TW200407259A - A carbon nanotube yarn and the method for making it - Google Patents

Description

200407259 玖、發明說明 内容、實 KSS說ΪΓ屬之技術領域、先雜術 【發明領域】 本毛明係關於-種奈米碳材料，尤其係關於一種超長奈米碳管材料 及其製造方法。 【發明背景】 攸 1991 年 h 扉《s· π 細，Nature(L〇nd〇n)啊 現奈米％官開始，其生長方法已發展為很多種（電弧放 與化學氣相沈積法等），但這些生長奈米碳管之方法所製造之奈米破I. 長度一般只能翻财量級，從祿_論及實驗上騎長奈米碳管之 超長奈米碳管係—重點、難點，在理論與應用方面具有重要 所指的“超長’’係、指奈米碳管之長度達到十釐米量級。 8^28g^^^_^^)JE4〇21〇〇 華大學朱宏偉、徐才鉢餘日日、⑯b ^射κ由北“ 太 $ 、'、、又月）’^出採用立式浮動催化裂解法製造單壁 直徑可與人咐賤 奸了賴屋未，< 尺寸之_，編^ 方対町缺陷，㈣於受反應器 長溫度較高，生界m山物間不月b過長，而且奈米碳管之生 【發明目的】 反管之溫度爲麵°C左右。 之目的储供—種超長尺寸之奈米碳管繩。 法。—目的係提供-種在較低溫度下製造該奈米碳管繩之方 6 200407259 【發明特徵】 本發明提供一種奈米碳管繩，其包括複數奈米碳管束片段，相鄰夺 米碳管束μ端部依次相互連接，且仙奈米碳管束技由複數相互平 行之奈米碳管束構成。其巾，該奈米碳管束包含奈純管，且每個 奈米碳管束諸具有大致㈣之長度及相鄰奈米碳管束片段端部通過凡 德瓦爾力相互連接。 本發明亦提供一種製造該奈米碳管繩之方法，其包括下列步驟：提 供-平滑基底’將催化舰積於該基底上，將沈積有慨歡基底於保籲 護氣體存在下蝴至—特定溫度後獻麵氣與賴氣體之混合氣體， 使催化J兵ί衣i兄之溫度差在5〇 c以上，且碳源氣分廢低於，反應5〜加 分鐘’奈米碳管陣列從基底長出。再從奈米碳管陣列中選定一包括複數 示米厌&束之示米石反官束片段，使用拉伸工具拉伸該奈米碳管束片段， 使奈米碳管繩沿拉伸方向職。其巾通過控制·氣之流速控制催化劑 與環境之溫度差，通過控制混合氣體之流速比测碳職之分壓。 【較佳實施例】 _ 請參閱第一圖，本發明奈米碳管繩4〇包括複數奈米碳管束片段3〇， 相鄰奈米碳管束片段端部31依次相互連接，且每個奈米碳管束片段％ 由複數相互平行之奈来碳管束2〇構成。其中，該奈米碳管束2Q包含複 數奈米碳管（未標示），且每個奈米碳管束片段3〇具有大致相等之長度及 相鄰奈米碳管束片段端部31通過凡德瓦爾力相互連接。 請參閱第二圖，本發明奈米碳管繩製造方法之流程圖。提供一平整 7 200407259 發明說明續頁， 光滑之基底50(請參閱第三圖），可選用p型或n型矽基底或具氧化層之 矽基底，本實施例中選用p型矽基底。於基底5〇上採用電子束蒸發法、 熱沈積或濺射法等方法形成厚度爲幾奈米到幾百奈米之金屬催化劑 51(請參閱第四圖），其中金屬催化劑51可爲鐵(Fe)、鈷(c〇)、鎳⑺〇 或其合金之一，優選用鐵爲催化劑，沈積厚度約爲5奈米。 而後將沈積有催化劑51之基底50在空氣中退火，退火溫度範圍爲 300〜400 C，時間約爲1〇小時。之後基底5〇被分割成許多矩形小塊，每 丨塊放入；5英舟中’在保護氣體存在條件下，在反應爐中力口熱一 時間使其達到一預定溫度，一般爲5〇〇~7〇(rc，優選爲65〇艺。 再通入30 sccm碳源氣與300 sccm之保護氣體(本實施例選用氬 氣)5〜30分鐘，製得高度約1〇〇微米之奈米碳管陣列1〇，請一併參閱第 五圖及第六圖。 ^其中碳源氣爲碳氫化合物，可爲乙块、乙烧等，優選用乙块，該保 護氣體爲惰性氣體或氮氣。 。爲制可拉製奈米碳管繩之奈米碳管_，在製造奈米碳管陣列過< 程中，必須滿足以下三個條件： (1) 基底平整光滑； (2) 奈米碳管陣列之生長速度快； (3) 碳源氣之分壓要低。 μ生長之基縣整光滑，可以使得贿基絲面之奈米 ^生長付更㈣，從而形成垂直於基底之奈米碳管陣列。 奈米碳管陣列之生長速度快與碳源氣之分壓低可以有效抑制無 8 200407259 發明說明、續頁 碳沈積於奈米碳管之表面，從而增加奈米碳管間之^德瓦爾力4無 定形碳之沈積速歧比於碳源氣之分壓，可⑽過酸舰氣與保護氣 體之流速比控繼源氣之分壓。而奈米碳管陣狀生長速度正比於催化 劑與反應爐之溫度差。可輯過輕麵氣之流速控織化劑之溫度， 而反應爐之溫度可以直接控制。 在本實施例中，催化劑與反應爐之最低溫度差控制爲5(rc，碳源氣 之分壓要低於2〇%，最好係低於1⑽。 請-併參閱第-圖，從奈米碳管陣列10中選定一包括複數奈米碳管籲 束20之奈米碳官束片段3Q，並使用拉伸工具拉伸該奈米碳管束片段洲， 使奈米碳管繩4〇沿拉伸方向形成。 在拉伸過程中’奈米碳管束片段3〇在拉力F作用下沿拉力方向伸長 之同日守’相鄰奈米碳管束片段端部3丨由於凡德瓦爾力之作用而相互連接 在一起，形成奈米碳管繩40。 *伸所用力之大小取決於所選奈米碳管束片段3〇之寬度:該寬度越 二的力越A。由實驗資料得出G.lmN的力可以拉出_微米寬# 之，米碳魏，而拉_奈米碳f繩需要G.5mN的力。在本實施例中高 =刚微米之奈米碳管陣列可以拉出長％鮮、寬職米之奈米碳 =方法製造之奈米碳管繩包括複數從奈米碳管_長出之奈米碳 二，’因此每個奈米碳管束片段具有大致相等之長度且每個奈米碳 ^通^由複數相互平行之奈米碳管束構成，其中，奈米碳管束片段端 4通過凡德瓦爾力相互連接。 9 2,0407259 相較於習知##-, 匕發8月說明_頁 、 叮，本發明具有如下優點·^~ -〜- 溫度較低；且奈米碳管陣列之 y =二中衣備奈純管陣列之 通過拉伸工呈杈柚化 、〜不’僅f⑽微米左右， 1 伸射崎到至更長之奈米碳管、繩。 、部上所述，本發明符合發财利要件，纽法提出專辦請。惟， 以上所述者僅為本發明之較佳實關，舉凡熟悉本紐術之人士，在援 依本案發珊神所作之等效修#或變化，皆應包含於以τ之巾請專利= 圍内。 .□續次頁（發明說明頁不敷使用時，請註記並使用續頁）

Claims (1)

1. 200407259 拾、申請專利範圍 1· 一種奈米碳管繩，其包括·· 複數奈米碳管束片段，相鄰奈米碳管束X段端雜次相互連接， 且每個奈米碳管束片段由複數相互平行之奈米碳管束構成。 2.如申請專補圍糾撕狀奈米碳管繩，其_該奈米碳管束包含複 數奈米碳管。 山3.如申請專利範圍第丨項所述之奈米碳管繩，其中相鄰奈米碳管束片段 端部通過凡德瓦爾力相互連接。 _ (如申請專利範圍第消所述之奈米碳管繩，其中每個奈米碳管束片段 具有大致相等之長度。 5·種製造奈米碳管繩之方法，其包括以下步驟： (1)提供一基底； (2)將催化劑沈積於該基底表面； ⑶通入麵氣與倾氣體之混合使奈米碳管陣舰基底上 長出； | ⑷於μ碳管_中選定—包括複數奈米碳管束之奈米碳管束 片丰又拉伸„玄示米石反官束片段，奈米碳管束片段端部依次相 互連接沿拉伸方向形成奈米碳管繩。 其中’絲底爲平整光滑之基底，催化劑與環境溫度差在训。〔以 上’碳源氣之分壓低於2〇%。 繩之方法，其中該基底爲 6·如申請專利範圍第5項所述之製絲米碳管 石夕基底或具氧化層之石夕基底。 11 200407259 申請專利範圍讀頁 7·如申請專利範圍第5項所述之製造奈米碳 爲鐵、鈷、鎳或其合金之一 劑 8·如申請專利範圍第5項所述之製造奈米碳管繩之方法，其中，^ 與環境溫度之溫度差係通過控制碳源氣之流速實現的。 別 9·如申請專利範圍第5項所述之製造奈米碳管繩之方法，其中节#、^ 之分壓通過控制碳源氣與保護氣體之流速比實現的。 、,、氣 10·如申請專利範圍第9項所述之製造奈米碳管繩之方法，复山 氣分壓優選爲低於10%。 /、麵' 11·如申凊專利範圍第5項所述之製造奈米碳管繩之方法，其中在南 石反源氣與保濩氣體之混合氣體進行反應前將沈積有催化劑之其底介产 中於300〜400 C範圍内退火1〇小時。 — ' 12·如申請專利範圍第丨丨項所述之製造奈米碳管繩之方法，其中於退火 後，通入混合氣體反應之前還包括將基底在保護氣體作用下，預加埶I 500〜700°C。 、Ά、到 13·如申請專利範圍第12項所述之製造奈米碳管繩之方法，其中基底之❿ 預加熱優選溫度爲65〇°C。 14·如申請專利範圍第5項所述之製造奈米碳管繩之方法，其中該碳源 氣爲碳氫化合物。 15·如申晴專利範圍第14項所述之製造奈米碳管繩之方法，其中該碳 源氣可為乙炔與乙烷等。 16·如申請專利範圍第5項所述之製造奈米碳管繩之方法，其中該保護 氣體爲惰性氣體或氮氣。 12 200407259 申請專利範圍續頁 17.如申請專利範圍第12項所述之製造奈米碳管繩之方法，其中在基 底預加熱到500〜700°C後碳源氣與保護氣體之混合氣體通入時間為5〜30 分鐘。

   拾壹、圖式 13