[發明專利]水平定向碳納米管陣列及其制備方法

有效

• 申請號: 201310187550.4
• 申請日: 2013-05-20
• 公開（公告）號: CN103303898A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發明（設計）人: 牛志強;周維亞;解思深
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京智匯東方知識產權代理事務所(普通合伙) 11391
• 代理人: 范曉斌;郭海彬

技術領域

本發明涉及納米材料制備技術領域，特別是涉及水平定向碳納米管陣列及其制備方法。

背景技術

水平定向碳納米管（CNT）陣列易于碳納米管定位，由于其消除了因碳納米管之間交叉的影響，特別適合器件的構成與集成，在碳納米管電子器件等方面具有潛在的應用。

目前，制備水平定向碳納米管主要有直接法和間接法兩種。直接法包括：氣流定向法，外加電磁場法以及基底晶格定向法等。氣流定向法和外加電磁場法合成的水平定向碳納米管陣列中碳納米管種類不純，含有很多的多壁碳納米管，而且碳納米管密度低，定向程度較差。并且直接制備水平定向單壁碳納米管陣列的方法均需要在高溫下進行，制備過程復雜，制備條件苛刻。

間接法主要有超順排陣列紡絲法。清華大學范守善等人從超順排多壁碳納米管（MWCNT）垂直陣列利用紡絲技術紡出了平行排列的單層多壁碳納米管（束）的水平陣列，進而制備出碳納米管薄膜揚聲器等。該方法的缺陷在于必須提供超順排碳納米管垂直陣列才能夠實現制備單層多壁碳納米管（束）的水平陣列。此外，相比于多壁碳納米管，單壁碳納米管（SWCNT）的導電屬性較為單一，其在電子器件中有更重要的應用。由于目前還不能制備出超順排單壁碳納米管陣列，因此，該方法尚不能用來制備水平定向的單壁碳納米管陣列。

發明內容

本發明的一個目的在于針對現有技術中存在的上述缺陷，提供一種新的水平定向碳納米管陣列的制備方法。本發明的另一個目的是提供一種簡單的水平定向碳納米管陣列的制備方法。本發明還提供了一種水平定向碳納米管陣列。

為了實現上述目的，本發明提供了一種水平定向碳納米管陣列的制備方法，包括：

向由碳納米管組成的集合體施加一拉伸力，在所述拉伸力的拉伸作用下，在所述集合體的表面的至少部分區域中形成定向排列的碳納米管陣列；

將所述集合體置于一基底上，使所述定向排列的碳納米管陣列與所述基底直接接觸，朝著所述基底向所述集合體施加一壓力，使得所述定向排列的碳納米管陣列中的至少一部分附著在所述基底上；

從所述基底上移除所述集合體，從而在所述基底上得到水平定向單層碳納米管陣列。

在一種實施方式中，所述集合體可以為具有一長度方向的繩或束狀。優選地，所述集合體可以由自支撐的碳納米管纖維形成，所述拉伸力包括沿所述長度方向施加的軸向拉伸力。在一種實施方式中，所述集合體可以由自支撐的碳納米管薄膜卷制或擰制而成；所述拉伸力可以包括圍繞所述長度方向施加的周向扭轉力。優選地，所述碳納米管薄膜可以具有取向方向，并且所述集合體的所述長度方向與所述碳納米管薄膜的所述取向方向基本相同。

在一種實施方式中，在向所述集合體施加所述壓力的同時還可以向所述集合體施加推力，以使得所述集合體在所述基底上滾動。

在一種實施方式中，所述集合體可以為具有平面表面的薄膜狀或條帶狀，所述拉伸力可以包括沿著所述平面表面施加的拉力。所述集合體可以由自支撐的碳納米管薄膜形成；優選地，所述碳納米管薄膜可以具有取向方向，并且所述拉伸力與所述碳納米管薄膜的所述取向方向基本相同。在一種實施方式中，所述拉伸力可以包括通過在所述集合體的所述平面表面上進行定向梳理或刷操作來提供的摩擦力。

在一種實施方式中，前述方法還可以包括：去除所述碳納米管薄膜的自吸附性?？梢詫⑺鎏技{米管薄膜浸泡在易揮發性溶液中以去除其自吸附性。

本發明還提供了一種水平定向碳納米管陣列，由前述的制備方法制成，其中，所述水平定向碳納米管陣列可以為并行排列的單層碳納米管或碳納米管束，其排列密度至少為5根/μm。

本發明實施例至少存在以下技術效果：

1）與現有技術中采用直接法或間接法制備水平定向碳納米管陣列相比，本發明的方法簡單，易于推廣，且制備過程快速高效，成品率高。

2）實施本發明方法所需的條件簡易，在室溫常規條件下進行即可。制備過程屬于物理方法，無后續化學修飾影響，成本低廉，綠色環保。

3）本發明制備的碳納米管陣列由單層碳管或管束構成，水平定向程度高，碳管密度較高，而且可以制備在任意（剛性或者柔性）基底上。

4）對于按照本發明的方法獲得的水平定向碳納米管陣列，其碳納米管的壁層數量僅與所使用的原料有關。因此，可以用單壁碳納米管的集合體來制備水平定向單壁碳納米管陣列，這特別有利于在納電子器件、能量存儲器件、結構和功能復合材料等諸多領域的應用。