BR112021005351A2

BR112021005351A2 - elemento condutor

Info

Publication number: BR112021005351A2
Application number: BR112021005351-4A
Authority: BR
Inventors: John Franks; Mathieu Delmas; Calvin Prentice
Original assignee: Quantum Conductors Ltd
Priority date: 2018-09-20
Filing date: 2019-09-20
Publication date: 2021-06-15
Also published as: AU2019341658A1; GB2578717A; US20220148764A2; GB201815359D0; EP3853871A1; GB2578717B; CN112740337B; CA3112991A1; CN112740337A; US20210241942A1; JP2021535071A; EP3853871B1; WO2020058728A1; KR20210053999A

Abstract

ELEMENTO CONDUTOR. São fornecidos métodos para produzir um precursor de elemento condutor e um elemento condutor, como uma fita ou fio. Os métodos compreendem o crescimento de uma pluralidade de nanotubos de carbono em um substrato metálico e o revestimento de nanotubos de carbono da pluralidade de nanotubos de carbono no substrato metálico com um material metálico.

Description

ELEMENTO CONDUTOR

[0001]A presente invenção se refere a um método para produzir um precursor de elemento condutor e um elemento condutor, particularmente um fio, e um método para produzir o mesmo.

[0002]Os elementos condutores e, em particular, a fiação, são onipresentes em nossa vida cotidiana. Os condutores estão presentes em aviões, carros, espaçonaves e em cabos de força para transportar eletricidade por grandes distâncias, para citar apenas algumas aplicações. Para cada uma dessas aplicações, seria vantajoso aumentar a capacidade de transporte de corrente e/ou reduzir o peso desses cabos e/ou reduzir o tamanho dos cabos necessários. Essa redução de peso para aplicações aeroespaciais e automotivas reduziria significativamente o consumo de combustível e a produção de CO2. Um aumento na capacidade de carga de corrente pode reduzir as perdas ao transportar eletricidade por cabos de força. Existe, portanto, um desejo de criar elementos condutores aprimorados e precursores que podem ser utilizados para formar os elementos condutores necessários. Em particular, existe um desejo de elementos condutores melhorados na forma de fios.

[0003]A presente invenção fornece um método para produzir um precursor de elemento condutor, o método compreendendo as seguintes etapas: formar uma pluralidade de nanotubos de carbono em um substrato metálico; aplicar uma força de cisalhamento à pluralidade de nanotubos de carbono no substrato metálico em uma primeira direção; e revestir nanotubos de carbono da pluralidade de nanotubos de carbono com um material metálico.

[0004]Além disso, a presente invenção fornece um método para a produção de um precursor de elemento condutor, o método compreendendo as seguintes etapas: formar uma pluralidade de nanotubos de carbono em um substrato metálico; aplicar uma força de cisalhamento à pluralidade de nanotubos de carbono no substrato metálico em uma primeira direção; e revestir nanotubos de carbono da pluralidade de nanotubos de carbono no substrato metálico com um material metálico. A etapa de aplicação da força de cisalhamento pode ocorrer antes ou depois da etapa de revestimento dos nanotubos de carbono.

[0005]O método da presente invenção fornece um precursor que possui nanotubos de carbono que são movidos em uma direção particular e encapsulados. Isso fornece um precursor que pode ser prontamente submetido a processamento subsequente para formar elementos condutores.

[0006]A presente invenção fornece ainda um método para produzir uma fita condutora, o método compreendendo as seguintes etapas: formar uma pluralidade de nanotubos de carbono em um substrato metálico; aplicar uma força de cisalhamento à pluralidade de nanotubos de carbono no substrato metálico em uma primeira direção; e comprimir o substrato metálico com a pluralidade de nanotubos de carbono de modo a aumentar seu comprimento e formar a fita condutora.

[0007]A presente invenção também fornece um método para produzir um elemento condutor, o método compreendendo as seguintes etapas: formar uma pluralidade de nanotubos de carbono em um substrato metálico; enrolar o substrato com a pluralidade de nanotubos de carbono para formar um inserto;

e estirar o inserto para aumentar seu comprimento e formar o elemento condutor.

[0008]Em particular, a presente invenção fornece um método para produzir um elemento condutor, o método compreendendo as seguintes etapas: formar uma pluralidade de nanotubos de carbono em um substrato metálico; revestir nanotubos de carbono da pluralidade de nanotubos de carbono com um material metálico; enrolar o substrato com os nanotubos de carbono revestidos para formar um inserto; e estirar o inserto para aumentar seu comprimento e formar o elemento condutor.

[0009]O método da presente invenção garante que os nanotubos de carbono estejam em contato íntimo com um material metálico de modo a auxiliar sua incorporação no elemento condutor. Além disso, o revestimento dos nanotubos de carbono pode fornecer proteção aos nanotubos de carbono nas etapas de processamento subsequentes. Isso auxilia no fornecimento de nanotubos de carbono de boa qualidade presentes no elemento condutor e, assim, fornece um elemento condutor de alta qualidade, onde os nanotubos de carbono contribuem para a condução.

[00010]O elemento condutor pode ser de qualquer forma, incluindo a de uma folha. No entanto, seguindo o método da presente invenção, o elemento condutor final terá geralmente uma forma alongada. Consequentemente, a presente invenção é particularmente adequada para a produção de elementos condutores na forma de um fio ou de uma fita. Um fio tem uma área de seção transversal geralmente circular ou quadrada, enquanto uma fita tem uma área de seção transversal geralmente retangular. A forma mais preferível para o elemento condutor é a de um fio.

[00011]A fita condutora pode ser produzida comprimindo o precursor do elemento condutor de modo a aumentar o seu comprimento e formar a fita condutora. Portanto, a fita pode ser formada sem enrolar o substrato. A etapa de compressão altera a seção transversal do precursor do elemento condutor. O precursor do elemento condutor pode ser submetido a várias etapas de compressão. O precursor do elemento condutor pode ser submetido a etapas de recozimento, conforme descrito neste documento, entre as etapas de compressão. As considerações gerais de um processo de laminação de metal são consideradas em Le e Sutcliffe, International Journal of Mechanical Sciences 43 (2001), p. 1405 a 1419.

[00012]A etapa de compressão do precursor do elemento condutor de modo a aumentar seu comprimento e formar a fita condutora pode ser utilizada para aplicar simultaneamente uma força de cisalhamento à pluralidade de nanotubos de carbono no substrato metálico em uma primeira direção. Alternativamente, uma etapa separada de aplicação da força de cisalhamento pode ser utilizada.

[00013]O material metálico compreende metal. O material metálico consiste, de um modo preferido, essencialmente em metal, de um modo mais preferido consiste em metal. O material metálico pode ser uma liga metálica.

[00014]O método envolve a formação de uma pluralidade de nanotubos de carbono em um substrato metálico. Os nanotubos de carbono são cultivados em uma primeira superfície do substrato metálico. Além disso, os nanotubos de carbono também podem ser cultivados em uma segunda superfície do substrato metálico. Isso pode ocorrer simultaneamente, expondo ambas as superfícies durante o processo de crescimento dos nanotubos de carbono. A primeira e a segunda superfícies podem ser superfícies opostas. Quando o substrato metálico está na forma de uma folha, as duas superfícies podem ser as duas superfícies principais da folha. Os nanotubos de carbono podem ser formados na superfície do substrato metálico de modo que os nanotubos de carbono cresçam longe da superfície. O eixo longitudinal dos nanotubos de carbono pode ser substancialmente alinhado. O eixo longitudinal dos nanotubos de carbono pode ser substancialmente perpendicular ao plano da primeira superfície do substrato metálico. O eixo longitudinal dos nanotubos de carbono pode ser substancialmente perpendicular ao plano da segunda superfície do substrato metálico.

[00015]O substrato metálico pode ser substancialmente plano, por exemplo, tendo a forma de uma folha. Durante o crescimento dos nanotubos de carbono, o substrato pode ser orientado de modo que os nanotubos de carbono se formem predominantemente nas superfícies verticais do substrato. Para um substrato metálico plano, isto pode ser conseguido tendo as suas duas superfícies principais orientadas substancialmente na vertical. O substrato metálico pode ser orientado de modo que a direção de estiramento subsequente, ou outra direção ao longo da qual o alinhamento é desejado, seja vertical. Sem querer ser limitado pela teoria, acredita-se que orientar o substrato dessa maneira permite que os nanotubos de carbono cresçam sob a influência da gravidade, o que pode introduzir um alinhamento inicial ao longo da direção vertical.

[00016]Quando se refere a vertical e horizontal aqui, vertical é definido como a direção da força gravitacional indicada por um fio de prumo. A direção horizontal é perpendicular à direção vertical.

[00017]Tal como aqui utilizado, o termo "substancialmente alinhado" se refere aos nanotubos de carbono sendo orientados de modo que a maioria dos nanotubos de carbono tenham seu eixo longitudinal dentro de uma faixa de 45º, de um modo preferido 25º, ou de um modo preferido 20º, ou 15º, ou 10º, ou de um modo mais preferido dentro de 5º. Substancialmente todos, ou todos, os nanotubos de carbono podem ter seu eixo longitudinal dentro dessas faixas.

[00018]Conforme usado neste documento, o termo "substancialmente perpendicular" ou "substancialmente paralelo" significa que a maioria dos nanotubos de carbono são orientados de modo que seu eixo longitudinal fique dentro de 22,5º da direção perpendicular ou paralela, respectivamente, de um modo preferido dentro de 20º ou 15º, ou 10º, ou de um modo mais preferido dentro de 5º. Substancialmente todos, ou todos, os nanotubos de carbono podem ter seu eixo longitudinal dentro dessas faixas.

[00019]Ao formar os nanotubos de carbono em um substrato metálico, os nanotubos de carbono resultantes estão em um estado desagregado, ou seja, a maioria dos nanotubos de carbono existem como nanotubos de carbono separados. Isso permite que suas propriedades de condutividade sejam mantidas quando incorporadas ao elemento condutor. Isso contrasta com os nanotubos de carbono presentes em feixes, que têm propriedades de condutividade diminuídas. O revestimento subsequente dos nanotubos de carbono pode ajudar a manter os nanotubos separados.

[00020]Na presente invenção, os nanotubos de carbono são cultivados no substrato e os nanotubos de carbono são retidos no substrato ao longo dos processos subsequentes para produzir o precursor do elemento condutor e o produto do elemento condutor final. Isso aumenta a facilidade de manuseio dos nanotubos de carbono.

[00021]A etapa de formar uma pluralidade de nanotubos de carbono em um substrato metálico pode envolver a formação de uma pluralidade de nanotubos de carbono diretamente em um substrato metálico. Alternativamente, há de um modo preferido uma camada de material intermediária entre o substrato metálico e os nanotubos de carbono em crescimento.

[00022]Qualquer método para formar uma pluralidade de nanotubos de carbono em um substrato metálico pode ser usado, especialmente aqueles que produzem nanotubos de carbono alinhados. Essas abordagens incluem pirólise de gases de hidrocarbonetos, como acetileno, butano ou metano na presença de ferroceno ou ftalocianina de ferro.

[00023]Uma abordagem particularmente preferida envolve a deposição química em fase vapor. O processo de deposição química em fase vapor utilizado pode ser uma abordagem de deposição química em fase vapor por injeção direta de líquido (DLICVD). Nesta abordagem, um precursor de hidrocarboneto líquido é injetado, vaporizado e então transportado para uma câmara de reação onde os nanotubos de carbono são depositados e crescidos no substrato. Vários tipos de hidrocarbonetos líquidos podem ser usados com esta abordagem, por exemplo, n-pentano, isopentano, hexano, heptano, octano, ciclohexano, benzeno, tolueno ou xileno.

[00024]A fim de inicializar o crescimento dos nanotubos de carbono, um catalisador pode estar presente. Este catalisador pode estar presente no substrato metálico. A distribuição do catalisador no substrato metálico pode ser essencialmente aleatória. No entanto, é particularmente preferido que o catalisador seja incluído no líquido com o hidrocarboneto em um processo DLICVD e seja injetado e introduzido na câmara de reação junto com o hidrocarboneto. O uso de um catalisador auxilia na formação da pluralidade de nanotubos de carbono na superfície do substrato metálico de modo que eles fiquem em um estado desagregado.

[00025]Os catalisadores potenciais para auxiliar o crescimento dos nanotubos de carbono incluem ferro, cobalto, níquel, rutênio, paládio e platina. Quando o catalisador é para ser introduzido com o hidrocarboneto líquido, um precursor do metal do catalisador é selecionado, por exemplo, sais de metal e compostos organometálicos. Os compostos particularmente preferidos são ferroceno, niqueloceno, cobaltoceno, rutenoceno, ftalocianina de ferro e ftalocianina de níquel.

[00026]Quando o precursor do catalisador de metal é combinado com o hidrocarboneto líquido, pode estar em uma concentração de 0,2 a 15% em peso. De um modo preferido 1 a 10% em peso, ou 1,5 a 7% em peso, de um modo mais preferido 1,5 a 5% em peso. Uma quantidade particularmente preferida é 2,5% em peso.

[00027]No processo DLICVD, o líquido injetado é de um modo preferido introduzido na forma de gotículas. Isso aumenta a facilidade com que o líquido pode ser evaporado e transportado para a câmara de reação.

[00028]A pirólise é realizada a uma temperatura entre 600 e 1100ºC, de um modo preferido de 700 a 1000ºC e de um modo mais preferido 700 a 900ºC.

[00029]O substrato pode ser aquecido até a temperatura de reação por meio de aquecimento resistivo do próprio substrato, isto é, passando uma corrente através do substrato.

[00030]A pirólise pode ser realizada por qualquer período de tempo adequado, a fim de formar a quantidade necessária de nanotubos de carbono. Por exemplo, a pirólise pode ser realizada durante pelo menos 5 minutos. A pirólise pode ser realizada por pelo menos 10 minutos, ou pelo menos 15 minutos.

[00031]A forma das gotículas e a frequência com que as gotículas são injetadas podem ser variadas conforme exigido pelo processo. Por exemplo, cada gota pode ter um volume entre 2 a 100 µl. As gotículas podem ser injetadas com uma frequência de 0,9 a 1200 injeções por minuto, possivelmente a uma taxa de 1 a 60 injeções por minuto, de um modo preferido entre 20 e 30 injeções por minuto. Alternativamente, as gotículas podem ser injetadas com uma frequência de mais de 2.000 injeções por minuto, por exemplo, 3.000 injeções por minuto. Verificou-se que essa alta frequência de injeção é particularmente eficaz.

[00032]Antes de formar os nanotubos de carbono, é preferível que o substrato metálico tenha uma camada de cerâmica sobre ele. Os nanotubos podem então crescer nesta camada de cerâmica. A camada de cerâmica pode ter de 20 a 500 nm de espessura, possivelmente 400 nm de espessura. As cerâmicas possíveis para a camada de cerâmica incluem SiO2, Al2O3, ZrO2, TiO2, Y2O3, SiC, SiCN, SiON e SiCN. A cerâmica particularmente preferida é SiO2.

[00033]A camada de cerâmica pode ser depositada por meio de deposição química em fase vapor antes de formar a pluralidade de nanotubos de carbono. Em particular, a camada de cerâmica pode ser formada por DLICVD. Qualquer precursor cerâmico adequado pode ser usado. O precursor cerâmico pode ser dissolvido ou suspenso em um líquido. Os possíveis precursores de cerâmica incluem Si(OEt)4, (iPrO)3Al, (BuO)4Zr, (BuO)4Sn, isopropóxido de titânio, acetilacetonato de titânio, tetrametilheptanodionato de ítrio, dibutoxidodiacetoxissilano ou HMDS. Verificou-se que a utilização de dibutoxi-diacetoxissilano é particularmente eficaz. A pirólise é realizada a temperatura e pressão suficientes para garantir a decomposição do precursor.

[00034]A deposição química em fase vapor da camada cerâmica e a deposição química em fase vapor dos nanotubos podem ocorrer no mesmo reator. Alternativamente, a deposição de uma camada de cerâmica pode ocorrer em um reator separado para a deposição dos nanotubos. Isso tem a vantagem de que o primeiro reator não é exposto ao crescimento do nanotubo de carbono e, portanto, não requer limpeza regular. Além disso, o reator usado para a deposição dos nanotubos de carbono pode ser seletivamente fechado e limpo pela introdução de um gás contendo oxigênio para queimar qualquer nanotubo de carbono perdido e potencialmente prejudicial. Portanto, isso pode facilitar um processo ultra-limpo e ultra-seguro. A temperatura do substrato pode ser mantida quando o substrato é transferido entre reatores separados. Isso pode aumentar a eficiência do processo geral.

[00035]Em geral, o processo DLICVD envolve a injeção do líquido que é vaporizado e subsequentemente transportado por um gás transportador para a câmara de reação. Esses gases transportadores são geralmente um gás inerte. Os gases transportadores possíveis incluem argônio, hélio, nitrogênio e hidrogênio ou misturas dos mesmos. O gás transportador pode ser fornecido a uma taxa entre 1 e 5 SLM, de um modo preferido entre 1 e 3 SLM. Embora, qualquer taxa de gás transportador adequada para o tamanho do reator possa ser utilizada.

[00036]O crescimento dos nanotubos de carbono pode ser auxiliado pela utilização da presença de H2O ou CO2 na corrente de gás transportador, conforme descrito em Sato et al, Carbon 136 (2018), p. 143 a 149. A presença de H2O e CO2 é particularmente vantajosa para o crescimento uniforme e aumento do rendimento dos nanotubos de carbono. H2O ou CO2 é utilizado na fase de crescimento dos nanotubos de carbono e, sem desejar ser limitado pela teoria, acredita- se que essas adições ajudam a prevenir a desativação do catalisador, removendo subprodutos de carbono e/ou suprimindo o amadurecimento de Ostwald das partículas de catalisador.

[00037]Seguindo a etapa de formar a pluralidade de nanotubos de carbono, quaisquer nanotubos de carbono soltos podem ser removidos soprando a pluralidade de nanotubos de carbono com um gás inerte, por exemplo, argônio.

[00038]O substrato metálico pode compreender qualquer metal. Metais possíveis para formar o substrato metálico incluem paládio, platina, ouro, cromo, manganês, alumínio e cobre. Ligas metálicas podem ser usadas para o substrato metálico, por exemplo, aço. Um substrato metálico particularmente preferido para a presente invenção é o cobre.

[00039]O método da presente invenção compreende de um modo preferido uma etapa de revestimento. Esta etapa de revestimento resulta nos nanotubos de carbono sendo revestidos com um material metálico. Os nanotubos de carbono são de um modo preferido revestidos de modo que os nanotubos de carbono sejam revestidos individualmente com o material metálico. Cada nanotubo de carbono da pluralidade de nanotubos de carbono pode ser revestido com o material metálico. A etapa de revestimento resulta nos nanotubos de carbono sendo substancialmente englobados pelo material metálico. Isso garante que os nanotubos sejam protegidos durante o processamento subsequente e, também, garante uma boa interface entre os nanotubos de carbono e a matriz resultante de um elemento condutor. Ele também pode ajudar a evitar o agrupamento dos nanotubos de carbono durante o processamento subsequente dos nanotubos de carbono e, assim, manter sua condutividade quando estiverem presentes no elemento condutor final.

[00040]Uma vez que a etapa de revestimento resulta nos nanotubos de carbono sendo parcialmente, substancialmente ou totalmente encerrados no material metálico, os nanotubos de carbono serão protegidos durante a etapa subsequente de recozimento que é descrita neste documento.

[00041]Os materiais metálicos possíveis para a etapa de revestimento podem ser escolhidos independentemente a partir dos materiais listados aqui como materiais metálicos possíveis para o substrato metálico. O material metálico que é usado para o revestimento é de um modo preferido o mesmo que o substrato metálico, mas pode ser diferente. O material metálico para a etapa de revestimento é de um modo preferido cobre.

[00042]A etapa de revestimento pode ser realizada infiltrando a pluralidade de nanotubos de carbono com uma solução aquosa super saturada de sal metálico ou uma solução orgânica. Quando uma solução aquosa super saturada de sal metálico é utilizada, os nanotubos de carbono podem passar por uma etapa de funcionalização do plasma de oxigênio antes da infiltração, a fim de tornar os nanotubos hidrofílicos. Após a infiltração, a pluralidade de nanotubos é então seca para depositar o precursor de metal. Este precursor de metal pode então ser reduzido a fim de convertê-lo em material metálico. Esta etapa de infiltração e secagem pode ser repetida várias vezes para revestir os nanotubos de carbono até o grau desejado.

[00043]Uma abordagem particularmente vantajosa para o revestimento de nanotubos de carbono utiliza a deposição química em fase vapor. A deposição química em fase vapor pode ser usada para revestir totalmente os nanotubos de carbono. Alternativamente, a etapa de revestimento pode ocorrer em duas etapas. Em primeiro lugar, os nanotubos de carbono podem ser inicialmente decorados com o material metálico e, em seguida, um segundo estágio pode ser usado para completar o revestimento com outro material metálico. Conforme usado neste documento, o termo "decorado" se refere à deposição de partículas de material metálico nas superfícies dos nanotubos de carbono.

[00044]O primeiro estágio de decorar os nanotubos de carbono com o material metálico pode ocorrer por meio de uma etapa de infiltração inicial, como a infiltração com uma solução aquosa de sal metálico super saturado ou uma solução orgânica, conforme detalhado neste documento, ou alternativamente, pode ocorrer por meio da abordagem CVD. Ao utilizar a abordagem CVD, os nanotubos de carbono podem ser revestidos sem a necessidade de tratar os nanotubos de carbono para torná-los hidrofílicos ou utilizar um solvente orgânico. Qualquer precursor metálico adequado pode ser usado para esta etapa de decoração. O estágio de decoração inicial prepara os nanotubos de carbono para que o revestimento possa ser posteriormente concluído por um processo de revestimento de cobre aquoso. A etapa de decoração inicial permite que os locais iniciais de material metálico sejam formados ao longo dos nanotubos de carbono. A abordagem CVD é particularmente eficaz para alcançar isso. Essas regiões iniciais de material metálico depositado facilitam o subsequente revestimento uniforme dos nanotubos de carbono. Além disso, ao realizar uma etapa de decoração inicial, os nanotubos de carbono podem ser mantidos em um estado desagregado quando submetidos a uma etapa de processamento, tal como a aplicação de uma força de cisalhamento aqui descrita, antes da etapa final de revestimento.

[00045]As propriedades elétricas dos nanotubos de carbono podem ser melhoradas pela inclusão de uma etapa de dopagem em que os nanotubos de carbono são decorados usando uma abordagem CVD com moléculas de um halogênio, como o iodo. Esta etapa pode ser realizada antes, ou depois, ou intermediária ou concomitante à etapa de decorar os nanotubos de carbono com um material metálico. Uma solução adequada para uso em dopagem de iodo via CVD é uma solução de iodoetano (C2H5I) em tolueno, particularmente duas partes de iodoetano para uma parte de tolueno. Uma solução alternativa para uso com CVD são cristais I2 em solução em tolueno.

[00046]É particularmente vantajoso utilizar CVD para a etapa de depositar a intercamada de cerâmica (possivelmente em um primeiro reator), a etapa de depositar os nanotubos de carbono (possivelmente em um segundo reator) e decorar os nanotubos de carbono (possivelmente em um terceiro reator). Utilizar CVD para cada uma dessas etapas deve aumentar a eficiência do processo geral. Além disso, a utilização de reatores separados (câmaras) para cada etapa auxilia na manutenção do processo ultra-limpo e ultra- seguro, onde cada reator pode ser isolado seletivamente dos outros.

[00047]Após uma etapa de decoração, o revestimento pode ser acabado por meio de uma etapa de galvanização. Desta forma, o material metálico é eletrodepositado nos nanotubos. Esta abordagem garante uma boa cobertura dos nanotubos de carbono pela etapa de revestimento.

[00048]Na etapa de eletrodeposição, o substrato metálico com os nanotubos de carbono no mesmo é o cátodo da célula eletrolítica, enquanto o ânodo pode ser um material de revestimento metálico de grau eletrolítico em um saco de ânodo. O substrato metálico pode ser conectado eletricamente ao fornecimento de corrente por meio de uma braçadeira condutiva. Múltiplos grampos condutores podem ser conectados em extremidades opostas do substrato metálico. A célula pode ser configurada com o saco anódico estendendo-se geometricamente paralelamente ao substrato metálico para auxiliar no fornecimento de um revestimento homogêneo. O banho de galvanização pode compreender CuSO4. O banho de eletrogalvanização pode compreender adicionalmente ácido sulfúrico, cloreto de sódio, N-metil pirrolidona, metanol, etanol, acetonitrila, brometo de cetiltrimetilamônio, octilfenoxipolietoxietanol e/ou dodecilsulfato de sódio. O banho de eletrogalvanização compreendendo uma combinação de um tensoativo catiônico e não iônico, tal como brometo de cetiltrimetilamônio e octilfenoxipolietoxietanol, mostrou ser particularmente eficaz.

[00049]O banho de galvanização pode ter uma concentração entre 10 e 100% em relação à concentração máxima. Em particular, a concentração pode estar entre 30% e 60% em relação à concentração máxima, por exemplo, 40%.

[00050]O banho de galvanização pode ser mantido a uma temperatura entre -20°C e 50°C durante o processo de eletrogalvanização. Em particular, a temperatura pode estar entre -10°C e 10°C, por exemplo, -5°C.

[00051]O banho de eletrogalvanização pode ser agitado durante o processo de eletrogalvanização. Os métodos adequados de agitação incluem aspersão, agitação (por exemplo, usando um agitador magnético) e agitação ultrassônica.

[00052]A galvanização pode ser realizada usando uma frequência de galvanização pulsada de 0,1 Hz a 100 kHz, por exemplo, 500 Hz.

[00053]A galvanização pode ser usada para revestir totalmente os nanotubos de carbono. Em outras palavras, a galvanização pode ser usada sem a etapa de decoração inicial aqui descrita.

[00054]A presente invenção compreende uma etapa de laminação. Nesta etapa, o substrato com os nanotubos de carbono revestidos é enrolado sobre si mesmo. Em outras palavras, o substrato com os nanotubos de carbono revestidos formados é enrolado, de forma análoga a enrolar um tapete. Portanto, pode-se dizer que esta etapa envolve enrolar o substrato com os nanotubos de carbono revestidos para formar um inserto. Em outras palavras, está em uma forma que auxilia sua inserção nas etapas de processamento subsequentes.

[00055]A etapa de laminação é de um modo preferido realizada de modo que pelo menos uma porção dos nanotubos de carbono revestidos formados em uma superfície do substrato metálico contate outra superfície do substrato metálico. Quando os nanotubos de carbono foram cultivados em superfícies opostas do substrato, pelo menos uma porção dos nanotubos de carbono revestidos formados em uma superfície do substrato metálico pode entrar em contato com os nanotubos de carbono revestidos formados em outra superfície do substrato metálico. Desta forma, a etapa de laminação resulta no ensanduichamento de pelo menos uma porção dos nanotubos de carbono revestidos entre as camadas do substrato metálico. Isso tem a vantagem de envolver os nanotubos de carbono com mais substrato metálico, o que auxilia na incorporação dos nanotubos de carbono no elemento condutor final nas etapas subsequentes.

[00056]A fim de auxiliar a etapa de laminação, o substrato metálico tem, de um modo preferido, a forma de uma folha. Em outras palavras, o substrato tem uma dimensão de espessura relativamente pequena em comparação com uma dimensão de largura e comprimento relativamente grande. A folha pode ser particularmente fina e, portanto, ser denominada folha. Tal folha pode ter uma espessura inferior a 1 mm ou inferior a 0,5 mm, de um modo preferido inferior a 0,2 mm e de um modo mais preferido 0,1 mm ou inferior. Verificou-se que um substrato metálico com uma espessura entre 10 µm e 50 µm é particularmente eficaz.

[00057]As possíveis dimensões de largura e comprimento do substrato metálico não são particularmente limitadas. A dimensão do comprimento pode ser pelo menos duas vezes a dimensão da largura, alternativamente pelo menos três vezes a dimensão da largura, ou pelo menos quatro vezes a dimensão da largura. A dimensão da largura pode ser de pelo menos 50 mm e a dimensão do comprimento pelo menos 100 mm, alternativamente, a dimensão da largura pode ser pelo menos 100 mm e a dimensão do comprimento pode ser pelo menos 300 mm.

[00058]O substrato metálico pode ser dimensionado de modo que a etapa de laminação resulte no substrato sendo enrolado em torno de si mesmo pelo menos duas vezes. Por outras palavras, o substrato é enrolado de forma a ser enrolado a 720º, de um modo preferido é enrolado pelo menos

3 vezes, ou 4 vezes, ou 5 vezes, ou 6 vezes. Ainda de um modo mais preferido, o substrato é enrolado de modo que seja enrolado pelo menos 10 vezes, 15 vezes, 20 vezes, 25 vezes, 35 vezes, 45 vezes ou 50 vezes. O substrato pode ser enrolado de modo que seja enrolado até 50 vezes. Aumentando a quantidade de vezes que o substrato é enrolado sobre si mesmo, o número de camadas de nanotubos de carbono imprensadas entre o substrato aumenta. Isso fornece mais material de nanotubo de carbono através do qual a condução pode ocorrer no produto final.

[00059]A etapa de laminação compreende, de um modo preferido, laminar o substrato com os nanotubos de carbono revestidos em torno de uma bobina metálica. A utilização de uma bobina facilita a etapa de laminação. De um modo preferido, o substrato metálico está em contato com a bobina metálica ao enrolar o substrato em torno da bobina. A bobina é de um modo preferido uma peça sólida de material. Em particular, a bobina é de um modo preferido do mesmo material que o substrato. Desta forma, a bobina metálica contribui junto com o substrato para a matriz metálica no produto final. Ainda de um modo mais preferido, a bobina metálica, o substrato metálico e o material metálico usado na etapa de revestimento são todos do mesmo material e todos contribuem para a matriz metálica no produto final. Em consonância com as afirmações relativas ao substrato metálico, a bobina metálica pode ser constituída por qualquer um dos metais destacados para o substrato metálico. A bobina metálica compreende de um modo preferido cobre.

[00060]As dimensões da bobina metálica não são particularmente limitadas. Qualquer dimensão adequada para processamento subsequente pode ser usada. A bobina metálica pode ter pelo menos 10 mm de diâmetro em seu ponto maior, alternativamente, pelo menos 20 mm de diâmetro, 50 mm de diâmetro, 100 mm de diâmetro, 200 mm de diâmetro ou 300 mm de diâmetro. O aumento do diâmetro aumenta a quantidade de substrato que pode ser enrolado na bobina.

[00061]É preferido que o substrato metálico com os nanotubos de carbono revestidos seja fixado à bobina condutora antes da etapa de laminação. Isso facilita a etapa de laminação.

[00062]O substrato metálico pode ser fixado à bobina condutora por meio de solda, soldagem, brasagem ou meios mecânicos. Em relação à soldagem, qualquer forma adequada de soldagem pode ser usada, como soldagem por fricção e mistura.

[00063]O substrato metálico pode ser fixado à bobina metálica ao longo de uma borda do substrato metálico. Isso fornece uma borda fixa em relação à bobina que é retida no lugar, enquanto a extremidade livre oposta é enrolada em torno da bobina metálica para enrolar o substrato ao redor da bobina metálica. A bobina metálica pode conter uma fenda configurada para receber uma extremidade do substrato metálico para reter o substrato metálico ao longo de uma borda.

[00064]A bobina metálica com o substrato metálico enrolado pode ser colocada em uma luva metálica para formar o inserto. A bobina metálica pode ser configurada de modo a compreender um recesso no qual o substrato metálico será enrolado. O substrato metálico e a bobina são dimensionados de modo que, quando o substrato metálico é totalmente enrolado na bobina, ele preenche o recesso de modo a ficar nivelado com a superfície externa da bobina. Isso garante que a bobina com o substrato metálico na mesma possa ser deslizada para dentro de uma luva e permite um ajuste apertado na luva. Alternativamente, o substrato metálico e a bobina são dimensionados de modo que, quando o substrato metálico é totalmente enrolado na bobina, ele preenche o recesso de forma a ficar bem próximo ao resto da bobina. Isso pode garantir que o resto da bobina não interfira com a compactação inicial do substrato metálico durante a etapa de estiramento subsequente e promove a produção de uma interface de qualidade durante o processamento subsequente do inserto.

[00065]A luva e a bobina podem ter qualquer comprimento adequado de modo que a bobina possa ser recebida dentro da luva. A luva pode ter até 1 metro de comprimento. A bobina pode ter até 400 mm de comprimento. O elemento condutor final pode ser escaneado e cortado apropriadamente para remover qualquer parte que não contenha os nanotubos de carbono necessários. Isso pode ser causado pelo maior comprimento da luva em relação à bobina antes da etapa de estiramento.

[00066]A luva metálica pode compreender qualquer um dos metais listados aqui em relação ao substrato metálico. É preferível que a luva metálica seja do mesmo material que a bobina metálica. Em particular, a luva metálica compreende de um modo preferido cobre. A luva metálica contribui com a matriz do produto final. Assim, é particularmente preferido que a luva metálica, a bobina metálica, o material metálico e o substrato metálico sejam todos do mesmo material, que compreende cobre. Em aspectos da presente invenção em que nem toda luva metálica, bobina metálica, material metálico e substrato metálico estão presentes, aqueles que estão presentes são, de um modo preferido, todos do mesmo material, que é de um modo preferido cobre.

[00067]O método da presente invenção pode compreender ainda a etapa de aplicar uma força de cisalhamento à pluralidade de nanotubos de carbono no substrato metálico em uma primeira direção antes da etapa de laminação. Isso tem o efeito de mover e, de um modo preferido, alinhar a pluralidade de nanotubos de carbono em uma primeira direção. Isso permite que o alinhamento seja escolhido em relação à estrutura final desejada do produto. A etapa de aplicação de uma força de cisalhamento à pluralidade de nanotubos de carbono no substrato metálico em uma primeira direção pode ocorrer após a etapa de laminação. A etapa de aplicação de uma força de cisalhamento à pluralidade de nanotubos de carbono pode se referir à força de cisalhamento aplicada durante a aplicação de uma etapa de estiramento ou pode ser uma etapa de aplicação da força de cisalhamento separada de uma etapa de estiramento.

[00068]Esta etapa de aplicação da força de cisalhamento pode ser realizada antes da etapa de revestimento. Desta forma, os nanotubos de carbono são reorientados quando são relativamente fáceis de mover, ao contrário de movê-los depois de terem sido revestidos. A etapa de aplicação da força de cisalhamento pode ser realizada durante a etapa de revestimento. Por exemplo, os nanotubos de carbono podem ser decorados conforme descrito neste documento como uma etapa inicial no processo de revestimento, a força de cisalhamento pode então ser aplicada antes de uma etapa de revestimento posterior ser conduzida para completar a etapa de revestimento. Isso pode ajudar a manter os nanotubos em um estado desagregado durante a etapa de aplicação da força de cisalhamento. A etapa de aplicação da força de cisalhamento pode ser realizada após a etapa de revestimento.

[00069]A força de cisalhamento pode ser aplicada com o uso de uma ferramenta, por exemplo, uma ferramenta com uma aresta plana. A ferramenta pode ser movida ao longo da superfície do substrato metálico no qual os nanotubos de carbono são formados, enquanto a ferramenta é mantida em contato direta ou indiretamente com os nanotubos de carbono. Isso resulta em uma força de cisalhamento nos nanotubos de carbono. A força de cisalhamento aplicada às extremidades livres dos nanotubos de carbono faz com que os nanotubos de carbono se movam em direção à primeira direção. A quantidade de força aplicada pode ser ajustada para garantir que os nanotubos de carbono não descasquem do substrato enquanto uma força suficiente é aplicada para reorientar os nanotubos de carbono. A força de cisalhamento também pode ser aplicada com uma ferramenta cilíndrica (isto é, um rolo) que é rolada ao longo da superfície do substrato metálico no qual os nanotubos de carbono são formados. Em particular, a força de cisalhamento pode ser aplicada movendo o substrato metálico com os nanotubos de carbono entre um par de rolos. Esta é uma abordagem particularmente eficaz quando há nanotubos de carbono presentes nos dois lados do substrato.

[00070]É particularmente preferido que a primeira direção na qual a força de cisalhamento é aplicada seja ao longo da superfície na qual os nanotubos de carbono são formados. Isso tem o efeito de estabelecer os nanotubos de carbono de modo que fiquem mais alinhados com a superfície do substrato, em vez de ficarem perpendiculares ao substrato.

[00071]É particularmente preferido que esta primeira direção seja substancialmente paralela ao eixo de rotação em torno do qual o substrato metálico é enrolado na etapa de laminação. Quando uma bobina é utilizada, este é o eixo de rotação da bobina. Desta forma, pode ser assegurado que todos os nanotubos de carbono foram substancialmente alinhados aproximadamente na mesma direção, de modo que todos deveriam apontar aproximadamente ao longo do eixo de rotação, por exemplo, o comprimento da bobina.

[00072]Ao formar uma fita condutora, é particularmente preferido que a primeira direção seja substancialmente paralela à direção longitudinal na fita condutora final.

[00073]A direção do estiramento é a direção ao longo da qual o inserto é estirado na etapa de estiramento. A primeira direção pode ser substancialmente paralela à direção de estiramento da etapa de estiramento. Os nanotubos de carbono podem ser substancialmente alinhados ao longo da direção do estiramento da etapa de estiramento. Isso pode ser conseguido inserindo a bobina em uma luva de modo que o eixo de rotação e os nanotubos de carbono sejam orientados ao longo da direção longitudinal do inserto, ou seja, seu eixo alongado. Consequentemente, o inserto pode então ser estirado ao longo deste eixo alongado durante a etapa de estiramento. Durante a etapa de estiramento, o comprimento do inserto é aumentado e sua área de seção transversal é reduzida.

[00074]É desejado ter os nanotubos de carbono substancialmente alinhados ao longo da direção do estiramento, uma vez que isso inicia os nanotubos de carbono tendo uma orientação ao longo do eixo alongado do produto final. Esta é uma orientação preferencial para que a condução ocorra. Independentemente disso, a própria etapa de estiramento pode fazer com que os nanotubos de carbono se alinhem em algum grau ao longo da direção de estiramento devido ao fluxo do material da matriz em comparação com os nanotubos de carbono relativamente rígidos. Desta forma, a etapa de aplicação de uma força de cisalhamento em uma primeira direção aos nanotubos de carbono no substrato metálico pode ocorrer como parte da etapa de estiramento, onde a força de cisalhamento associada à etapa de estiramento ocorre na direção de estiramento. Sem desejar ser limitado pela teoria, acredita-se que a abordagem do estiramento também pode levar a um movimento relativo entre as paredes de um nanotubo de carbono com várias paredes. Isso pode levar ao encurtamento dos nanotubos, melhorando o alinhamento. Por conseguinte, o presente método pode levar ao alinhamento próximo, ou superalinhamento, dos nanotubos de carbono no elemento condutor final.

[00075]Após a etapa de estiramento, pode haver uma etapa de recozimento. A etapa de recozimento mantém o produto estirado a uma temperatura elevada, a fim de remover ou reduzir o endurecimento ou tensões internas que podem ter sido introduzidas durante a fase de estiramento.

O recozimento também pode ser usado para aumentar o tamanho do grão dos componentes metálicos. Isso reduz a presença de limites de grão e melhora as propriedades de condutividade. A temperatura de recozimento pode ser qualquer temperatura adequada, por exemplo, uma temperatura entre 400°C e 700°C, ou entre 550°C e 800°C. O recozimento pode ser realizado a aproximadamente 700°C. A etapa de recozimento ocorre de um modo preferido em um ambiente com baixo teor de oxigênio ou substancialmente livre de oxigênio. Por exemplo, o recozimento pode ocorrer em um ambiente de argônio ou nitrogênio. Quando o substrato metálico é formado de cobre, a temperatura de recozimento pode estar na faixa de 400°C e 700°C, de um modo mais preferido a temperatura de recozimento é 550°C.

[00076]É possível que as etapas de estiramento e recozimento possam ser repetidas várias vezes, de modo a reduzir gradualmente o diâmetro do produto estirado e aumentar seu comprimento, isto é, estiramento seguido de recozimento, seguido de estiramento adicional e, em seguida, recozimento adicional etc. Uma abordagem padrão para a produção de um condutor alongado, como um fio. A etapa de estiramento pode ser conduzida de modo a reduzir o diâmetro do fio entre 5% e 75% entre as etapas de recozimento. É particularmente preferido que o elemento condutor tenha a forma de um fio na presente invenção. Um fio é um elemento condutor que geralmente é um cordão de metal cilíndrico e flexível.

[00077]Em relação à etapa de estiramento, o inserto pode ser estirado por meio de uma seleção de tamanhos de matriz cada vez menores. Ao estirar a pastilha através de uma matriz, seu diâmetro é reduzido e seu comprimento é aumentado. O produto estirado pode ser recozido após várias aplicações de estiramento ou após cada aplicação de estiramento. A etapa de estiramento pode compreender estirar o inserto mais de 10 vezes, ou mais de 15 vezes, ou mais de 20 vezes através de matrizes cada vez menores. As matrizes podem ser feitas de aço rápido, aço endurecido ou carboneto de tungstênio.

[00078]Como um estágio inicial da etapa de estiramento, o inserto pode ser submetido a uma etapa de compressão (por exemplo, por estiramento rotativo ou laminação) de modo a deformar o inserto em um diâmetro menor. Isso pode ajudar a compactar as regiões separadas do inserto juntas. Isso, por sua vez, pode ajudar a evitar a formação de vazios durante o resto da etapa de estiramento à medida que o comprimento da pastilha aumenta. A etapa de compressão pode remover ou reduzir substancialmente quaisquer vazios entre a luva e a bobina e a folha enrolada e entre as camadas da folha. Esta etapa resulta em uma redução do diâmetro e um aumento no comprimento da pastilha e melhora a eficiência da etapa de estiramento.

[00079]A pluralidade de nanotubos de carbono utilizados na presente invenção compreende de um modo preferido nanotubos de carbono de paredes múltiplas. Esses nanotubos de carbono são constituídos por vários nanotubos de carbono aninhados uns nos outros. Esta forma de nanotubo é particularmente eficaz em contribuir para a condutividade elétrica do produto resultante.

[00080]A presente invenção também se refere a um precursor de elemento condutor, um inserto e um elemento condutor formado pelos métodos descritos neste documento.

[00081]O elemento condutor descrito neste documento pode ser isolado com uma luva isolante. A luva isolante pode ser qualquer material isolante adequado, como borracha de silicone, cloreto de polivinila ou PTFE.

[00082]A presente invenção fornece ainda um precursor de elemento condutor que compreende uma matriz, em que a matriz compreende um material metálico; e uma pluralidade de nanotubos de carbono dentro da matriz, em que a pluralidade de nanotubos de carbono está substancialmente alinhada.

[00083]A pluralidade de nanotubos de carbono pode ser substancialmente alinhada paralela à superfície externa. Isso aumenta a facilidade com que o precursor pode ser processado em um elemento condutor.

[00084]A presente invenção fornece ainda um inserto que compreende uma matriz, em que a matriz compreende um material metálico; e uma pluralidade de nanotubos de carbono dentro da matriz, em que a pluralidade de nanotubos de carbono está substancialmente alinhada ao longo de um eixo longitudinal do inserto.

[00085]A presente invenção também fornece um elemento condutor alongado que compreende uma matriz, em que a matriz compreende um material metálico; e uma pluralidade de nanotubos de carbono dentro da matriz, em que a pluralidade de nanotubos de carbono está substancialmente alinhada ao longo de um eixo longitudinal do elemento condutor alongado.

[00086]A matriz do elemento condutor e do precursor do elemento condutor se refere a uma região substancialmente contínua. A matriz engloba a pluralidade de nanotubos de carbono.

[00087]O eixo longitudinal do elemento condutor alongado está ao longo da direção alongada. Por exemplo, quando o elemento alongado tem a forma de um fio, o eixo longitudinal corre ao longo do comprimento do fio.

[00088]O elemento condutor e o inserto podem ter uma pluralidade de camadas distintas de nanotubos de carbono ao longo de uma seção transversal da matriz devido à maneira como foram feitos. Por exemplo, a etapa de laminação significa que ao longo da seção transversal da matriz, perpendicular ao eixo longitudinal, existem camadas contendo os nanotubos de carbono, separados por regiões que são livres de nanotubos de carbono. Essas camadas de nanotubos de carbono são distintas do resto da matriz e podem ser identificadas por microscopia ou difração de raios-x.

[00089]As características descritas em relação ao método neste documento também são aplicáveis ao elemento condutor alongado final. Por exemplo, a matriz de material condutor pode ser um material metálico e pode ser cobre. Além disso, quando é afirmado que os nanotubos estão substancialmente alinhados, a tolerância dada acima se aplica igualmente ao produto.

[00090]Em geral, uma abordagem particularmente preferida da presente invenção utiliza um substrato metálico com uma camada de cerâmica, sobre a qual os nanotubos de carbono são cultivados. Esses nanotubos de carbono são retidos no substrato e uma etapa de decoração inicial é realizada usando CVD para depositar um material metálico ao longo dos nanotubos de carbono e, opcionalmente, uma etapa de dopagem usando CVD para depositar partículas de halogênio ao longo dos nanotubos de carbono. Os nanotubos de carbono são então submetidos a uma força de cisalhamento em suas extremidades livres para alinhá-los substancialmente ao longo da superfície do substrato metálico. O revestimento dos nanotubos de carbono é concluído usando uma abordagem de galvanização para garantir que os nanotubos de carbono estejam totalmente encapsulados. Isso resulta em um precursor de elemento condutor.

[00091]A presente invenção será agora descrita em relação ao seguinte exemplo específico, juntamente com os desenhos.

[00092]A Figura 1 é uma imagem SEM da superfície da camada de sílica depositada em uma folha de cobre.

[00093]A Figura 2 é uma imagem SEM da superfície da camada de sílica depositada em uma folha de cobre onde a camada de sílica foi rachada.

[00094]A Figura 3 é uma imagem SEM dos nanotubos de carbono cultivados em uma folha de cobre.

[00095]A Figura 4 é uma imagem SEM de nanotubos de carbono com partículas de cobre depositadas.

[00096]A Figura 5 é uma imagem SEM adicional de nanotubos de carbono com partículas de cobre depositadas.

[00097]A Figura 6 é outra imagem SEM de nanotubos de carbono com partículas de cobre depositadas.

[00098]A Figura 7 representa esquematicamente a etapa de aplicação de uma força de cisalhamento aos nanotubos de carbono crescidos.

[00099]A Figura 8 é uma representação esquemática do processo de galvanização.

[000100]A Figura 9 é uma representação esquemática do perfil de corrente aplicado para a etapa de galvanização.

[000101]A Figura 10 é uma imagem SEM de nanotubos de carbono revestidos com cobre após a eletrodeposição.

[000102]A Figura 11 representa esquematicamente uma bobina que pode ser usada com a presente invenção.

[000103]As Figuras 12 e 13 representam esquematicamente o substrato metálico sendo enrolado em um recesso na bobina.

[000104]A Figura 14 representa esquematicamente uma luva que pode ser usada com a presente invenção.

[000105]A Figura 15 representa esquematicamente uma seção transversal da luva contendo a bobina.

[000106]A Figura 16 descreve esquematicamente a etapa de estiramento.

[000107]A Figura 17 descreve esquematicamente uma seção transversal através do fio final.

[000108]A Figura 18 é uma imagem SEM secundária e uma imagem SEM retroespalhada de uma seção transversal de fio estirado.

[000109]A Figura 19 é um detalhe das camadas de nanotubos de carbono na figura 18.

[000110]A Figura 20 é uma imagem SEM de uma seção transversal gravada do fio estirado.

[000111]A Figura 21 é uma imagem SEM de uma seção longitudinal gravada do fio estirado.

[000112]O substrato usado é uma fita fina de folha de cobre presa a um porta-amostras de cobre ou latão. O termo

"fita" é usado devido ao longo comprimento da folha de cobre em relação à sua largura. O porta-amostras é introduzido em uma primeira câmara do reator através de uma porta lateral, onde fica apoiado nos trilhos que garantirão sua translação para a próxima câmara. A câmara de deposição é fechada e evacuada e preenchida com argônio várias vezes para remover a maior parte do oxigênio e da umidade. A pressão é então ajustada para um valor de cerca de 5 mbar com um fluxo constante de argônio de 1 SLM. Deposição de sílica:

[000113]Uma corrente elétrica é passada entre os dois trilhos, através do porta-amostras e da fita de folha de cobre. Quando a temperatura da fita atinge 650°C, a injeção do precursor pode ocorrer. A frequência de injeção é de 50 Hz, com tempo de abertura de 0,7 ms. Uma solução de 0,1 M TEOS em tolueno anidro é injetada no vaso de evaporação, que é aquecido a 190°C. Um fluxo de gás transportador de 2 SLM de Ar é executado através do evaporador. Após 15 minutos da injeção, o fluxo do precursor é interrompido e a câmara evacuada várias vezes para remover os vestígios remanescentes da solução do precursor.

[000114]As camadas de sílica obtidas têm em média 400 nm de espessura e são muito lisas, como mostra a micrografia SEM da Figura 1. A Figura 2 demonstra uma seção onde a camada de sílica foi deliberadamente rachada para expor a folha de cobre subjacente para fins de ilustração. Na prática, para evitar rachaduras, a temperatura elevada do substrato metálico pode ser mantida entre a deposição da camada de sílica e a próxima etapa de crescimento da floresta de nanotubos de carbono.

Crescimento da floresta de nanotubos de carbono:

[000115]Uma vez concluída a limpeza, a pressão na câmara é aumentada enchendo-se com gás argônio e uma vez que a pressão atmosférica é atingida, o porta-amostra é transferido para a próxima câmara através de uma válvula gaveta. Uma vez que a amostra está na segunda câmara e a válvula gaveta é travada, o processo de injeção de nanotubo de carbono pode começar. O precursor de uma solução de 3% em peso de ferroceno em tolueno, injetado ao longo do mesmo processo que o precursor de sílica. Os parâmetros de injeção são tempo de abertura de 0,7 ms, frequência de 25 Hz e fluxo de gás transportador de 3 SLM de Ar. O forno de pré-aquecimento que ocorre entre o evaporador e a câmara de deposição é aquecido a 725°C. O processo dura 10 minutos. Assim que o processo é concluído, a fita de cobre é resfriada e a câmara é evacuada e preenchida de volta com argônio para remover os vestígios de precursor restantes.

[000116]As florestas de nanotubos de carbono cultivadas por este processo têm cerca de 400 µm de espessura, com uma densidade de nanotubos de carbono de cerca de 108 nanotubos de carbono por cm2 e um alinhamento muito bom, conforme mostrado na Figura 3. Limpeza de nanotubos de carbono soltos:

[000117]Uma vez que o processo de crescimento da floresta de nanotubos de carbono é concluído, o porta- amostras é transferido para uma câmara de limpeza intermediária por meio de outra válvula gaveta. Lá, ele é submetido a um alto fluxo de argônio para soprar qualquer CNT solto. Uma vez concluída esta etapa, ele é transferido para a terceira câmara de deposição.

Semeação de cobre:

[000118]Quando a amostra está em posição na terceira câmara, a pressão é abaixada novamente para 160 mbar, e uma corrente de precursor é injetada na câmara ao longo do mesmo processo da deposição de sílica. A solução precursora injetada é uma solução 0,25 M de Cu(acac)2 em tolueno, com comprimento de pulso de 0,7 ms e frequência de 25 Hz. A floresta de nanotubos de carbono é então decorada por nanopartículas de cobre, conforme mostrado na Figura 4, na Figura 5 e na Figura 6. Esta etapa permite uma melhor deposição do cobre na espessura do tapete durante a próxima etapa.

[000119]A terceira câmara de deposição é então evacuada, lavada com argônio e aumentada para a pressão atmosférica. O porta-amostra é então extraído por uma porta lateral. Dopagem de halogênio opcional:

[000120]O iodo é usado como um halogênio de dopagem e é injetado usando uma solução de iodoetano (C2H5I) em tolueno: duas partes de iodoetano para uma parte de tolueno. A injeção ocorre durante a etapa de semeadura do cobre. Primeiramente o precursor de cobre é injetado por 20 minutos, então a solução contendo iodo é injetada usando os mesmos parâmetros até que 15 ml de solução tenham sido injetados, então a injeção de cobre é reiniciada. Orientação do nanotubo de carbono:

[000121]As fitas de folha revestida são removidas do suporte de amostra e a floresta de nanotubos de carbono de ambos os lados são estabelecidas passando a fita revestida 2 entre dois cilindros de quartzo lisos rotativos 4, 6 ao longo da dimensão da largura das fitas, como ilustrado na Figura 7. Isso permite que os nanotubos de carbono sejam orientados coaxialmente para o processo de estiramento subsequente. Infiltração de cobre:

[000122]A fita 2 com a floresta de nanotubos de carbono orientada é então instalada em um rack e mergulhada em um banho de galvanização 7, conforme ilustrado na Figura 8. Este banho é composto por 0,56 mol/l de uma solução aquosa de CuSO4, com 0,67 mol/l de ácido sulfúrico, 0,0027 mol/l de cloreto de sódio. O volume desta solução no banho é de 250 ml com a adição de 5 ml de N-metil pirrolidona (NMP), 5 ml de metanol e 0,1 g de dodecilsulfato de sódio (SDS). Uma corrente é estabelecida entre a fita de cobre revestida e um ânodo de cobre puro para galvanizar a floresta de nanotubos de carbono com cobre. A corrente é imposta e o potencial ajustado, como normalmente feito para eletrodeposição de cobre, e descrito em Schneider, Weiser, Dörfer et al. (2012), Surface Engineering, vol. 28, número 6, páginas 435 a 441. A fim de melhorar a deposição de cobre dentro da floresta, a corrente segue um padrão de pulso reverso (conforme descrito em "Mechanical properties of carbono nanotubes/metal composites", dissertação de doutorado de Ying Sun, Universidade da Flórida Central, 2010), com um ligeiro deslocamento para manter uma força de eletromigração aplicada aos íons de cobre durante o tempo de não deposição. A Figura 9 mostra o padrão típico usado, onde IC é a corrente de revestimento, IS é a corrente de separação, com o deslocamento permitindo a eletromigração dos íons de cobre sem revestimento. Os nanotubos de carbono totalmente revestidos são ilustrados na Figura 10. Estiramento do fio:

[000123]O inserto é opcionalmente comprimido primeiro (por exemplo, usando uma máquina de estiramento rotacional ou máquina de laminação a quente ou a frio) até que todos os espaços vazios no inserto sejam substancialmente eliminados.

[000124]O processo de estiramento é realizado sobre um substrato de cobre com 300 mm de comprimento e 100 mm de largura. Este substrato foi submetido às etapas acima para formar nanotubos de cobre nas duas principais superfícies opostas do substrato. Uma bobina 8 com uma região rebaixada 10 para receber o substrato enrolado é fornecida como mostrado na Figura 11. O substrato 6 é então enrolado em uma bobina 8 para formar uma bobina de 18 mm de diâmetro. Isso é representado nas Figuras 12 e 13. Esta bobina 8 é deslizada para dentro de uma luva 12 deslizando-a para uma cavidade em uma das extremidades da luva. A luva tem um diâmetro externo de 22 mm e um comprimento de 500 mm e está representada na Figura 14. A luva 12 com a bobina 8 dentro está representada na Figura 15. Os nanotubos de carbono foram colocados para serem substancialmente alinhados ao longo do comprimento do inserto.

[000125]O inserto é então estirado em uma bancada de estiramento para atingir uma redução de 10% no diâmetro do inserto, conforme ilustrado na Figura 16. O tarugo estirado é então recozido em uma atmosfera de argônio a uma temperatura de 550°C.

[000126]As etapas de estiramento e recozimento são repetidas até que o diâmetro da inserto tenha sido reduzido para 8 mm e o comprimento aumentado para 3,75 m.

[000127]A análise de raios-X é então conduzida nas extremidades do inserto de modo a identificar e cortar as seções que são cobre puro (devido ao maior comprimento do tarugo em comparação com o substrato antes do estiramento). Este inserto é então passado por uma máquina de desmontagem de haste para reduzir o diâmetro para 2 mm. Este é então puxado para baixo para 1 mm usando uma máquina de estiramento e o fio é então enrolado. O comprimento final do fio neste exemplo é de aproximadamente 50 m.

[000128]A Figura 17 mostra uma representação do fio final, onde há uma matriz de cobre 14, dentro da qual existem camadas de nanotubos de carbono separadas por camadas que não contêm nanotubos de carbono. O padrão das camadas de nanotubos de carbono foi introduzido no processo de laminação.

[000129]A Figura 18 ilustra uma imagem SEM de um fio puxado para baixo a 1,5 mm. A imagem é um corte transversal do fio e mostra pelo menos 13 camadas de nanotubos de carbono ao longo do raio do fio. O detalhe dessas camadas está representado na Figura 19. Uma amostra gravada dessa seção transversal é mostrada na Figura 20, onde o alinhamento das extremidades dos nanotubos de carbono pode ser apreciado pela coleção de nanotubos de carbono no centro da imagem.

[000130]A Figura 21 ilustra uma seção longitudinal do fio com alinhamento substancial dos nanotubos de carbono no centro das imagens ao longo da direção longitudinal dos nanotubos de carbono.

[000131]Além da combinação de recursos citados nas reivindicações, os vários recursos aqui descritos podem ser combinados de qualquer maneira compatível.

Claims

REIVINDICAÇÕES EMENDADAS

1. Método para produzir um precursor de elemento condutor, o método caracterizado pelo fato de compreender as seguintes etapas: formar uma pluralidade de nanotubos de carbono em um substrato metálico; aplicar uma força de cisalhamento à pluralidade de nanotubos de carbono no substrato metálico em uma primeira direção; e revestir nanotubos de carbono da pluralidade de nanotubos de carbono com um material metálico.

2. Método para produzir uma fita condutora, o método caracterizado pelo fato de compreender as seguintes etapas: formar o precursor do elemento condutor conforme definido na reivindicação 1; comprimir o precursor do elemento condutor de modo a aumentar seu comprimento e formar a fita condutora.

3. Método para produzir um inserto, o método caracterizado pelo fato de compreender as seguintes etapas: formar o precursor do elemento condutor conforme definido na reivindicação 1; e enrolar o substrato com os nanotubos de carbono revestidos para formar o inserto.

4. Método para produzir um elemento condutor, o método caracterizado pelo fato de compreender as seguintes etapas: formar o inserto conforme definido na reivindicação 3; e estirar o inserto para aumentar seu comprimento e formar um elemento condutor.

5. Método para produzir um elemento condutor, o método caracterizado pelo fato de compreender as seguintes etapas: formar uma pluralidade de nanotubos de carbono em um substrato metálico; enrolar o substrato com a pluralidade de nanotubos de carbono para formar um inserto; e estirar o inserto para aumentar seu comprimento e formar o elemento condutor, em que o método compreende adicionalmente a etapa de revestir nanotubos de carbono da pluralidade de nanotubos de carbono com um material metálico; e em que enrolar o substrato é uma etapa de enrolar o substrato com os nanotubos de carbono revestidos para formar o inserto.

6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 a 5, caracterizado pelo fato de que a etapa de laminação compreende enrolar o substrato em torno de uma bobina metálica e, em que a bobina metálica com o substrato laminado na mesma é colocada em uma luva metálica para formar o inserto.

7. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a bobina metálica e a luva metálica compreendem cobre.

8. Método, de acordo com a reivindicação 6 ou 7, quando direta ou indiretamente dependente da reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o substrato com os nanotubos de carbono revestidos é enrolado em volta da bobina de modo que a primeira direção seja substancialmente paralela ao eixo de rotação da bobina.

9. Método, de acordo com a reivindicação 8, quando direta ou indiretamente dependente da reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a primeira direção é substancialmente paralela a uma direção de estiramento da etapa de estiramento.

10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a etapa de formação de uma pluralidade de nanotubos de carbono compreende a deposição química em fase vapor.

11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a etapa de revestimento dos nanotubos de carbono compreende deposição química em fase vapor.

12. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a etapa de revestir os nanotubos de carbono compreende decorar os nanotubos de carbono com o material metálico por meio de deposição química em fase vapor e, em seguida, galvanizar os nanotubos de carbono com o material metálico.

13. Método, de acordo com a reivindicação 4 ou 5, ou qualquer uma das reivindicações 6 a 12, quando direta ou indiretamente dependente das reivindicações 4 ou 5, caracterizado pelo fato de compreender adicionalmente uma etapa de recozimento após a etapa de estiramento.

14. Método, de acordo com a reivindicação 4 ou 5, ou qualquer uma das reivindicações 6 a 12, quando direta ou indiretamente dependente da reivindicação 4 ou 5, caracterizado pelo fato de que o elemento condutor está na forma de um fio.

15. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o substrato metálico está na forma de uma folha.

16. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o substrato metálico e o material metálico compreendem cobre.

17. Precursor de elemento condutor caracterizado pelo fato de ser formado pelo método conforme definido na reivindicação 1, ou em qualquer uma das reivindicações 10, 11, 12, 15, ou 16 quando direta ou indiretamente dependente da reivindicação 1.

18. Fita condutora caracterizada pelo fato de ser formada pelo método conforme definido na reivindicação 2, ou em qualquer uma das reivindicações 10, 11, 12, 15, ou 16 quando direta ou indiretamente dependente da reivindicação

2.

19. Inserto caracterizado pelo fato de ser formado pelo método conforme a reivindicação 3, ou em qualquer uma das reivindicações 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 15, ou 16 quando direta ou indiretamente dependente da reivindicação 3.

20. Elemento condutor caracterizado pelo fato de ser formado pelo método conforme definido na reivindicação 4 ou 5, ou qualquer uma das reivindicações 6 a 16, quando direta ou indiretamente dependente da reivindicação 4 ou 5.