TW200906711A - Method of making high-density carbon nanotube array - Google Patents

Description

200906711 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及一種奈米碳管陣列的製備方法， 涉及一種高密度奈米碳管陣列的製備方法。 【先前技術】 尤其 奈米碳管為九十年代初才發現的—種新 奈米材料。奈米碳管的特殊結構決定了其具有特殊的 性質，如高抗張強度和高熱穩定性；隨著奈米碳管螺 旋方式的變化，奈米碳管可呈現出金屬性或半導體性 4。由於奈米碳管具有理想的—維結構及於力學、帝 學、熱學等領域優良的性質，其於材料科學、化⑨ 物理學等交又學科領域已展現出廣闊的應用前景，於 科學㈣以及產業應用上也受到越來越多的關注。、 先珂比較成熟的製備奈米碳管的方法主要包括 電^瓜放電法（Are dlseharge)、錯射燒#法旧咐 及化學氣相沈積法 =7咖，CVD)。其中，化學氣相沈積法和前兩種 获^具有產m控性強、與先前的積體電路 等優點’利於工業上進行大規模合成，因此 近成年備党關注。 細相，採用CVD方法製備奈米碳管陣列的技術已 熟’然直接生長得到的奈米碳管陣列受⑽ 方法生長的限制，於其陣列中奈米碳管的密度基本上 200906711 為確定的，無法任意調控。此外，該方法直接生長的 奈米碳管陣列中奈米碳管的密度在微觀上看為較為 鬆散的，奈米碳管之間的間距大於奈米碳管自身直徑 的數倍’所製備的奈米碳管陣列的密度最大也只於 102克每立方厘米（g/cm3)量級上。因此CVD方法直接 生長得到的奈米碳管陣列中奈米碳管的密度較低。這 種密度較低的奈米碳管陣列於電子、導熱等方面的性 質還不能達到比較理想的要求。

Don N. Futaba 荨（凊參見 “shape-engineerable and highly densely packed single-walled carbon nanotubes and their application as supercapacitor electrodes" , Don N. Futaba et al.,

Nature Materials，v〇l 5，P987(2006))利用收縮效 應把單壁奈米碳管收縮成高密度奈米碳管陣列，且證 貫了其所製備的高密度單壁奈米碳管陣列，具有單個 奈米碳管的固有特性，例如大的比表面積、優異的柔 韌性以及導電性等。高密度單壁奈米碳管陣列可應用 於彈性加熱器和密閉能量記憶體件的超級電容器的 电極上，然，該方法製備的工序較複雜。 有鑒於此，提供一種簡單易行的製備高密度、均 勻地疋向排列的奈米碳管陣列的製備方法實為必要。 【發明内容】 一種高密度奈米碳管陣列製備方法，包括：提供 200906711 *幵V成於一基底的奈米碳管陣列；提供一高彈性薄 t均勻拉伸上述的高彈性薄膜後，附着在上述奈米 厌B陣列上，同時對該高彈性薄膜均勻地施加壓力； 保嶋並收縮高彈性薄膜，撤去壓純，分離奈米 碳管陣列與高彈性薄膜’從而得到高密度奈米碳管陣 列。 #與先前技術相比，本發明所提供的高密度奈米碳 官陣列的製備方法具有以下優點：其―，所述的製備 方法簡單易行，有利於用於實際生產；其二，所製備 的的高密度奈米碳管陣列中的奈米碳管均勾地定向 排列，其讀可根據需要控㈣aD方法直接生長所 得到的奈米碳管陣列密度的5〜5〇倍。由於該奈米碳 管陣列在電、熱等方㈣有較好的特性，可以廣泛地 應用在催化電極、電池電極、電磁遮罩、導電材料、 導熱材料、發光材料以及複合㈣等方面。 【實施方式】 以下將結合附圖詳細說明本實施例高密度奈米 碳管陣列的製備方法。 ' 請參閱圖1及圖2,本實施例高密度奈米碳 列20的製備方法主要包括以下步驟： 步驟一：提供—形成於—基底的奈米碳管陣列 20 ’優選地，該陣列為超順排奈米破管陣列。 本貫施例中，奈米碳管陣列2〇的製備方法採用 200906711 化學氣相沈積法，其具體步驟包括：（a)提供一平整 基底’§亥基底可選用p型或N型石夕基底，或選用形成 有氧化層的矽基底，本實施例優選為採用4英寸的矽 基底’（b )在基底表面均勻形成一催化劑層，該催化 劑層材料可選用鐵（Fe)、鈷（Co)、鎳（Nl)或其任 思組合的合金之一；（c)將上述形成有催化劑層的基 底在700〜900°C的空氣中退火約30分鐘〜9〇分鐘； (d)將處理過的基底置於低壓反應爐中，大氣壓強 約〇. 2托（Torr)，在保護氣體環境下加熱到7〇5t：，. 然後通入碳源氣體反應約2〇分鐘，生長得到奈米碳 官陣列。該奈米碳管陣列為多個彼此平行且垂直於基 底生長的奈米碳管形成的純奈米碳管陣列，由於生成 的奈米碳管長度較長，部分奈米碳管會相互纏繞。通 過控制上述生長條件’該超襲奈米碳管陣列中美本 :含有，質’如無定型碳或殘留的催化劑金屬：粒 :、°本貫施例中碳源氣可選用乙炔等化學性質較活带 的碳氫化合物，保護氣體―氣、氨氣或惰料 體。可以理解，本實施例提供的奈米碳管陣列不限於 =備Γ’所述的奈米碳管陣列包括單壁奈米碳 ^車列、雙壁奈米料陣列或多壁以碳管陣列中的 種〇 步驟二：提供-高彈性薄膜30。 聚：的30材料可為高彈性的高分子 口物中的種，如石夕橡膠、順丁橡膠、天然橡膠、 200906711 異戊橡膠或丁苯橡膠。本實施例中採用的高彈性薄膜 3 0為梦橡膠薄膜。 步私一.均勻拉伸上述的高彈性薄膜別後，將 拉伸後的高彈性薄膜3G附着在上述奈米碳管陣列2〇 上’同時㈣高彈性薄膜3G均勻地施加壓力。 其中，均勻拉伸上述的高彈性薄膜3〇為一維拉 伸或者一、准拉伸’一維拉伸為在高彈性薄㈣的長 度或寬度方向上拉伸。二維拉伸為在高彈性薄膜3〇 的長度和寬度兩個方向上同時拉伸。 本κ %例中知用二維拉伸高彈性薄膜。將高彈 性薄膜30進行二維拉伸後，直接將拉伸後的高彈性 薄膜3〇附着在奈米碳管陣列2〇上，具體地，將拉伸 後的南彈性_ 3〇附着在奈米碳管陣㈣遠離基底 的一端’同時對該高彈性薄m 3〇均勾地施加壓力， 以增力:高彈性薄膜30和奈米碳管陣列20之間的附着 力把加于上边的面彈性薄Μ 3〇的表面的壓力的方 σ為垂直於基纟1G方向。上述的施加壓力的大小不 限’可根據實際需要進行選擇，只需保證對高彈性薄 膜30均勻地施加壓力。 /步驟四：保持壓力並收縮高彈性薄膜別，撤去壓 /曰隻上刀離奈米石反官陣列2Q和高彈性薄膜30，從而 付到局雄、度奈米碳管陣列4〇。 彈性薄膜3G時’奈米碳管陣列20隨著高 '寻犋30 一起均勻收縮，由於高彈性薄膜30和奈 200906711 ==陣列20之間的附着力大於奈米碳管陣列20和 :氏10的附看力，隨著高彈性薄膜 碳管陣列2〇從基底J0上脫離文^不/卡 碳管陣列2〇與高雜絲力後，將奈米 奈米竣管陣列40。 刀離，從而得到高密度 膜中去收^问彈性缚膜30為一維收縮高彈性薄 膜3〇或者二維收縮高彈性薄膜3〇。一維收縮高彈性 ，通過在高彈性薄膜的長度或寬度方向上收 :鬲弹性薄膜30。二維收縮高彈性薄膜30為通過在 ㈣㈣膜3G的長度和寬度兩個方向上同時收縮高 祕溥膜30。本實_採用二維收㈣橡膠薄膜。 丄其中，本實施例採用機械法將奈米碳管陣列20 與尚彈性薄膜30分離。即對高彈性薄膜30施加-機 械拉力，直接將高彈性薄膜3〇與奈米碳管陣列別分 離。由於奈米碳管陣㈣中的奈米碳管間的密度高、 結合力強，能夠使得奈米碳管陣列2〇自支撐而不散 開’從而得到高密度奈米碳管_4()。還可採用其他 方法將奈米碳管陣列2G與高彈性薄膜3{)分離。 所製備的高密度奈米碳管陣列40的密度可達到 CVD法直接生長所得到的奈米碳管陣列密度的5 — 倍。 本實施例中獲得的高密度奈米碳管陣列40中的 奈米碳管均句緊密地定向排列，密度為⑽法直接生 長所得的奈米碳管陣列20的15倍。本實施例可通過 12 200906711 . 控制對奈米破管陣列進行的高彈性薄膜3〇收縮程 度的大小’進而控制所述的高密度奈米碳管陣列40 的密度。 本貫施例中咼密度奈米碳管陣列的製備方法具 有以下優點.其-，所述的製備方法簡單易行’有利 於用於貫際生產，其二，所製備的高密度奈米碳管陣 列中的奈米碳管均勻地定向排列，其密度可根據需要 &制為CVD方法直接生長所得到的奈米碳管陣列密度 的5〜50倍。由於該奈米碳管陣列在電、熱等方面都 有較好的特性，可以廣泛地應用在催化電極、電池電 極、電磁遮罩、導電材料、導熱材料、發光材料以及 才旻合材料等方面。 上所述，本發明墙已符合發明專利之要件，遂 依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較 佳貫施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉 凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等 效修飾或變化’皆應涵蓋於以下申請專利範圍内。 【圖式簡單說明】 圖1係本發明實施例高密度奈米碳管陣列的製備 方法的流程示意圖。 圖2係本發明貫施例向後、度奈米碳管陣列的黎】備 過程中奈米碳管陣列隨著高彈性薄膜收縮的形變示 意圖。 13 200906711 【主要元件符號說明】 無 14

Claims (1)

1. 200906711 十、申請專利範圍 包括以下步 L —種高密度奈米碳管陣列的製備方法 驟： / 提供一形成於一基底的奈米碳管陣列； 提供一高彈性薄膜； ’ =拉伸上述的高彈性薄膜後，附着在上述奈米碳 管陣列上，㈣對料料相的㈣加壓力. 保持壓力並㈣高彈性薄膜，撤去壓力後，分離太 =管陣列與高彈性薄膜，從而得到高密度奈米^ 2. 如申請專利範圍第1項所述的高密度奈米碳管陣列 的製備方法’其巾，所述的高雜薄赌料為石夕橡 膠、順丁橡膠、天然橡膠、異戊橡膠或τ笨橡膠。 3. 如申請專職圍第丨項職的高密度奈米碳管陣列 的製備方法’其中，所述的均句拉伸為—維 者二維拉伸。 4. 如申請專利範圍第3項所述的的高密度奈米碳管陣 列的製備方法’其中，所述的—維㈣為在上述的 高彈性薄膜的長度或寬度方向上拉伸。 5. 如申請專職述的的高密度奈米碳管陣 列的製備方法’其中，所述的二維拉伸為在上述的 尚彈性薄膜的長度和寬度兩個方向上同時拉伸。 6. 如申請專利範圍第i項所述的高密度奈米碳管陣列 的製備方法，其中，所述的將高彈性薄膜附着在奈 15 200906711 米碳管陣列上，其具體製備過程為將高彈性薄膜附 着在奈米碳管陣列遠離基底的一端。 如申請專利範圍第！項所述的高密度奈米碳管陣列 的製備方法，其中，所述的施加壓力的方向為垂直 於基底方向。 8.如申請專利範圍第丨項所述的高密度奈米碳管陣列 的製備方法，其中，所述的收縮高彈性薄膜為一唯 收縮高彈性薄膜或二維收縮高彈性薄膜。 9·如申請專利範圍第8項所述的高密度奈米碳管陣列 的製備方法，其中，斛、+、AA 、 所述的一維收縮高彈性薄膜為 通過在尚彈性薄臈的長命 性薄膜。 長度次見度方向上收縮高彈 項所述的高密度奈米碳管陣 所述的二維收縮高彈性薄膜 的長度和寬度兩個方向上同 10.如申請專利範圍第8 列的製備方法，其十， 為通過在局彈性薄膜 時收縮南彈性薄膜。 11.如申請專利範圍第 列的製備方法，其中 南彈性薄膜的方法為 項所述的高密度奈米碳管陣 ，所述的分離奈米碳管陣列和 機械法。