專利名稱：增強的碳納米管線的制作方法
增強的碳納米管線技術(shù)領(lǐng)域所述技術(shù)一般涉及碳納米管(CNT)結(jié)構(gòu)，并且更具體地涉及用聚合 物涂敷的CNT線。
背景技術(shù)：
近來，碳納米管(CNT)技術(shù)由于其重要性能和應(yīng)用前景而引起了巨 大的關(guān)注。CNT的一些令人感興趣的特征是它們的電子、機械、光學(xué)和化 學(xué)特性，這使得它們在很多應(yīng)用中具有潛在用途。由于它們有用的特性， 所以CNT目前用于制造CNT制品如CNT線、纖維和束(strand )。然而，目前，CNT線在機械性上較弱，因此例如在施加外部機喊力時 易碎和容易破裂。這是由于形成CNT線的CNT通it^目對弱的范德華力彼 此粘附。因而，需要增加CNT線的機械強度以克服這種不足。此外，溫 度提高可導(dǎo)致CNT線的電阻增加。因此，需要開發(fā)限制這種電阻增加的 增強CNT線。發(fā)明內(nèi)容提供制造增強的CNT線的技術(shù)。在一個實施方案中，通過非限制性的 實施例，提供一種制造增強的CNT線的方法，包括提M屬尖端和CNT 膠體溶液，將金屬尖端浸入CNT膠體溶液，從CNT膠體溶液取出金屬尖 端以形成CNT線，和用聚合物涂敷CNT線的至少一部分。在另一個實施方案中， 一種處理器可讀存儲介質(zhì)存儲的指令(storing instruction),當(dāng)通過處理器執(zhí)行該存儲指令時，所述指令引起處理器控制 設(shè)備以實施包括以下步驟的方法將金屬尖端至少一部分浸入CNT膠體 溶液，從CNT膠體溶液取出金屬尖端以形成CNT線，和用聚合物涂敷 CNT線的至少一部分。提供該發(fā)明內(nèi)容來以筒化形式引入在以下具體實施方式
中進一步描述 概念的選擇。該發(fā)明內(nèi)容不意圖確認(rèn)要求保護的主題的關(guān)鍵特征或者基本特征，也不意圖用于限制要求保護的主題的范圍。


圖1是CNT線制造系統(tǒng)的一個說明性實施方案的示意圖。圖2顯示蝕刻的金屬尖端的一個說明性的實施方案。圖3是制造增強的CNT線的方法的一個說明性實施方案的流程圖。圖4是金屬尖端和CNT膠體溶液之間的界面的一個說明性實施方案的 示意圖。圖5顯示CNT線的圖像的一個說明性實施方案。圖6顯示由單壁碳納米管構(gòu)成的CNT線的一個說明性實施方案的示意 截面圖。圖7顯示CNT線的顯微圖像的一個說明性的實施方案。圖8顯示用聚合物涂敷的增強的CNT線的一個說明性實施方案的示意 截面圖。
具體實施方式
在以下詳細說明中，參考所述附圖，所述附圖構(gòu)成詳細說明的一部分。 在附圖中，除非上下文另有說明，否則相同的附圖標(biāo)記通常表示相同的元 件。在詳細說明、附圖和權(quán)利要求中的說明性的實施方案不是意圖限制。 可以釆用其它的實施方案，并且可以做出其它的改變，而沒有脫離本文提 出的主題的精神或范圍?？扇菀椎乩斫?，當(dāng)前公開的各方面如通常在本發(fā) 明中描述和在附圖中說明的各方面可以以各種不同的結(jié)構(gòu)來布置、替換、 組合和設(shè)計，所有這些顯然是可預(yù)期的并且構(gòu)成本公開的一部分。4^^開尤其針對涉及CNT的方法、設(shè)備、處理器可讀存儲介質(zhì)存儲的 指令以及系統(tǒng)。圖1是CNT線制造系統(tǒng)100的一個說明性實施方案的示意圖。如圖所 示，系統(tǒng)100包括左導(dǎo)向器102和右導(dǎo)向器104，每個均安^fc&底106 上。載物臺108可附著于左導(dǎo)向器102并且配置為通過電機(未顯示)的操作使其沿左導(dǎo)向器102基本上垂直地移動。容器110可置于栽物臺108 上，在其中包含CNT膠體溶液U2。容器110可由疏水材料諸如氟化乙烯 丙烯(以商標(biāo)Teflon銷售)、其它的PTFE (聚四氟乙烯)物質(zhì)等制成。右 導(dǎo)向器104上可安裝吊架114,使得吊架114可通過操作裝置116的操作 沿右導(dǎo)向器104基本上垂直地移動。吊架114可通過夾持器118懸掛金屬 尖端120，使得金屬尖端120可根據(jù)吊架114的移動而基本上垂直地向上 或向下移動。載物臺108和吊架114可配置為以相互協(xié)同的關(guān)系移動，由 此將金屬尖端120布置為至少部分浸入CNT膠體溶液112。系統(tǒng)100的上 述操作可以是自動化的而沒有任何操作者的介入。舉例來說，在一個實施 方案中，可通過在系統(tǒng)100中配置為執(zhí)行合適指令的處理器來控制所述操 作，并且可使用電機來驅(qū)動載物臺108、吊架114或二者。在一個實施方案中，CNT膠體溶液112可包含在溶劑中*的CNT 膠體。作為非限制性實例，CNT膠體溶液112中的CNT膠體的濃度可以 是從約0.05 mg/ml至約0.2 mg/ml?？赏ㄟ^首先純化CNT然后在溶劑中分 散所述純化的CNT制備CNT膠體溶液112?？赏╥t^酸溶液中的濕氧化 或通過干氧化來實施所述純化。溶劑可以是D丄(去離子)水、有機溶劑 如二甲基甲酰胺(DMF)、 二甲基亞砜(DMSO)、四氳呋喃(THF)等。 CNT可包括單壁納米管(SWNT)或多壁納米管(MWNT)。由于通過常 規(guī)工藝制造的納米管可包含雜質(zhì)，所以可在形成為膠體溶液之前對納米管 進行純化。或者，可直接購買并且使用純化的CNT來代替這樣未純化的 納米管以消除這種純化的需求。適合的純化方法可包括在硝酸(例如， 約2.51\1)中回流納米管并且在pH 10的水中用表面活性劑(例如，十二 烷M酸鈉)來使納米管再懸浮，然后用錯流過濾系統(tǒng)來過濾納米管。所 得純化的納米管懸浮液然后可通過過濾器(例如，聚四氟乙烯過濾器)。純化的CNT可以是可在溶劑中^t的粉末形式?？墒褂糜绊慍NT顆 粒濃度的各種^:技術(shù)中的任意一種，包括而不限于攪拌、混合等。在某 些實施方案中，可采用超聲處理來促進純化的CNT在整個溶劑中的介軟， 和/或可施加電場來使得純化的CNT M在整個溶劑中。CNT膠體溶液112 中的CNT的濃度可以是約0.05mg/ml。然而，可根據(jù)CNT線的期望規(guī)格 如直徑、長度等來改變濃度，使得較高濃度的CNT膠體溶液112可產(chǎn)生 具有較厚直徑的CNT線。圖2顯示金屬尖端120的一個說明性的實施方案，如圖所示，其在一個末端可具有尖銳的頂點202。尖銳的頂點202的銳度涉及金屬尖端120 的尖銳頂點202的曲率半徑，曲率半徑越小，尖端越尖銳。根據(jù)金屬尖端 120的設(shè)計要求，金屬尖端120可具有各種形狀的尖銳的頂點202。金屬尖 端120的尖銳的頂點202可具有約250 nm的半徑并且形成通常尖銳的圓 錐形狀。尖銳的頂點202的半徑可從數(shù)十納米變化至數(shù)百納米。在選擇用 于金屬尖端120的材料時，可以采用相對于CNT膠體溶液具有良好濕潤 性的金屬如鵠(W)、鵠合金、鉑、鉑合金等中的一種或多種。圖3是制造增強的CNT線例如增強的CNT線800 (如圖8所示)的 方法的一個"i兌明性實施方案的流程圖。金屬尖端120至少一部分浸入CNT 膠體溶液112 (圖3，框310)。在某些實施方案中，如圖l所示，^Mt裝 置116操作吊架114和固定器118以使得金屬尖端120至少一部分浸入容 納在容器IIO中的CNT膠體溶液112。在其它的一些實施方案中，附著于 左導(dǎo)向器102的載物臺108可基本上垂直地向上移動使得金屬尖端120至 少部分浸入CNT膠體溶液112。再次參考圖3,浸入的金屬尖端120保持基本靜止或停留在CNT膠體 溶液112中(圖3，框320 )。當(dāng)金屬尖端120在CNT膠體溶液112中停留 時，CNT膠體溶液112中的CNT膠體開始向金屬尖端120的尖銳的頂點 202進行自組裝。根據(jù)各種環(huán)境因素如溫度、CNT膠體溶液112的濃度、 金屬尖端120的銳度等，停留時間可為幾秒鐘至數(shù)十分鐘。在一個實施方 案中，適合的停留時間可以是約2分鐘至約10分鐘。將金屬尖端120至少部分地從CNT膠體溶液112中移出，同時保持在 金屬尖端120的尖銳的頂點202處CNT膠體的自組裝(圖3，框330 )。 可通過單獨或同時基本上垂直地提升金屬尖端120和降低容納CNT膠體 溶液112的容器110來實施移出。可根據(jù)CNT膠體溶液112的粘度確定移 出速率。隨著CNT膠體溶液112的粘度變得較高或CNT線的目標(biāo)直徑變 得較小，金屬尖端120的移出速率可變得較高。隨著金屬尖端120進一步 從CNT膠體溶液112移出，金屬尖端120的移出速率可改變或可保持恒 定。在一個實施方案中，適合的移出速率可以是約2mm/分鐘至約5mm/ 分鐘?？梢栽谑覝叵潞?或大氣壓下實施移出。圖4顯示當(dāng)金屬尖端120開始至少部分地從CNT膠體溶液112移出時 形成的金屬尖端120和CNT膠體溶液112之間的界面的一個說明性實施 方案的示意圖。當(dāng)將金屬尖端120從CNT膠體溶液112移出時，CNT膠7體溶液112中的CNT股體形成彎液面(meniscus )402并且朝向金屬尖端 120的尖銳的頂點202進行自組裝。自組裝可理解為分子單元通過非共價 相互作用而自發(fā)和可逆地組織為有序結(jié)構(gòu)。圖5顯示由CNT膠體溶液112制造的CNT線的圖像的一個說明性實 施方案。在一個說明性的實施方案中，CNT線502的長度可以是約10 cm。 然而，根據(jù)需要，可通過擴展載物臺108或吊架114的移動來延伸CNT 線502的長度，例如從幾厘米至數(shù)十米。圖6顯示由含有SWNT的CNT膠體溶液112制造的CNT線502的一 個說明性實施方案的示意截面圖。作為替代方案，CNT線502可由含有 MWNT的CNT膠體溶液112來制造。如圖6所示，CNT線502可包括許 多(例如數(shù)億)的SWNT602,這些SWNT602通it^目對弱的范德華力粘 附于相鄰的SWNT 602。在一個說明性的實施方案中，CNT線502可包括 數(shù)百萬至數(shù)億的SWNT 602。 CNT線502可用耐用的材料如聚二甲基珪氧 烷(PDMS)、聚丙烯、聚烯烴、聚氨酯等增強以有利于處理并且防止例如 在施加機械力時斷裂。雖然圖6說明CNT602規(guī)則和同心地布置以形成 CNT線502，但是CNT 602可以不規(guī)則地布置在CNT線502中。圖7顯示由SWNT的CNT膠體溶液制造的CNT線的TEM (透射電 子顯微鏡)圖像的一個說明性的實施方案。利用在圖像的底部右側(cè)部分處 顯示的標(biāo)尺可估計出CNT線的直徑是約10nm。然而，可根據(jù)上述參數(shù)如 移出速率、CNT膠體溶液112的濃度等改變直徑，使得降低的移出速率或 提高的CNT膠體溶液112的濃度可產(chǎn)生較厚直徑的CNT線502。假定單 壁碳納米管的直徑是約1 nm，那么可估計約10 nm的CNT線502的部分 包括數(shù)億SWNT。然而，根據(jù)CNT膠體溶液112的濃度和金屬尖端120 的移出速率，CNT線502的直徑可從幾微米變化至數(shù)十微米。再次參考圖3，在框340中，用聚合物804 (如圖8所示，其顯示用聚 合物804涂敷的增強的CNT線800的一個說明性實施方案的示意截面圖) 涂敷CNT線502。可用聚合物804涂敷CNT線502的至少一部分，以提 供保護免于外力和/或損傷。用聚合物804至少部分涂敷CNT線502之后， 增強的CNT線800的整個直徑可以是12 jim或更小?？捎镁酆衔?04完 全涂敷CNT線502。在某些實施方案中，作為非限制性的例子，可使用 PDMS作為聚合物804。如圖8所示，PDMS容易地至少部分滲透^相 鄰CNT 802之間的納米尺度的間隙g ，使得覆蓋CNT線502的PDMS的厚度T通常小于或等于lpm。因此，PDMS是增加CNT線502的機械強 度而沒有喪失CNT線502的柔性或任何其它有益特征的良好的候選材料。 然而，可用于CNT線502的聚合物804不限于PDMS，并且可包括具有 高的機械強度和柔性的其它種類聚合物如聚丙烯、聚烯烴、聚氨酯等，以 保護CNT線502免受外部損害。
可使用各種才莫塑方法中的任意一種來為CNT線502涂敷聚合物804 。 例如，可使用擠壓模塑來將聚合物804涂敷于CNT線502。在擠壓模塑 中，利用壓力強制熔融聚合物通過成型孔，以便利用熔融聚合物涂敷CNT 線502?？刹捎糜糜谥圃斐Ｒ?guī)電線的其它類型的模塑方法諸如壓延模塑 (calendar molding )、浸漬模塑等來為CNT線502涂敷聚合物804 。
通常，電線的電阻隨著溫度升高而增加。然而，由于增強的CNT線 800提供多個用于電子通過的途徑，所以增強的CNT線800盡管其直徑相 對小但也可提供改善的導(dǎo)電性。此外，與具有通it^目對弱的范德華力粘附 至相鄰CNT的CNT 602的CNT線502相比，增強的CNT線800可具有 相對高拉伸強度和耐久性。因此，本發(fā)明中公開的增強的CNT線800可 用于各種用途，包括微型i殳備的電互連、微M執(zhí)行器(actuator )、電力 纜線、催化劑載體、人工肌肉、微電容器等。
在本公開內(nèi)容的啟迪下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可理解本發(fā)明中描述的設(shè)備 和方法可用于硬件、軟件、固件、中間件、或其組合，并且可用于系統(tǒng)、 子系統(tǒng)、元件或其子元件。例如，在軟件中實施的方法可包括實施所述方 法的操作的計算機代碼或指令。該計算機代碼可存儲于機器可讀介質(zhì)如處 理器可讀介質(zhì)或計算機程序產(chǎn)品中，或作為包含于載波中的計算機數(shù)據(jù)信 號或通過載體調(diào)制的信號在傳輸介質(zhì)或通信線路中進行傳輸。機器可讀介 質(zhì)或處理器可讀介質(zhì)可包括能夠以機器(例如，通過處理器、計算機等) 可讀和可執(zhí)行的形式存儲或者傳遞信息的任何介質(zhì)。
以上詳述已經(jīng)通過利用框圖、流程圖和/或示例來闡述器件和/或工藝的 各種實施方案。就包含一個或更多個功能和/或操作的這些框圖、流程圖和 /或示例而言，本領(lǐng)域技術(shù)人員可理解這樣的框圖、流程圖或示例中的每個 功能和/或操作可通過廣泛的硬件、軟件、固件或其任何實際組合來單獨和 /或共同地實施。
關(guān)于本發(fā)明中任何復(fù)數(shù)和/或單數(shù)術(shù)語的實質(zhì)上的使用，本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)適合于上下文和/或應(yīng)用來從復(fù)數(shù)轉(zhuǎn)化為單數(shù)和/或從單數(shù)轉(zhuǎn)化為
復(fù)數(shù)。為清J^見，各種單數(shù)/復(fù)數(shù)置換(permutation)可在本發(fā)明中明 確闡述。
通常，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解在本發(fā)明中特別是在所附的權(quán)利要 求(例如，所附的權(quán)利要求部分)中使用的術(shù)語通常意圖是"開放性"的術(shù) 語(例如，術(shù)語"包括"應(yīng)該解釋為"包括但不限于"，術(shù)語"具有"應(yīng)該解釋 為"至少具有"等)。
對于本發(fā)明中公開的這些及其它工藝和方法，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理 解，在所述工藝和方法中實施的功能可以以不同的順序?qū)嵤?。此外，概?的操作僅僅提供作為示例。即，某些操作可以是任選的、合并成較少的操 作或擴展為附加的操作，而沒有脫離公開的實施方案的本質(zhì)。
由上所述，為了說明的目的，在本文中已經(jīng)描述各種實施方案，并且 可做出各種改變而不脫離4^Hf的范圍和精神。因此，本文中公開的各種 實施方案并非意圖限制，同時正確的范圍和精神由所附權(quán)利要求所表示。<image>image see original document page 11</image>
權(quán)利要求
1.一種制造增強的碳納米管(CNT)線的方法，包括提供金屬尖端和CNT膠體溶液；將所述金屬尖端至少部分浸入所述CNT膠體溶液；將所述金屬尖端從所述CNT膠體溶液移出以形成CNT線；和利用聚合物涂敷所述CNT線的至少一部分。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述聚合物是聚二甲基硅氧烷 (PDMS )。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述PDMS的厚度小于或等于約
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中利用所述聚合物完全地涂敷所述 CNT線。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其中所述金屬尖端由鎢(W)制成。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述浸入步艱&包括使所述金屬尖 端在所述CNT膠體溶液中停留預(yù)定時間。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述預(yù)定時間是約2分鐘至約10分 鐘。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述提供步驟包括在容器中容納所 述CNT膠體溶液，并且其中所述移出包括基本上垂直地降低所述容器。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述移出步驟包括基本上垂直地提 升所述金屬尖端。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述移出步驟包括同時降低容納所 述CNT膠體溶液的容器和提升所述金屬尖端。
11. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述移出步驟包括以2 mm/分鐘至 約5 mm/分鐘的速率移出所述金屬尖端。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述CNT膠體溶液的提供包括將純 化的CNT錄到二甲基甲酰胺(DMF)中。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述^t步驟包括以約0.05mg/ml的濃度在所述DMF中分歉所述純化的CNT。
14. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述純化的CNT是單壁碳納米管 (SWNT )。
15. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述移出步驟在室溫下實施。
16. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述移出步驟在大氣壓力下實施。
17. —種增強的碳納米管(CNT)線，包括CNT線，所述CNT線包括布置在其中的多個CNT;和 至少部分覆蓋所述CNT線的聚合物。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的增強的CNT線，其中在成對的所述CNT之 間限定有間隙并且所述聚合物至少部分地滲透到所述間隙中。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的增強的CNT線，其中所述聚合物是聚二甲基 硅氧烷(PDMS )。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的增強的CNT線，其中所述PDMS的厚度小于 或等于1,。
21. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的增強的CNT線，其中所述CNT是單壁碳納米 管(SWNT)。
22. —種處理器可讀存儲介質(zhì)存儲的指令，當(dāng)通過處理器執(zhí)行所述指令時， 所述指^H吏所述處理器控制設(shè)備以實施包括以下步驟的方法將金屬尖端至少部分浸入CNT膠體溶液；將所述金屬尖端從所述CNT膠體溶液移出以形成CNT線；和利用聚合物涂敷所述CNT線的至少一部分。
全文摘要
本發(fā)明涉及增強的碳納米管線，提供制造增強的碳納米管(CNT)線的技術(shù)。在一個實施方案中，可通過以下步驟制造增強的CNT線將金屬尖端浸入CNT膠體溶液，從CNT膠體溶液移出金屬尖端，然后用聚合物涂敷CNT線。
文檔編號C01B31/02GK101654240SQ20081018291
公開日2010年2月24日 申請日期2008年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月20日
發(fā)明者張議允, 金龍協(xié) 申請人:首爾大學(xué)校產(chǎn)學(xué)協(xié)力團