專利名稱：一種碳納米管繩及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種碳納米管繩及其制造方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有生長碳納米管的方法(電弧放電法、激光沉積法與化學(xué)氣相沉積法等)所制造的碳納米管的長度一般進(jìn)能達(dá)到微米量級(jí)，從而限制了理論及實(shí)驗(yàn)上對(duì)超長碳納米管的研究。制造超長碳納米管是一個(gè)重點(diǎn)、難點(diǎn)，在理論與應(yīng)用方面具有重要意義。這里所指的“超長”是指碳納米管的長度達(dá)到十厘米量級(jí)。
2002年8月28日公開的一篇專利號(hào)為02100684的中國專利(申請(qǐng)人為清華大學(xué)，發(fā)明人為朱宏偉、徐才錄等)，提出采用立式浮動(dòng)催化裂解法制造單壁碳納米管的方法，所制得的碳納米管長度為幾厘米，最長可達(dá)20厘米，直徑可與人的頭發(fā)絲相當(dāng)。但該制造方法有以下缺陷，即由于受反應(yīng)器尺寸的限制，催化劑在反應(yīng)器里的停留時(shí)間不能過長，而且碳納米管的生長溫度較高，生長單壁碳納米管的溫度為1000℃左右。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種超長尺寸的碳納米管繩。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種在較低溫度下制造該碳納米管繩的方法。
本發(fā)明的碳納米管繩包括多個(gè)碳納米管束片段，每個(gè)碳納米管束片段具有大致相等的長度且每個(gè)碳納米管束片段由多個(gè)相互平行的碳納米管束構(gòu)成，其中，碳納米管束片段兩端通過范德華力相互連接。
本發(fā)明的另一目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，提供一平滑基底，將催化劑沉積于該基底上，將沉積有催化劑的基底在保護(hù)氣體存在下加熱至一特定溫度后通入碳源氣與保護(hù)氣體的混合氣體，控制該碳源氣的流速，使催化劑與環(huán)境的溫度差在50℃以上，控制該混合氣體的流速比，使碳源氣的分壓低于20％，反應(yīng)5～30分鐘，碳納米管陣列從基底長出。再從碳納米管陣列中選定一包括多個(gè)碳納米管束的碳納米管束片段，使用拉伸工具拉伸該碳納米管束片段，使碳納米管繩沿拉伸方向形成。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)該方法中制備碳納米管陣列的溫度較低；且碳納米管陣列的生長高度不需很高，僅需100微米左右，通過拉伸工具拉伸后可以得到幾十厘米甚至更長的碳納米管繩。

圖1是本發(fā)明方法制得的碳納米管陣列的SEM圖；圖2是本發(fā)明拉伸碳納米管陣列制造碳納米管繩的原理圖。
具體實(shí)施方式該制造碳納米管繩的方法可分為二個(gè)步驟1.制造碳納米管束陣列提供一平整光滑的基底，可選用p型或n型硅基底，本實(shí)施例中選用p型硅基底，其直徑為2inches，厚350微米。在基底上采用電子束蒸發(fā)法、熱沉積或?yàn)R射法等方法形成厚度為幾納米到幾百納米的金屬催化劑層，其中金屬催化劑可為鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)或其合金之一，優(yōu)選用鐵為催化劑，沉積厚度約為5nm。
而后將沉積有催化劑的基底在空氣中退火，退火溫度范圍為300～400℃，時(shí)間約為10h。之后基底被分割成許多矩形小塊，每一小塊放入一石英舟中，在保護(hù)氣體存在條件下，在反應(yīng)爐中加熱一段時(shí)間使其達(dá)到一預(yù)定溫度，一般為500～700℃，優(yōu)選為650℃。
再通入30sccm碳源氣與300sccm的保護(hù)氣體(如氬氣)5～30分鐘，制得高度約100微米的碳納米管束陣列，如圖1所示。
其中碳源氣為碳?xì)浠衔?，可為乙炔、乙烷等，?yōu)選用乙炔，該保護(hù)氣體為惰性氣體或氮?dú)狻?br> 為得到可拉制碳納米管繩的碳納米管束陣列，在制造碳納米管束陣列的過程中，必須滿足以下三個(gè)條件(1)基底平整光滑；(2)碳納米管陣列的生長速度快；(3)碳源氣的分壓要低。
生長碳納米管束陣列的基底平整光滑，可以使得位于基底表面的碳納米管生長得更密集，從而形成垂直于基底的碳納米管束陣列。
碳納米管陣列的生長速度快與碳源氣的分壓低可以有效地抑制無定形碳沉積在碳納米管的表面，從而減小碳納米管間的范德華力。因?yàn)闊o定形碳的沉積速度正比于碳源氣的分壓，可以通過調(diào)整碳源氣與保護(hù)氣體的流速比控制碳源氣的分壓。而碳納米管陣列的生長速度正比于催化劑與反應(yīng)爐的溫度差?？梢酝ㄟ^調(diào)整碳源氣的流速控制催化劑的溫度，而反應(yīng)爐的溫度可以直接控制。
在本實(shí)施例中，催化劑與反應(yīng)爐的最低溫度差控制為50℃，碳源氣的分壓要低于20％，最好是低于10％。
2.制造碳納米管繩從碳納米管陣列中選定一包括多個(gè)碳納米管束的碳納米管束片段，并使用拉伸工具拉伸該碳納米管束片段，使碳納米管繩沿拉伸方向形成。
如圖2所示，在拉伸過程中，碳納米管束片段在拉力的作用下沿拉力方向伸長的同時(shí)，碳納米管束片段兩端由于范德華力的作用而相互連接在一起，形成碳納米管繩。
拉伸所用的力的大小取決于所選碳納米管束片段的寬度該寬度越寬，所需要的力越大。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出0.1mN的力可以拉出200微米寬的碳納米管繩，而拉斷該碳納米管繩需要0.5mN的力。在本實(shí)施例中高度為100微米的碳納米管陣列可以拉出長30厘米、寬200微米的碳納米管繩。
用該方法制造的碳納米管繩包括多個(gè)從碳納米管陣列長出的碳納米管束片段，因此每個(gè)碳納米管束片段具有大致相等的長度且每個(gè)碳納米管束片段由多個(gè)相互平行的碳納米管束構(gòu)成，其中，碳納米管束片段兩端通過范德華力相互連接。
權(quán)利要求
1.一種碳納米管繩，包括多個(gè)碳納米管束片段，每個(gè)碳納米管束片段具有大致相等的長度且每個(gè)碳納米管束片段由多個(gè)相互平行的碳納米管束構(gòu)成；其中，碳納米管束片段兩端通過范德華力相互連接。
2.如權(quán)利要求1所述的碳納米管繩，其特征在于該碳納米管束包含多個(gè)碳納米管。
3.一種制造如權(quán)利要求1所述的碳納米管繩的方法，其包括以下步驟(1)提供一基底；(2)將催化劑沉積于該基底表面；(3)通入碳源氣與保護(hù)氣體的混合氣體使碳納米管陣列從基底上長出；(4)于碳納米管陣列中選定一包括多個(gè)碳納米管束的碳納米管束片段，并使用拉伸工具拉伸該碳納米管束片段，使碳納米管繩沿拉伸方向形成。其中，該基底為平整光滑的基底，催化劑與環(huán)境溫度差在50℃以上，碳源氣的分壓低于20％。
4.如權(quán)利要求3所述的制造碳納米管繩的方法，其特征在于基底為硅基底或具氧化層的硅基底。
5.如權(quán)利要求3所述的制造碳納米管繩的方法，其特征在于催化劑為鐵、鈷、鎳或其合金之一。
6.如權(quán)利要求3所述的制造碳納米管繩的方法，其特征在于催化劑與環(huán)境溫度的溫度差是通過控制碳源氣的流速實(shí)現(xiàn)的。
7.如權(quán)利要求3所述的制造碳納米管繩的方法，其特征在于碳源氣的分壓通過控制碳源氣與保護(hù)氣體的流速比實(shí)現(xiàn)的。
8.如權(quán)利要求7所述的制造碳納米管繩的方法，其特征在于該碳源氣分壓為10％。
9.如權(quán)利要求3所述的制造碳納米管繩的方法，其特征在于在通入碳源氣與保護(hù)氣體的混合氣體進(jìn)行反應(yīng)前將沉積有催化劑的基底在空氣中于300～400℃范圍內(nèi)退火10小時(shí)。
10.如權(quán)利要求9所述的碳納米管陣列生長方法，其特征在于退火后，通入混合氣體反應(yīng)之前還包括將基底在保護(hù)氣體作用下，預(yù)加熱到500～700℃
11.如權(quán)利要求10所述的碳納米管陣列生長方法，其特征在于基底的預(yù)加熱優(yōu)選溫度為650℃。
12.如權(quán)利要求7所述的制造碳納米管繩的方法，其特征在于該碳源氣為乙炔，該保護(hù)氣體為氬氣。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種碳納米管繩及其制造方法。該碳納米管繩包括多個(gè)碳納米管束片段，每個(gè)碳納米管束片段具有大致相等的長度且每個(gè)碳納米管束片段由多個(gè)相互平行的碳納米管束構(gòu)成，碳納米管束片段兩端通過范德華力相互連接。制造該碳納米管繩的方法包括以下步驟提供一平整光滑的基底，將催化劑層沉積于該基底表面，通入碳源氣與保護(hù)氣體的混合氣體使碳納米管陣列從基底上長出，于碳納米管陣列中選定一包括多個(gè)碳納米管束的碳納米管束片段，并使用拉伸工具拉伸該碳納米管束片段，使碳納米管繩沿拉伸方向形成。
文檔編號(hào)D01F9/127GK1483667SQ02134760
公開日2004年3月24日 申請(qǐng)日期2002年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月16日
發(fā)明者姜開利, 范守善, 李群慶 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司