[發明專利]在鋁和碳材料之間形成有效的Al-C共價鍵的方法

無效

• 申請號: 200810135280.1
• 申請日: 2008-08-07
• 公開（公告）號: CN101475171A
• 公開（公告）日: 2009-07-08
• 發明（設計）人: 蘇康杓;李永熙;安啟革
• 申請（專利權）人: 成均館大學校產學協力團;株式會社大有新素材
• 主分類號: C01B31/30
• 分類號: C01B31/30
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司
• 代理人: 丁香蘭;龐東成

技術領域

本發明涉及使用電弧或電化學技術形成Al-C共價鍵的方法。

背景技術

鋁的應用范圍廣泛，從日常用品，如廚房用箔片、一次性餐具等到耐久品，如窗戶、車輛和航空器等。鋁的特點在于重量輕，僅有鋼的重量的三分之一，并通過與其他金屬形成合金而具有優異的強度。而且，由于鋁的表面上存在的化學穩定的氧化層可防止其被水分或氧氣腐蝕，因而鋁是化學穩定的。

鑒于此，鋁已經廣泛用于車輛、航空器等。特別是，車輛中采用的鋁制車輪比常規的鋼制車輪更輕，因而可減少其自身的負荷，這將有助于提高燃料效率，同時減輕車體的重量。不過，當將鋁用于諸如結構用管或結構用板等結構材料時，鋁制結構材料必須較厚，這是因為鋁的抗拉強度僅僅相當于鋼的抗拉強度的大約40％，這導致材料的過度耗費，從而造成材料的成本過高。

為解決該問題，正在大力推行制造鋁/碳材料接合物(joint)和復合物的研究。作為一個例子，韓國專利公報10-2003-0046378公開了通過使用添加劑使碳纖維與鋁結合而制造適用于結構材料的接合材料的方法。然而，該方法由于使用了添加劑因而對鋁和碳纖維之間的界面鍵合力存在限制，問題在于因為接合材料必須變形以使其成形因此粘合強度降低。

除了通過使用中間材料制造復合物的方法，對復合材料的積極研究也正在進行中。其中，制造碳纖維/碳納米管和鋁的復合材料的方法主要分為使用等離子體的方法和鍍覆法。

使用等離子體的方法是通過高能等離子體瞬間熔化鋁來燒結碳材料的方法。在日本專利特開公報2006-315893(2006.11.24)中披露了其一個實例。不過，使用等離子體的方法的缺點在于因為設備昂貴且需要長時間施加高頻率因而導致生產率下降。

電鍍法是制備復合材料鍍覆溶液、施加電勢并鍍覆復合材料的方法(日本專利特開公報2007-070689)。在該技術中，將碳納米管和鋁溶解在鍍覆溶液中，以使兩種材料能夠到達陰極的表面，由此形成復合物。然而，在該方法中，不利之處在于，不能控制鋁和碳材料之間的鍵合力和產率下降。

這種鋁/碳材料復合物的形成伴隨著幾個問題，這些問題基本上是由這兩種物質之間的物理和化學性質的差異造成的。首先，碳材料，例如碳納米管，由于范德華力而具有較高的相互粘結力，因而很難均勻地分散在鋁基質中。其次，碳材料和鋁基質具有不同的表面張力。顯示表面張力存在較大差異的一個良好例子是水和油，水的表面張力是油的2～3倍。然而，近期的研究報告揭示，鋁的表面張力是955mN/m，而碳材料的表面張力是45.3mN/m[基于J.M.Molina等International?Journal?ofadhesion?Adhesives?27(2007)394-401，S.Nuriel，L.Liu，A.H.Barber，H.D.Wagner.Direct?measurement?of?multiwall?nanotube?surface?tension，ChemicalPhysics?Letters?404(2005)263-266]。也就是說，這兩種材料的表面張力的差異是一種比另一種高大約20倍。該結果表明這兩種材料很難相互混合。而且，由于這兩種材料的密度明顯不同，因而它們在熔化時也幾乎不能相互混合。

發明內容

因此，已經完成了本發明以至少解決現有技術中出現的上述問題，本發明人通過使用電弧或電化學技術解決了鋁和碳材料間鍵合的現有問題。電弧法通過在電子流經碳材料和鋁之間時在碳納米管和鋁的化合物的內部產生電弧或焦耳熱來誘導Al-C共價鍵。電化學技術允許碳材料中含有的碳通過與被電勢差還原的鋁反應而形成Al-C共價鍵。

本發明的一個目的是提供一種通過使用電弧在鋁和碳材料之間形成共價鍵的方法。

本發明的另一個目的是提供一種其中通過施加電弧來形成共價鍵的鋁/碳材料復合物的制造方法，和根據上述方法制造的鋁/碳材料復合物。

本發明的又一個目的是提供一種通過使用電化學技術在鋁和碳材料之間形成共價鍵的方法。

本發明的再一個目的是提供一種其中通過使用電化學技術來形成共價鍵的鋁/碳材料復合物的制造方法，和根據上述方法制造的鋁/碳材料復合物。

根據本發明的一個方面，提供一種用于在鋁和碳材料之間形成共價鍵的方法，所述方法包括以下步驟：(i)在碳材料中引入缺陷由此使所述碳材料官能化；(ii)使所述官能化的碳材料與鋁混合由此得到混合物；和(iii)通過對所述混合物施加電弧來誘導Al-C共價鍵。