[發(fā)明專利]高度有序結(jié)構(gòu)的層狀金屬硫族化合物/碳納米管柔性復(fù)合薄膜材料及制備

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611220744.X
• 申請日: 2016-12-26
• 公開（公告）號: CN106744820B
• 公開（公告）日: 2019-03-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 邰凱平;靳群;喬吉祥;趙洋;毛鵬燕;姜辛
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院金屬研究所
• 主分類號: C01B32/168
• 分類號: C01B32/168;C23C14/35;C23C14/06
• 代理公司: 沈陽優(yōu)普達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

本發(fā)明屬于復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種高度有序結(jié)構(gòu)的層狀金屬硫族化合物(LMC)和碳納米管(CNTs)柔性復(fù)合薄膜材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其制備方法。復(fù)合材料包括：超薄自支撐(透明)CNTs薄膜基體，以及均勻包覆在其表面的LMC薄膜，形成具有納米尺度多孔結(jié)構(gòu)、高導(dǎo)電通道的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的柔性復(fù)合薄膜材料。制備方法包括：提供承載自支撐CNTs薄膜的合金支架，并在加熱條件下對其承載的CNTs薄膜進(jìn)行等離子體清洗處理；將預(yù)處理的CNTs薄膜在0.2～2Pa氣壓，30～800℃的溫度下，利用磁控濺射沉積技術(shù)制備LMC/CNTs復(fù)合功能薄膜材料。本發(fā)明成功將脆性層狀金屬硫族化合物功能二維(2D)材料和一維(1D)CNTs進(jìn)行有效連接，形成具有結(jié)構(gòu)柔性的三維(3D)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種高度有序結(jié)構(gòu)的層狀金屬硫族化合物(LMC)和碳納米管(CNTs)柔性復(fù)合薄膜材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其制備方法。

背景技術(shù)

近年來，隨著能源供給與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的不平衡凸顯，世界范圍內(nèi)的能源危機(jī)與環(huán)境污染日益嚴(yán)重，“節(jié)能減碳”和尋求清潔能源技術(shù)是當(dāng)今各國無不關(guān)心的議題。熱電材料是能使熱與電這兩種不同形態(tài)的能量相互轉(zhuǎn)換的先進(jìn)功能性半導(dǎo)體材料，可充分利用日常生產(chǎn)和生活中的廢熱余熱發(fā)電，是當(dāng)前我國資源高效利用、余熱余能回收等節(jié)能環(huán)保科技專項中的重要研究內(nèi)容。熱電材料在某一個方向的尺寸被限制到納米范圍時，其熱電轉(zhuǎn)換性能將會大幅提升。因此，薄膜熱電材料等得到了快速的發(fā)展并且獲得了科學(xué)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。

目前，熱電材料的重要應(yīng)用方向之一為柔性能源器件、微型傳感器和制冷芯片等領(lǐng)域，尤其受到下一代可穿戴電子設(shè)備的青睞，這得益于熱電功能材料穩(wěn)定的熱電轉(zhuǎn)化效率、無震動、無噪音、結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定，而且可以將微量熱源轉(zhuǎn)換為電能支持微電子設(shè)備運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。高分子型熱電材料由于其具有制備成本低、質(zhì)量輕且具有良好的柔韌性能等優(yōu)點(diǎn)，引起了科學(xué)家們的廣泛關(guān)注。但是，由于其較低的熱電能量轉(zhuǎn)化效率、空氣中的穩(wěn)定性差、n型和p型難以匹配等問題，高分子型熱電材料的實用化過程依然非常漫長。從室溫至200℃之間，無機(jī)類熱電材料依然具有最高的能量轉(zhuǎn)換效率。然而，高效率的無機(jī)熱電材料多為共價鍵半導(dǎo)體材料，其具有本征的脆性，熔點(diǎn)低、組分易于變化等特性，用普通的物理化學(xué)方法很難制備結(jié)構(gòu)致密且具有高結(jié)晶質(zhì)量和良好結(jié)合力的熱電薄膜材料。因此，亟待制備一種易于合成且具有優(yōu)異的柔性和熱電轉(zhuǎn)換性能的熱電材料。該材料應(yīng)具備可調(diào)控的熱電性能，良好的抗彎折變形性能以及極佳的結(jié)合力，且易于組裝成微型器件，以期填補(bǔ)我國在該類型熱電器件上的空白。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決層狀金屬硫族化合物本征脆性導(dǎo)致的應(yīng)用局限性問題，本發(fā)明的目的在于提供一種高度有序結(jié)構(gòu)的自支撐層狀金屬硫族化合物(LMC)和碳納米管 (CNTs)柔性復(fù)合薄膜材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其制備方法，該復(fù)合材料在柔性熱電能量轉(zhuǎn)換器件、微型傳感器以及控溫元件等領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景，該方法解決層狀二維材料難以大量制備的問題。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種高度有序結(jié)構(gòu)的層狀金屬硫族化合物/碳納米管柔性復(fù)合薄膜材料，該復(fù)合薄膜材料包括碳納米管薄膜基體以及均勻沉積在碳納米管束表面的層狀金屬硫族化合物功能薄膜，形成具有納米多孔結(jié)構(gòu)、高導(dǎo)電通道的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；其中，碳納米管薄膜厚度為40～400nm，碳納米管體積分?jǐn)?shù)小于10％，層狀金屬硫族化合物功能薄膜層的名義厚度為20～1000nm，當(dāng)名義膜厚為400nm時，復(fù)合薄膜材料中碳納米管體積分?jǐn)?shù)對應(yīng)小于1％。

所述的高度有序結(jié)構(gòu)的層狀金屬硫族化合物/碳納米管柔性復(fù)合薄膜材料，碳納米管薄膜由取向隨機(jī)分布且直徑為5～50nm的束狀碳納米管所構(gòu)成，碳納米管薄膜內(nèi)的碳納米管長度為5～50μm。

所述的高度有序結(jié)構(gòu)的層狀金屬硫族化合物/碳納米管柔性復(fù)合薄膜材料，層狀金屬硫族化合物功能薄膜層名義厚度為在同等沉積條件下，沉積于表面平整的 SiO₂基片上的薄膜厚度；層狀金屬硫族化合物功能薄膜層結(jié)晶質(zhì)量高，并表現(xiàn)出極強(qiáng)的面外織構(gòu)和有序顯微結(jié)構(gòu)特性。