本發(fā)明涉及復(fù)合材料的制備領(lǐng)域，具體地，涉及一種對碳納米管纖維進行鍍鎳的方法。

背景技術(shù)：

在現(xiàn)有技術(shù)中，通常需要利用電化學(xué)鍍鎳的方法在碳納米管纖維上鍍鎳膜。但是，這種方法鍍鎳時，容易造成污染，并且，鎳膜并不是很致密。

因此，如何以環(huán)保的方式對碳納米管纖維進行鍍鎳成為本發(fā)明亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種對碳納米管纖維鍍膜的方法，該方法可以在碳納米管纖維的表面形成致密的金屬膜，并且鍍膜的過程中不會對環(huán)境造成污染。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種對碳納米管纖維鍍鎳的方法，包括：

S1、利用酸溶液對所述碳納米管纖維進行清洗處理；

S2、對至少經(jīng)過步驟S1的碳納米管纖維進行預(yù)熱處理；

S3、將經(jīng)過步驟S2的碳納米管纖維纏繞在繞絲架上后設(shè)置在濺射腔內(nèi)，所述繞絲架包括多個間隔設(shè)置的繞絲桿，相鄰兩匝碳納米管纖維之間存在間隔；

S4、以金屬鎳為靶材在預(yù)定溫度下對纏繞在所述繞絲架上的碳納米管纖維進行濺射鍍膜，其中，所述靶材和所述繞絲架之間存在相對轉(zhuǎn)動。

優(yōu)選地，在所述步驟S4中，所述靶材設(shè)置在所述繞絲架外部，所述繞絲架繞自身軸線轉(zhuǎn)動，且設(shè)置多個所述靶材，多個所述靶材環(huán)繞所述繞絲架設(shè)置。

優(yōu)選地，在步驟S2中，預(yù)熱處理的溫度在100℃至200℃之間，預(yù)熱時間在0.5h至3h之間。

優(yōu)選地，所述方法還包括在步驟S1和步驟S2之間進行的：

利用超聲振蕩法對經(jīng)過步驟S1的碳納米管纖維進行清洗，清洗液包括乙醇。

優(yōu)選地，在步驟S4中，磁控濺射持續(xù)的時間在1h至3h之間，所述預(yù)定溫度在200℃至400℃之間。

優(yōu)選地，步驟S4包括：

S41、分別將所述靶材和纏繞有碳納米管纖維的繞絲架設(shè)置在所述濺射腔內(nèi)后，對所述濺射腔進行抽真空直至第一預(yù)定氣壓；

S42、對所述濺射腔進行加熱至所述預(yù)定溫度；

S43、開啟射頻電源，并且所述射頻電源的開啟持續(xù)時間在1h至2h之間。

優(yōu)選地，所述第一預(yù)定氣壓為10^-2Pa至10^-1Pa之間。

優(yōu)選地，在步驟S42中，利用感應(yīng)加熱的方式對所述濺射腔進行加熱。

優(yōu)選地，所述酸溶液包括濃度在1mol/L至5mol/L之間的硝酸。

優(yōu)選地，所述步驟S1的處理時間在10min至30min之間。

在本發(fā)明所提供的方法中，經(jīng)過步驟S1之后，碳納米管纖維的內(nèi)殘存的催化劑顆粒被去除，經(jīng)過步驟S2之后，碳納米管纖維中的無定形碳被分解，從而有利于步驟S4中鎳粒子沉積在碳納米管纖維的表面。在將碳納米管纖維設(shè)置在繞絲架上時，由于相鄰兩匝碳納米管纖維之間存在間隙，因此，由磁控管轟擊產(chǎn)生的鎳粒子能夠穿過相鄰兩匝碳納米管纖維之間的間隙到達碳納米管纖維不朝向靶材的表面上。并且，在步驟S4中，靶材與繞絲架之間存在相對轉(zhuǎn)動，從而可以確保纏繞在繞絲架上的碳納米管纖維可以均勻地鍍膜。在本發(fā)明中，鎳粒子以物理氣相沉積的方式沉積在碳納米管纖維的表面，不會產(chǎn)生有害氣體或有害液體，因此，本發(fā)明所提供的方法更加環(huán)保。

附圖說明

圖1是繞絲架的示意圖；

圖2是纏繞有碳納米管纖維的繞絲架和靶材之間的相對位置示意圖；

圖3是圖2的俯視圖；

圖4是本發(fā)明用到的納米管纖維的掃描圖片，放大倍數(shù)為150倍；

圖5是實施例1獲得的鍍鎳碳納米管纖維的掃描圖片，放大倍數(shù)為500倍；

圖6是實施例1獲得的鍍鎳碳納米管纖維的掃描圖片，放大倍數(shù)為3500倍；

圖7是實施例2獲得的鍍鎳碳納米管纖維的掃描圖片，放大倍數(shù)為125倍；

圖8是實施例2獲得的鍍鎳碳納米管纖維的掃描圖片，放大倍數(shù)為472倍。

附圖標記說明

100：繞絲架 110：繞絲桿

120：轉(zhuǎn)軸 200：碳納米管纖維

300：靶材

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行詳細說明。應(yīng)當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。

本發(fā)明提供一種對碳納米管纖維鍍膜的方法，其中，所述方法包括：

S1、利用酸溶液對所述碳納米管纖維進行清洗處理；

S2、對至少經(jīng)過步驟S1的碳納米管纖維進行預(yù)熱處理；

S3、將經(jīng)過步驟S2的碳納米管纖維200纏繞在繞絲架100上后設(shè)置在濺射腔內(nèi)，繞絲架100包括多個間隔設(shè)置的繞絲桿110，相鄰兩匝碳納米管纖維200之間存在間隔；

S4、以金屬鎳為靶材300，在預(yù)定溫度下對纏繞在繞絲架100上的碳納米管纖維200進行濺射鍍膜，其中，靶材300和繞絲架100之間存在相對轉(zhuǎn)動。

在本發(fā)明中，對獲得碳納米管纖維的方法并不做特殊的限定。例如，可以利用陣列紡絲法制備碳納米管纖維。在制備碳納米管纖維時，會用到催化劑鐵，催化劑殘留在纖維內(nèi)部會影響纖維的質(zhì)量，在步驟S1中，利用酸溶液(例如，硝酸或稀鹽酸等強酸)對碳納米管纖維進行處理可以去除碳納米管纖維中殘留的催化劑，從而可以提高碳納米管纖維的質(zhì)量。

經(jīng)過步驟S2之后，碳納米管纖維中的無定形碳被分解，從而有利于步驟S4中金屬沉積在碳納米管纖維的表面。需要指出的是，步驟S4是在磁控濺射設(shè)備的濺射腔內(nèi)進行的。

圖1中所示的是繞絲架100的具體結(jié)構(gòu)，如圖所示，該繞絲架100包括間隔設(shè)置的繞絲桿110，因此，碳納米管纖維與繞絲桿的接觸面積比較小。由于相鄰兩匝碳納米管纖維之間存在間隙，因此，由磁控管轟擊產(chǎn)生的鎳粒子能夠穿過相鄰兩匝碳納米管纖維之間的間隙到達碳納米管纖維不朝向靶材300的表面上。

并且，在步驟S3中，靶材300與繞絲架100之間存在相對轉(zhuǎn)動，從而可以確保纏繞在繞絲架上的碳納米管纖維可以均勻地鍍膜。在本發(fā)明中，鎳粒子以物理氣相沉積的方式沉積在碳納米管纖維的表面，不會產(chǎn)生有害氣體或有害液體，因此，本發(fā)明所提供的方法更加環(huán)保。并且，經(jīng)過步驟S1和步驟S2之后，碳納米管纖維內(nèi)不存在無定形碳和催化劑，可以提高最終活的的鍍鎳碳納米管纖維的導(dǎo)電性能。

為了便于設(shè)置，優(yōu)選地，可以將靶材300設(shè)置在繞絲架100的外部，并且，繞絲架100繞自身軸線轉(zhuǎn)動。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式，靶材300可以固定設(shè)置在濺射腔內(nèi)。

如圖1和圖2中所示，繞絲架100還可以包括轉(zhuǎn)軸120，可以將轉(zhuǎn)軸120安裝在濺射設(shè)備的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)上，以帶繞絲架100轉(zhuǎn)動。繞絲架100轉(zhuǎn)動的速度優(yōu)選在2r/min至10r/min之間。

在步驟S1中，使用的酸溶液可以包括濃度在1mol/L至5mol/L之間。

進一步優(yōu)選地，在步驟S1中，可以將碳納米管纖維浸泡在硝酸中，浸泡的時間可以在10min至30min之間。

在步驟S2中所述的“至少經(jīng)過步驟S1”是指，在經(jīng)過步驟S1之后，可以直接進行步驟S2，也可以對經(jīng)過步驟S1之后，再進行其他的步驟，經(jīng)過該其他步驟之后，再進行步驟S2。

例如，優(yōu)選地，所述方法還包括在步驟S1和步驟S2之間進行的：

利用超聲振蕩法對經(jīng)過步驟S1的碳納米管纖維進行清洗，清洗液包括乙醇。

清洗液可以為無水乙醇，也可以是乙醇水溶液。

超聲振蕩法指的是，將碳納米管纖維放入設(shè)置有清洗液的容器中，然后利用超聲波裝置對清洗液進行振蕩，從而可以將碳納米管纖維上附著的雜質(zhì)除去。具體地，利用超聲振蕩法對經(jīng)過步驟S1的碳納米管纖維進行清洗的步驟包括：

將經(jīng)過步驟S1的碳納米纖維管纖維放入盛放有清洗液的容器中；

將上述容器放置在超聲波振蕩設(shè)備上，利用超聲波振蕩法對碳納米管纖維進行清洗，清洗時間在2min-10min之間。

在本發(fā)明中，對靶材的數(shù)量并沒有特殊的限制。靶材的具體數(shù)量主要取決于碳納米管纖維表面的鎳膜的厚度。如果希望在碳納米管纖維的表面獲得厚度相對較大的鎳膜，那么可以設(shè)置數(shù)量相對較多的靶材；如果希望在碳納米管纖維的表面獲得厚度相對較薄的鎳膜，則可以設(shè)置數(shù)量相對較少的靶材。

并且，為了在碳納米管纖維的表面濺射形成的鎳膜厚度均勻，并且提高濺射效率，優(yōu)選地，在所述步驟S4中，可以設(shè)置多個靶材300，該多個靶材300環(huán)繞繞絲架100設(shè)置。優(yōu)選地，每個靶材300對應(yīng)一個磁控裝置，從而使得多個靶材300可以各自獨立地控制。操作者可以根據(jù)具體的工藝要求選擇發(fā)揮作用的靶材的數(shù)量。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式，可以設(shè)置6個靶材，每個靶材都沿繞絲架100的軸向從繞絲架100的一端延伸至繞絲架100的另一端。優(yōu)選地，應(yīng)當確保繞絲架上纏繞有碳納米管纖維的區(qū)域的長度不超過靶材的長度。

如上文中所述，在本發(fā)明中，進行碳納米管纖維進行預(yù)熱的目的就在于分解碳納米管纖維中的無定形碳，優(yōu)選地，在步驟S2中，預(yù)熱處理的溫度在100℃至200℃之間之間，預(yù)熱處理持續(xù)的時間在0.5h至3h之間，從而既可以確保碳納米管纖維中的無定形碳可以徹底分解并揮發(fā)，又可以防止因預(yù)熱溫度過高而對碳納米管纖維造成損傷。需要指出的是，步驟S2并不是在濺射腔室內(nèi)進行的，而是在真空熱處理爐中進行。

在濺射時，磁控濺射設(shè)備的射頻電源頻率主要取決于靶材的成分。在本發(fā)明中，所述靶材是鎳靶材，優(yōu)選地，所述射頻電源的功率優(yōu)選在0.5KW至1KW之間。

由于鎳具有良好的延展性和良好的導(dǎo)電性能，因此，在碳納米管纖維的表面鍍鎳膜之后，可以獲得導(dǎo)電性能良好、成膜均勻的復(fù)合材料，該復(fù)合材料適用于導(dǎo)線、電極等多種應(yīng)用中。

當射頻電源的功率設(shè)置在上述范圍內(nèi)時，既可以在碳納米管纖維的表面形成致密的鎳膜，又能夠降低整個濺射過程中的能耗，并且，還可以提高在碳納米管纖維表面鍍鎳的效率。

為了在碳納米管纖維的表面活的厚度均勻一致的鎳膜，優(yōu)選地，在步驟S4中，磁控濺射持續(xù)的時間在1h至3h之間。容易理解的是，磁控濺射持續(xù)的時間越長、獲得鎳膜厚度越大。優(yōu)選地，在步驟S3中，磁控濺射持續(xù)的時間不超過3個小時，從而可以防止碳納米管纖維上形成的鎳膜過厚脫落。

在本發(fā)明中，對濺射溫度并沒有特殊的規(guī)定，例如，在步驟S4中，所述預(yù)定溫度在200℃至400℃之間。當溫度在此范圍內(nèi)對碳納米管纖維的表面鍍鎳時，溫度越高，沉積成膜的速度越快。同樣地，所述預(yù)定溫度優(yōu)選不超過400℃，從而可以確保碳納米管纖維在濺射的過程中不會受到損傷。

在本發(fā)明中，為了防止濺射形成的鎳膜被氧化，可以在真空環(huán)境下進行濺射工藝。具體地，步驟S4可以包括：

S41、將所述靶材和纏繞有碳納米管纖維的繞絲架設(shè)置在所述濺射腔內(nèi)后，對所述濺射腔進行抽真空直至第一預(yù)定氣壓；

S42、對所述濺射腔進行加熱至所述預(yù)定溫度；

S43、開啟射頻電源，持續(xù)時間在1h至3h之間。

優(yōu)選地，所述第一預(yù)定氣壓在10^-2Pa至10^-1Pa之間。

濺射工藝完成后，關(guān)閉濺射電源，關(guān)閉加熱裝置，在濺射腔內(nèi)溫度低于30℃以后關(guān)閉真空系統(tǒng)，向濺射腔內(nèi)放入空氣至濺射腔內(nèi)壓力達到大氣壓，打開濺射腔，得到鍍鎳碳納米管纖維。

作為本發(fā)明的另一種優(yōu)選實施方式，可以向濺射腔內(nèi)通入保護氣體。該保護氣體不與碳納米管纖維反應(yīng)，也不與靶材反應(yīng)。例如，保護氣體可以是氬氣或氮氣，或者，保護氣體還可以是其他不要碳納米管以及靶材反應(yīng)的惰性氣體。在本實施方式中，步驟S4包括：

S41、將所述靶材和纏繞有碳納米管纖維的繞絲架設(shè)置在所述濺射腔內(nèi)后，對所述濺射腔進行抽真空直至第二預(yù)定氣壓，并向所述濺射腔內(nèi)通入惰性氣體，通入惰性氣體持續(xù)的時間在0.5h至3h之間；

S42、對所述濺射腔進行加熱至所述預(yù)定溫度；

S43、對所述濺射腔進行抽真空，直至所述第二預(yù)定氣壓

S44、開啟射頻電源，持續(xù)時間在1h至3h之間。

需要解釋的是，惰性氣體是指不與制成靶材的材料反應(yīng)的氣體。例如，當靶材為鎳時，惰性氣體可以為氬氣。

由于步驟S41中向濺射腔內(nèi)通入了惰性氣體，因此，可以將第二預(yù)定氣壓設(shè)置為比第一預(yù)定氣壓稍高的氣壓。例如，所述第二預(yù)定氣壓在3×10^-1Pa至5×10^-1Pa之間。

濺射工藝結(jié)束后，關(guān)閉濺射電源，關(guān)閉加熱裝置，在艙內(nèi)溫度低于30℃以后打開濺射腔的腔門，通入空氣，得到鍍鎳碳納米管纖維。

優(yōu)選地，在執(zhí)行步驟S42時，可以利用感應(yīng)加熱的方式對所述濺射腔進行加熱。從而可以促進金屬原子的橫向擴散，有利于形成致密、連續(xù)的鎳膜。當然，本發(fā)明并不限于此。

利用本發(fā)明所提供的方法對對碳納米管纖維鍍膜，可以在碳納米管纖維的表面形成表面光滑且致密的鎳膜。鍍有鎳膜的碳納米管纖維具有較好的導(dǎo)電性能，可以用作電極、導(dǎo)線等。

實施例

在本發(fā)明所提供的實施例中，濺射用到的濺射設(shè)備為沈陽科友真空技術(shù)有限公司公司提供的MS560D型號的磁控濺射設(shè)備，用到的靶材是北京冠金利新材料科技有限公司提供的高純無氧鎳質(zhì)靶材。碳納米管纖維為上述制備例中獲得的碳納米管纖維。熱處理爐為沈陽科友真空技術(shù)有限公司提供的VHA-446型號熱處理爐。

以下實施例中用到的碳納米管纖維如圖4所示，導(dǎo)電率為2×10⁴S/m。

實施例1

S1、將碳納米管纖維浸泡在濃度為1mol/L的硝酸中，浸泡時間為30min；

將經(jīng)過步驟S1的碳納米管纖維置入盛有無水乙醇的容器中，并將所述容器放置在超聲波設(shè)備上，開啟超聲波設(shè)備，持續(xù)時間3min；

S2、在熱處理爐中對碳納米管纖維進行預(yù)熱處理，加熱溫度為100℃，預(yù)熱時間為3h；

S3、將經(jīng)過步驟S2的碳納米管纖維200纏繞在繞絲架100上后設(shè)置在濺射腔內(nèi)，繞絲架100包括多個間隔設(shè)置的繞絲桿110，相鄰兩匝碳納米管纖維200之間存在20mm的間隔；

S4、將纏繞在繞絲架100上的碳納米管纖維200設(shè)置在濺射腔內(nèi)，以金屬鎳為靶材300，其中，濺射腔內(nèi)設(shè)置有6個靶材，6個靶材環(huán)繞繞絲架均勻設(shè)置，關(guān)閉濺射腔，對濺射腔進行抽真空，直至10^-1Pa，繞絲架100轉(zhuǎn)動速度為5r/min，將濺射腔加熱至300℃，加熱方式為感應(yīng)加熱，開啟射頻電源，功率為0.5KW，濺射持續(xù)1h；

S5、關(guān)閉濺射電源，關(guān)閉加熱裝置，當濺射腔內(nèi)溫度低于30℃以后關(guān)閉真空系統(tǒng)，向濺射腔內(nèi)放入空氣，至濺射腔內(nèi)壓力達到大氣壓，打開濺射腔，取出繞絲架，得到鍍鎳碳納米管纖維。

圖5中所示的是本實施例1中所得到的鍍鎳碳納米管纖維的掃描圖片，圖6是圖5的放大圖。從圖5和圖6可以看到，鎳膜致密且連續(xù)。經(jīng)測試，本實施例獲得的鍍鎳碳納米管纖維的電阻率為1×10⁶S/m。

實施例2

利用實施例1中所提供的方法制備鍍鎳碳納米管，不同之處在于，在步驟S1中，硝酸濃度為5mol/L，浸泡時間為10min，在步驟S4中，濺射腔加熱至350℃，射頻電源功率為1.0KW，濺射時間為2h。

圖7中所示的是本實施例2中所得到的鍍鎳碳納米管纖維的掃描圖片，圖8是圖7的放大圖。從圖7和圖8可以看到，鎳膜致密且連續(xù)。經(jīng)測試，本實施例獲得的鍍鎳碳納米管纖維的電阻率為3×10⁶S/m。

可以理解的是，以上實施方式僅僅是為了說明本發(fā)明的原理而采用的示例性實施方式，然而本發(fā)明并不局限于此。對于本領(lǐng)域內(nèi)的普通技術(shù)人員而言，在不脫離本發(fā)明的精神和實質(zhì)的情況下，可以做出各種變型和改進，這些變型和改進也視為本發(fā)明的保護范圍。