的碳 納米管膜具有一致的寬度。但若要所制備的碳納米管膜不僅寬度一致，且碳納米管膜中碳納米管的密度分布均勻，則凹槽22處被處理后的碳納米管的高度不可太低，其應(yīng)大于1微 米。這是因為，在后續(xù)的拉膜步驟中，只有凹槽22處的碳納米管具有一定高度才可保持對 與其相鄰的碳納米管的范德華力的作用。因此在拉膜過程中，與凹槽22相鄰的碳納米管的 消耗速度同不與凹槽22相鄰的碳納米管消耗速度基本相同，從而保證所得的膜的寬度一 致性以及碳納米管膜中碳納米管的均勻性。如果凹槽22處的碳納米管高度太低，該凹槽22 中碳納米管對與其相鄰的并未被激光處理的碳納米管就會沒有范德華力作用，因此，與凹 槽22相鄰的碳納米管的消耗速度將大于不與凹槽22相鄰的碳納米管消耗速度。如此在拉 膜過程中使筒狀碳納米管陣列220中消耗碳納米管的邊界線呈弧形，則使所制備的碳納米 管膜不僅寬度不一致，而碳納米管膜中碳納米管的密度也不一致。因此，通過控制激光的功 率以及掃描速度等參數(shù)以使激光處理過的凹槽22中的碳納米管的高度范圍為1-100微米。 優(yōu)選地，凹槽22中的碳納米管的高度為50-100微米。本實施例中，所述凹槽22中的碳納 米管的高度為100微米。所述凹槽22的寬度優(yōu)選的大于筒狀碳納米管陣列220中碳納米管的高度。這是 因為，在拉膜過程中，位于凹槽22的另一側(cè)的碳納米管有可能傾倒從而跨過凹槽22的間隙 參與到位于螺旋狀凹槽22之間的碳納米管的拉膜過程中。這將會導(dǎo)致獲取的碳納米管膜 的寬度不一致。本實施例中，碳納米管陣列中的碳納米管的高度為200微米，因此控制凹槽 22的寬度為250微米?？梢岳斫?，該采用激光處理筒狀碳納米管陣列220的制備方法還可以為固定激光 裝置，移動筒狀碳納米管陣列220使激光照射該筒狀碳納米管陣列220的方法，其具體包括 以下步驟提供一固定的激光器，該激光器在一固定區(qū)域形成一激光掃描區(qū)；使筒狀碳納 米管陣列220連同基底MO以一定的速度經(jīng)過該激光掃描區(qū)，使筒狀碳納米管陣列220表 面形成一由凹槽22構(gòu)成的螺旋線。此外，也可在該筒狀碳納米管陣列220的表面刻蝕兩條以上由凹槽22構(gòu)成的相互 間隔且平行排列的螺旋線，形成兩個以上的螺旋形帶狀子碳納米管陣列，從而可在該處理 后的碳納米管陣列上同時拉出兩個以上的碳納米管結(jié)構(gòu)。所述將筒狀碳納米管陣列220采用激光刻蝕的方法刻蝕成多個具有固定軸長度 的圓筒形的子碳納米管陣列與上述方法基本相同，在此將不再贅述。其次，對步驟三進(jìn)一步說明。具體地，該步驟中，本實施例與第一實施例的區(qū)別在于，在第一實施例中，若拉伸 工具選擇的碳納米管片段143的寬度小于所述基底140的長度時，雖然初始被選定的碳納 米管片段143的寬度一定，然而由于在拉伸過程中所選定的碳納米管片段143的邊緣處的 碳納米管與其附近的碳納米管之間存在范德華力，因此在拉伸過程中，這些與選定的碳納 米管片段143中的碳納米管相鄰的碳納米管也會由于范德華力的相互作用而陸續(xù)被拉出， 從而使得碳納米管膜的寬度并不等于所選定的碳納米管片段143的寬度，或碳納米管線也 并不具有固定的直徑。而是在拉伸過程中，碳納米管膜的寬度或碳納米管線的直徑逐漸增 大。為獲得具有固定寬度的碳納米管膜或固定直徑的碳納米管線，上述第一實施例 可采用拉伸工具直接選定一寬度與筒狀碳納米管陣列120的軸向長度相同的碳納米管片 段。而本實施例中可采用所述拉伸工具在該呈螺旋形帶狀子碳納米管陣列上選定一寬度與該螺旋形帶狀子碳納米管陣列寬度相同的碳納米管片段，或在上述被加工成的多個具有固 定軸長度的圓筒形子碳納米管陣列的其中之一個中選定一寬度與該加工后的圓筒形子碳 納米管陣列軸長度相同的碳納米管片段，從而在拉伸過程中拉伸獲得一具有固定寬度的碳 納米管膜和具有固定直徑的碳納米管線，可見，本實施例中，可根據(jù)實際需要碳納米管結(jié)構(gòu) 200的尺寸，將碳納米管陣列220分割成具有預(yù)定尺寸的子碳納米管陣列，從該具有預(yù)定尺 寸的子碳納米管陣列中拉伸出所述實際需求尺寸的碳納米管結(jié)構(gòu)200。由于本發(fā)明的基底包括柱面，用于生長碳納米管陣列，其具有較大的表面積，與平 面基底比較，在相同的反應(yīng)爐中，可充分利用反應(yīng)爐內(nèi)的空間，生長出較大尺寸的碳納米管 陣列，從而使從該碳納米管陣列中拉取獲得的碳納米管膜具有較大的面積，尤其軸向全尺 寸拉取膜時可以獲得較大的具有固定尺寸的膜，可以用于制備大尺寸的產(chǎn)品，而拉取獲得 的碳納米管線具有較大的直徑或長度。另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)做其他變化，當(dāng)然，這些依據(jù)本發(fā)明精 神所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種碳納米管結(jié)構(gòu)的制備方法，其包括以下步驟提供一筒狀碳納米管陣列；采用一拉伸工具與該筒狀碳納米管陣列接觸，從該筒狀碳納米管陣列中選定一碳納米 管片段；以及沿該筒狀碳納米管陣列的徑向方向移動該拉伸工具遠(yuǎn)離該筒狀碳納米管陣列，拉取該 選定的碳納米管片段，從而形成一碳納米管結(jié)構(gòu)，該碳納米管結(jié)構(gòu)一端連接該拉伸工具，另 一端連接該筒狀碳納米管陣列，在拉伸過程中，在所述碳納米管結(jié)構(gòu)與該筒狀碳納米管陣 列的連接處，該筒狀碳納米管陣列的切面與該碳納米管結(jié)構(gòu)成一角度，該角度大于等于0 度，小于等于60度。
2.如權(quán)利要求1所述的碳納米管結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，該碳納米管片段由該 筒狀碳納米管陣列中的一個或相鄰的多個碳納米管組成。
3.如權(quán)利要求1所述的碳納米管結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述筒狀碳納米管陣 列的制備方法包括以下步驟提供一基底，所述基底包括至少一柱面；在所述基底的至少一柱面上均勻形成一催化劑層；以及采用化學(xué)氣相沉積法在該基底的至少一柱面上形成一筒狀碳納米管陣列。
4.如權(quán)利要求3所述的碳納米管結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，該柱面為圓柱面、橢圓 柱面或具有導(dǎo)角的棱柱面。
5.如權(quán)利要求3所述的碳納米管結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，該基底為金屬基底、石 英基底、耐高溫玻璃基底、P型硅基底、N型硅基底或形成有氧化層的硅基底。
6.如權(quán)利要求3所述的碳納米管結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，該基底為一實心柱體 或筒狀體，該實心柱體或筒狀體的外周面形成所述柱面。
7.如權(quán)利要求6所述的碳納米管結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，該筒狀體具有一平行 于筒狀體軸向的開口，所述選定的碳納米管片段位于該筒狀體的開口的邊緣處。
8.如權(quán)利要求3所述的碳納米管結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述被選定的碳納米 管片段的寬度為所述柱面的軸向的長度。
9.如權(quán)利要求1所述的碳納米管結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述筒狀碳納米管陣 列包括多個基本相互平行的碳納米管，該碳納米管的高度為100微米 900微米。
10.如權(quán)利要求9所述的碳納米管結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，該筒狀碳納米管陣列 進(jìn)一步經(jīng)過預(yù)處理，在該筒狀碳納米管陣列表面形成至少一凹槽。
11.如權(quán)利要求10所述的碳納米管結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述筒狀碳納米管 陣列表面形成有至少一凹槽沿該筒狀碳納米管陣列的軸向螺旋延伸，該至少一凹槽將該筒 狀碳納米管陣列分割成至少一呈連續(xù)的螺旋形纏繞在基底表面的帶狀子碳納米管陣列。
12.如權(quán)利要求11所述的碳納米管結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，采用所述拉伸工具 選定所述螺旋形帶狀子碳納米管陣列中的一碳納米管片段，該碳納米管片段的寬度等于該 螺旋形帶狀子碳納米管陣列的寬度。
13.如權(quán)利要求10所述的碳納米管結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述筒狀碳納米管 陣列表面形成有至少一個凹槽環(huán)繞該筒狀碳納米管陣列，該至少一個凹槽將所述筒狀碳納 米管陣列分割成至少兩個筒狀子碳納米管陣列。
14.如權(quán)利要求10所述的碳納米管結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述凹槽處碳納米 管的高度為0 100微米。
15.如權(quán)利要求10所述的碳納米管結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述預(yù)處理該筒狀 碳納米管陣列的方法為激光刻蝕法。
16.如權(quán)利要求1所述的碳納米管結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述采用拉伸工具拉 伸形成一碳納米管結(jié)構(gòu)的過程中，所述基底原位旋轉(zhuǎn)以補償所述筒狀碳納米管陣列中碳納 米管的消耗。
17.如權(quán)利要求1所述的碳納米管結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，所述碳納米管結(jié)構(gòu)為 碳納米管膜或碳納米管線。
18.如權(quán)利要求17所述的碳納米管結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，該方法進(jìn)一步包括 采用一有機溶劑處理所述碳納米管膜，使該碳納米管膜中的碳納米管聚攏形成所述碳納米管線。
19.如權(quán)利要求17所述的碳納米管結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，該方法進(jìn)一步包括 扭轉(zhuǎn)所述碳納米管膜，從而拉伸形成一扭轉(zhuǎn)的碳納米管線。
全文摘要
一種碳納米管結(jié)構(gòu)的制備方法，其包括以下步驟提供一筒狀碳納米管陣列；采用一拉伸工具與該筒狀碳納米管陣列接觸，從該筒狀碳納米管陣列中選定一碳納米管片段；以及沿該筒狀碳納米管陣列的徑向方向移動該拉伸工具遠(yuǎn)離該筒狀碳納米管陣列，拉取該選定的碳納米管片段，從而形成一碳納米管結(jié)構(gòu)，該碳納米管結(jié)構(gòu)一端連接該拉伸工具，另一端連接該筒狀碳納米管陣列，在拉伸過程中，在所述碳納米管結(jié)構(gòu)與該筒狀碳納米管陣列的連接處，該筒狀碳納米管陣列的切面與該碳納米管結(jié)構(gòu)成一角度，該角度大于等于0度，小于等于60度。
文檔編號C01B31/02GK102092703SQ20091025064
公開日2011年6月15日 申請日期2009年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月11日
發(fā)明者馮辰, 劉亮 申請人:北京富納特創(chuàng)新科技有限公司