[發明專利]一種基于單壁碳納米管的仿蜘蛛網結構材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201610841326.6
• 申請日: 2016-09-22
• 公開（公告）號: CN107337198B
• 公開（公告）日: 2019-09-03
• 發明（設計）人: 潘春旭;羅成志
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: C01B32/162
• 分類號: C01B32/162;C01B32/159;B82Y40/00
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 馬麗娜

本發明公開了一種基于單壁碳納米管的仿蜘蛛網結構材料及其制備方法。本發明在普通浮動催化劑化學氣相沉積法的基礎上，通過施加一個外磁場，并改變碳源含量、催化劑蒸發速率等參數，制備了一種基于單壁碳納米管的仿蜘蛛網結構材料，該方法具有工藝簡單、操作容易、成本低、產物質量高、可控性好，以及可進行大規模生產等優點，是一種獲得“人造仿生蜘蛛網”的理想方法。本發明制備的仿蜘蛛網結構材料不僅形貌與“天然蜘蛛網”類似，而且內部結構也與高度相似，同時具有很高的力學性能，還具有優異的導電性和透光率，其厚度不到100 nm，負載在普通玻璃上可以制備出高強度的透明導電玻璃。

技術領域

本發明涉及一種基于單壁碳納米管(SWCNTs)的仿蜘蛛網狀結構材料的制備技術，屬于納米材料領域。

背景技術

大自然中最神奇的東西之一是蜘蛛為捕獲飛蟲和其它昆蟲而結成的非常輕和柔軟且結實的蜘蛛網。蜘蛛網是由特殊的蛋白纖維構成的，天然的高分子纖維和生物材料，具有很高的強度、彈性、柔韌性、伸長度和抗斷裂性能，以及比重小、耐低溫、較耐紫外線、生物可降解等優點。蜘蛛網優異的綜合性能是包括蠶絲在內的天然纖維和合成纖維所無法比擬的。

蜘蛛網的優異性能主要歸功于其獨特的纖維結構。其結構特點主要有：1)它是一個由蜘蛛絲相互交錯構成的網狀結構，并且在網的結點處包覆著一種特殊的蛋白質，使其在拉伸過程中不會產生相對滑動；2)蜘蛛絲本身是一種由無序蛋白質包覆的有序蛋白質結構，這種特殊的由“無序結構”包覆“有序結構”的特點使其在拉伸過程中既具有高的強度又保持了良好的韌性；3)蜘蛛絲表面還包覆著一層粘性蛋白質，這種粘性蛋白質能使蛛絲與獵物牢牢結合，從而大大提高捕獵效率。

蜘蛛網在國防、軍事(防彈衣)、建筑等領域具有廣闊應用前景。但要真正實現其應用還有許多問題需要解決，其中最關鍵的是如何實現蜘蛛網材料的低成本、大規模和可控制備與獲取。眾所周知，“天然蜘蛛網”主要來源于蜘蛛結網，產量非常低，而且蜘蛛具有同類相食的個性，無法像家蠶一樣高密度養殖，所以要從蜘蛛中取得具有實用價值的蜘蛛網是不現實的。因此，目前最好的方法是利用仿生技術，通過仿制“天然蜘蛛網”的特殊結構制備出“仿蜘蛛網結構材料”，或稱“人造蜘蛛網”，并使其達到/或者接近“天然蜘蛛網”的優良性能。在不同的仿生材料中，單壁碳納米管(SWCNTs)由于其優良的力學、熱學及電學性能，成為仿制蜘蛛網結構的最佳候選材料。

眾所周知，單壁碳納米管(SWCNTs)是由單層碳原子繞合而成的，結構具有較好的對稱性與單一性，管徑分布范圍較小，一般在0.5～5nm之間，同時，它具有管徑小、長徑比大的特點。由于范德化力的作用，大部分SWCNTs集結成束，每束含幾十到幾百根SWCNTs，束的直徑約幾十納米。SWCNTs具有優良力學性能，其楊氏模量和剪切模量與金剛石相同，理論強度可達10⁶M Pa，是鋼的100倍，并且具有很高的韌性，而密度僅為鋼的1/7。如此優異的力學性能使SWCNTs成為仿制蜘蛛網結構的最佳候選材料。

目前，利用單壁碳納米管(SWCNTs)仿制蜘蛛網結構材料的大部分研究工作還停留在形貌仿制階段，即：僅僅是制備出了具有網絡狀結構的SWCNTs，而真正決定蜘蛛網優良性能的“復合結構”還未被仿制出來。另外，目前的研究還存在成本高，產量低和重復性差等問題。

基于以上原因，本發明提出了一種全新的基于單壁碳納米管(SWCNTs)的仿蜘蛛網結構材料的制備方法。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中存在的生產成本高、產量低和重復性差等缺點，提供一種工藝簡單、操作容易、成本低、可控性好以及可進行大規模生產的基于單壁碳納米管(SWCNTs)的仿蜘蛛網結構材料的制備方法，具體為利用磁場輔助的浮動催化劑化學氣相沉積(CVD)法，實現了基于SWCNTs仿制蜘蛛網結構材料的低成本、大規模和可控制備，是一種獲得“人造仿生蜘蛛網”的理想方法。

本發明所提供的技術方案具體如下：