专利名称：一种高密度碳纳米管阵列的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种碳纳米管阵列的制备方法，尤其涉及一种高密度碳管阵 列的制备方法。
背景技术：
碳纳米管是九十年代初才发现的一种新型一维纳米材料。碳纳米管的特
殊结构决定了其具有特殊的性质，如高抗张强度和高热稳定性；随着碳纳米 管螺旋方式的变化，碳纳米管可呈现出金属性或半导体性等。由于碳纳米管 具有理想的一维结构以及在力学、电学、热学等领域优良的性质，其在材料 科学、化学、物理学等交叉学科领域已展现出广阔的应用前景，在科学研究 以及产业应用上也受到越来越多的关注。
比较成熟的制备碳纳米管的方法主要包括电弧放电法(Arc discharge)、 激光烧蚀法(Laser Ablation)及化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition, CVD)。其中，化学气相沉积法和前两种方法相比具有产量高、可控性强、 与现行的集成电路工艺相兼容等优点，利于工业上进行大规模合成，因此近 几年备受关注。
目前，采用CVD方法制备碳纳米管阵列的技术已经相当成熟，但是直 接生长得到的碳纳米管阵列受CVD方法生长的限制，在其阵列中碳纳米管 的密度基本上是确定的，无法任意调控。此外，该方法直接生长的碳纳米管 阵列中碳纳米管的密度在微观上看是较为松散的，碳纳米管之间的间距大于
碳纳米管自身直径的数倍，所制备的碳纳米管阵列的密度最大也只在io-2
克每立方厘米(g/cm"量级上。因此CVD方法直接生长的碳纳米管阵列中碳 纳米管的密度较低。这种密度较低的碳纳米管阵列在电子、导热等方面的性 质还不能达到比较理想的要求。
Don N.Futaba等人(请参见"Shape-engineerable and highly densely packed single-walled carbon nanotubes and their application as super-capacitor electrodes", Don N.Futaba et al" Nature Materials, vol 5， p987())利用收缩
效应把单壁碳纳米管收缩成高密度碳纳米管阵列，且证实了其所制备的高密 度单壁碳纳米管阵列，具有单个碳纳米管的固有特性，例如大的比表面积、 优异的柔韧性以及导电性等。高密度单壁碳纳米管阵列可应用于弹性加热器 和密闭能量存储器件的超级电容器的电极上，但是该方法制备的工序较复 杂。
因此，提供一种简单易行的制备高密度、均匀地定向排列的碳纳米管阵 列的制备方法是必要的。
发明内容
一种高密度碳纳米管阵列制备方法，包括提供一形成于一基底的碳纳 米管阵列；提供一高弹性薄膜；均匀拉伸上述的高弹性薄膜后，附着在上述 碳纳米管阵列上，同时对该高弹性薄膜均匀地施加压力；保持压力并收缩高 弹性薄膜，撤去压力后，分离碳纳米管阵列与高弹性薄膜，从而得到高密度 碳纳米管阵列。
与现有技术相比较，本发明所提供的高密度碳纳米管阵列的制备方法具 有以下优点其一，所述的制备方法筒单易行，易于用于实际生产；其二， 所制备的的高密度碳纳米管阵列中的碳纳米管均匀地定向排列，其密度可根 据需要控制为普通碳纳米管阵列密度的5-50倍。由于该碳纳米管阵列在电、 热等方面都有较好的特性，可以广泛地应用在催化电4及、电池电极、电》兹屏 蔽、导电材料、导热材料、发光材料以及复合材料等方面。
图1是本发明实施例高密度碳纳米管阵列的制备方法的流程示意图。 图2是本发明实施例高密度碳纳米管阵列的制备过程中碳纳米管阵列 随着高弹性薄膜收缩的形变示意图。
具体实施例方式
以下将结合附图详细说明本实施例高密度碳纳米管阵列的制备方法。 请参阅图l及图2,本实施例高密度碳纳米管阵列20的制备方法主要包
括以下步骤
步骤一提供一形成于一基底的碳纳米管阵列20,优选地，该阵列为超 顺排碳纳米管阵列。
本实施例中，碳纳米管阵列20的制备方法采用化学气相沉积法，其具 体步骤包括(a)提供一平整基底，该基底可选用P型或N型硅基底，或选 用形成有氧化层的硅基底，本实施例优选为釆用4英寸的硅基底；(b)在基 底表面均匀形成一催化剂层，该催化剂层材料可选用铁(Fe)、钴(Co)、镍 (Ni)或其任意组合的合金之一；(c)将上述形成有催化剂层的基底在 700 900。C的空气中退火约30分钟 90分钟；(d)将处理过的基底置于低压 反应炉中，大气压强约0.2托(Torr),在保护气体环境下加热到705°C ，然后 通入碳源气体反应约20分钟，生长得到碳纳米管阵列。该碳纳米管阵列为
成的碳纳米管长度较长，部分碳纳米管会相互缠绕。通过控制上述生长条件， 该超顺排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。本实施例中碳源气可选用乙炔等化学性质较活泼的碳氳化合物，保
护气体可选用氮气、氨气或惰性气体。可以理解的是，本实施例提供的碳纳 米管阵列不限于上述制备方法，所述的碳纳米管阵列包括单壁碳纳米管阵
列、双壁碳纳米管阵列或多壁碳纳米管阵列中的一种。
步骤二提供一高弹性薄膜30。
其中，高弹性薄膜30材料可以是高弹性的高分子聚合物中的一种，例 如硅橡胶、顺丁橡胶、天然橡胶、异戊橡胶或丁苯橡胶。本实施例中釆用的 高弹性薄膜30为硅橡胶薄膜。
步骤三均匀拉伸上述的高弹性薄膜30后，将拉伸后的高弹性薄膜30 附着在上述碳纳米管阵列20上，同时对该高弹性薄膜30均匀地施加压力。
其中，均匀拉伸上述的高弹性薄膜30为一维拉伸或者二维拉伸， 一维 拉伸为在高弹性薄膜30的长度或宽度方向上拉伸。二维拉伸为在高弹性薄 膜30的长度和宽度两个方向上同时拉伸。
本实施例中采用二维拉伸高弹性薄膜30。将高弹性薄膜30进行二维拉 伸后，直接将拉伸后的高弹性薄膜30附着在碳纳米管阵列20上，具体地， 将拉伸后的高弹性薄膜30附着在碳纳米管阵列20远离基底的一端，同时对
该高弹性薄膜30均勻地施加压力，以增加高弹性薄膜30和碳纳米管阵列20 之间的附着力。施加于上述的高弹性薄膜30的表面的压力的方向为垂直于 基底IO方向。上述的施加压力的大小不限，可根据实际需要进行选择，只 需保证对高弹性薄膜30均匀地施加压力。
步骤四保持压力并收缩高弹性薄膜30，撤去压力后，分离碳纳米管 阵列20和高弹性薄膜30，从而得到高密度碳纳米管阵列40。
收缩高弹性薄膜30时，碳纳米管阵列20随着高弹性薄膜30 —起均匀 收缩，由于高弹性薄膜30和碳纳米管阵列20之间的附着力大于碳纳米管阵 列20和基底IO的附着力，随着高弹性薄膜30的收缩，碳纳米管阵列20从 基底10上脱离；撤去压力后，将碳纳米管阵列20与高弹性薄膜30分离， 从而得到高密度碳纳米管阵列40。
其中，收缩高弹性薄膜30为 一维收缩高弹性薄膜30或者二维收缩高弹 性薄膜30。 一维收缩高弹性薄膜30为通过在高弹性薄膜的长度或宽度方向 上收缩高弹性薄膜30。 二维收缩高弹性薄膜30为通过在高弹性薄膜30的长 度和宽度两个方向上同时收缩高弹性薄膜30。本实施例采用二维收缩硅橡胶 薄膜。
其中，本实施例采用机械法将碳纳米管阵列20与高弹性薄膜30分离。 即对高弹性薄膜30施加一机械拉力，直接将高弹性薄膜30与碳纳米管阵列 20分离。由于碳纳米管阵列20中的碳纳米管间的密度高、结合力强，能够 使得碳纳米管阵列20自支撑而不散开，从而得到高密度碳纳米管阵列40。 还可釆用其它方法将碳纳米管阵列20与高弹性薄膜30分离。
所制备的高密度碳纳米管阵列40的密度可达到CVD法直接生长所得到 的碳纳米管阵列密度的5-50倍。
本实施例中获得的高密度碳纳米管阵列40，该高密度碳纳米管阵列40 中的碳纳米管均匀紧密地定向排列，密度为CVD法直接生长所得的碳纳米 管阵列20的15倍。本实施例可通过控制对碳纳米管阵列20进行的高弹性 薄膜30收缩程度的大小，进而控制所述的高密度碳纳米管阵列40的密度。
本实施例中高密度碳纳米管阵列的制备方法具有以下优点其一，所述 的制备方法简单易行，易于用于实际生产；其二，所制备的的高密度碳纳米管 阵列中的碳纳米管均匀地定向排列，其密度可根据需要控制为普通碳纳米管
阵列密度的5-50倍。由于该碳纳米管阵列在电、热等方面都有较好的特， 可以广泛地应用在催化电极、电池电极、电磁屏蔽、导电材料、导热材料、 发光材料以及复合材料等方面。
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。
权利要求
1.一种高密度碳纳米管阵列的制备方法，包括以下步骤提供一形成于一基底的碳纳米管阵列；提供一高弹性薄膜；均匀拉伸上述的高弹性薄膜后，附着在上述碳纳米管阵列上，同时对该高弹性薄膜均匀地施加压力；保持压力并收缩高弹性薄膜，撤去压力后，分离碳纳米管阵列与高弹性薄膜，从而得到高密度碳纳米管阵列。
2. 如权利要求1所述的高密度碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，所述 的高弹性薄膜材料为硅橡胶、顺丁橡胶、天然橡胶、异戊橡胶或丁苯橡胶。
3. 如权利要求1所述的高密度碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，所述 的均匀拉伸为 一维拉伸或者二维拉伸。
4. 如权利要求3所述的的高密度碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，所 述的一维拉伸为在上述的高弹性薄膜的长度或宽度方向上拉伸。
5. 如权利要求3所述的的高密度碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，所 述的二维拉伸为在上述的高弹性薄膜的长度和宽度两个方向上同时拉伸。
6. 如权利要求1所述的高密度碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，所述 的将高弹性薄膜附着在碳纳米管阵列上，其具体制备过程为将高弹性薄膜附 着在碳纳米管阵列远离基底的 一端。
7. 如权利要求1所述的高密度碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，所述 的施力口压力的方向为垂直于基底方向。
8. 如权利要求1所述的高密度碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，所述 的收缩高弹性薄膜为一维收缩高弹性薄膜或二维收缩高弹性薄膜。
9. 如权利要求8所述的高密度碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，所述 的一维收缩高弹性薄膜为通过在高弹性薄膜的长度或宽度方向上收缩高弹性薄膜。
10. 如权利要求8所述的高密度碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，所述 的二维收缩高弹性薄膜为通过在高弹性薄膜的长度和宽度两个方向上同时收 缩高弹性薄膜。
11. 如权利要求1所述的高密度碳纳米管阵列的制备方法，其特征在于，所述 的分离碳纳米管阵列和高弹性薄膜的方法为机械法。
全文摘要
一种高密度碳纳米管阵列制备方法，该方法包括以下步骤提供一形成于一基底的碳纳米管阵列；提供一高弹性薄膜；均匀拉伸上述的高弹性薄膜后，附着在上述碳纳米管阵列上，同时对该高弹性薄膜均匀地施加压力；保持压力并收缩高弹性薄膜，撤去压力后，分离碳纳米管阵列与高弹性薄膜，从而得到高密度碳纳米管阵列。该制备方法简单易行，所制备的碳纳米管阵列密度高且均匀地定向排列。
文档编号B82B3/00GK101353164SQ1007531
公开日1月28日 申请日期7月25日 优先权日7月25日
发明者刘长洪, 宋鹏程, 鼎 王, 范守善 申请人:清华大学;鸿富锦精密工业(深圳)有限公司
