[發明專利]銅基體上直接生長單雙螺旋納米碳纖維的方法

有效

• 申請號: 201110168317.2
• 申請日: 2011-06-22
• 公開（公告）號: CN102320590A
• 公開（公告）日: 2012-01-18
• 發明（設計）人: 趙乃勤;張虎;師春生;劉恩佐;李家俊;康建立;秦凱強;孫榮祿
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;B82Y40/00
• 代理公司: 天津市杰盈專利代理有限公司 12207
• 代理人: 王小靜

技術領域

本發明涉及一種銅基體上直接生長單雙螺旋納米碳纖維的方法，屬于碳納米材料的制備技術。

背景技術

自從螺旋狀碳纖維被發現以來，許多研究者對它進行了廣泛的研究。螺旋狀納米碳纖維除了具有一般碳纖維的耐熱性、化學穩定性、熱膨脹率低、耐摩擦、低密度等優異性能外，其特殊的螺旋結構使其具有優異的力學性能、電磁性能和光學特性，可望用于微波吸收材料、電極材料、生化反應劑、觸覺傳感器等。

制備螺旋碳纖維一般采用基體法，在石墨或者陶瓷等非金屬基片上分散納米級催化顆粒的“種粒”，在高溫下通入烴類氣體熱解，在催化劑顆粒上析出納米螺旋碳纖維。但是直接在金屬基體上生長螺旋狀納米碳纖維還沒有相關的報道，因為金屬基體不同于不同于陶瓷等不導電基體，大部分金屬的活性較高，在高溫下與催化劑容易發生反應，從而影響其活性，制約碳纖維的生長，因此控制催化劑與基體的反應，保持催化劑活性是在金屬基體上制備CNFs的關鍵。目前常采用的方法主要是在導電基體與催化劑之間添加Al₂O₃等中間薄層阻斷催化劑與金屬基體的擴散等反應。對于許多應用，如顯示器、電池電極、芯片互聯和電子封裝等，要求材料具有很高的導電和導熱性能，這就需要CNFs與導電基體(金屬等)進行連接。而且，降低金屬基體與CNFs之間的接觸電阻也是納米電子器件設計面臨的主要挑戰之一。

為了降低連接CNFs和金屬基體的接觸電阻，一個最明顯有效的方法就是在金屬基體上直接生長CNFs，特別是在銅基體上直接生長CNFs。

發明內容

本發明目的在于提供一種銅基體上直接生長單雙螺旋納米碳纖維的方法，該方法具有過程簡單，制備的單雙螺旋碳納米材料具有質量和純度高等優點。

本發明是通過以下技術方案實現的，一種銅基體上直接生長單雙螺旋納米碳纖維的方法，其特征在于包括以下過程：

1)將銅基體進行拋光后，分別用去離子水、丙酮和乙醇超聲清洗，然后在溫度25-30℃下干燥，并進行氬氣等離子處理0.5-3min；

2)按鎳與釔的摩爾比為(1-5)∶1，將硝酸鎳和硝酸釔加入去離子水中，配制0.01-0.05mol/L硝酸鎳和硝酸釔的溶液；

3)將步驟1)處理的銅基體置入步驟2)的溶液中，浸漬20-40秒，經真空干燥箱中在80-100℃下干燥1-4小時，將其放入石英舟中，在石英反應管的恒溫區，在氬氣保護下以升溫速率10℃/min升至溫度200-400℃，恒溫煅燒1-4小時，得到了負載有催化劑的銅基體；

4)將步驟3)所制得的負載有催化劑的銅基體鋪展在石英舟中，將石英舟置于石英反應管恒溫區，在氬氣保護下，以升溫速率10℃/min石英反應管升至溫度750℃-850℃后，以流速為200-300mL/min向石英反應管通入氬氣、氫氣和乙炔氣的混合氣進行催化裂解反應0.2h-1h，其中，氬氣、氫氣和乙炔氣的體積比為(100-400)∶(30-150)∶(5-100)，然后在氬氣氛圍下將爐溫降至室溫，得到銅基體上生長單雙螺旋納米碳纖維。

本發明具有以下優點：采用電子工業中常用的Cu材為基體，通過控制基體的預處理方式、催化劑的摻雜及生長工藝等，在不添加任何擴散阻斷層的情況下直接在銅基體上生長出了質量好和純度高的單雙螺旋納米碳纖維，而且制備過程和設備簡單，易于實現和推廣。

附圖說明

圖1為本發明實施例一制得的單雙螺旋狀碳纖維中雙螺旋碳納米纖維的SEM照片。

圖2為本發明實施例二制得的單雙螺旋狀碳纖維中單螺旋碳納米纖維的SEM照片。

具體實施方式

實施例一

將拋光的直徑12mm，厚度3mm銅片分別在蒸餾水、丙酮和無水乙醇中超聲清洗20分鐘，然后將清洗干燥的銅片進行兩分鐘氬氣等離子處理，分別稱取0.29g六水硝酸鎳和0.126g六水硝酸釔，溶入50mL去離子水中，配制成0.02mol/L的溶液，再將銅片在此溶液中浸漬20秒，然后置于真空干燥箱中100℃下真空干燥一個小時，在銅片上得到了催化劑的前驅體；將負載有催化劑前驅體的銅片置于直徑60mm石英管反應爐的中部恒溫區域，通入氬氣保護，以10℃/min使溫度升高到250℃，在此溫度下保持三個小時，使銅片表面的硝酸鹽煅燒完全，以10℃/min再將溫度升高到800℃，然后通入乙炔、氬氣和氫氣的混合氣體，三種氣體的流量分別問20mL/min、180mL/min、50mL/min，在800℃下生長30min，在銅片上直接生長得到純度較高的單雙螺旋狀碳纖維。