对碳纳米管纤维镀膜的方法
【专利摘要】本发明提供一种对碳纳米管纤维镀膜的方法，方法包括：S1、对所述碳纳米管纤维进行预热处理；S2、将经过步骤S1的碳纳米管纤维缠绕在绕丝架上后设置在溅射腔内，所述绕丝架包括多个间隔设置的绕丝杆，相邻两匝碳纳米管纤维之间存在间隔；S3、以金属为靶材在预定温度下对缠绕在所述绕丝架上的碳纳米管纤维进行溅射镀膜，其中，所述靶材和所述绕丝架之间存在相对转动。在本发明中，金属粒子以物理气相沉积的方式沉积在碳纳米管纤维的表面，不会产生有害气体或有害液体，因此，本发明所提供的方法更加环保。
【专利说明】
对碳纳米管纤维镀膜的方法
技术领域
[0001]本发明涉及溅射镀铜领域，具体地，涉及一种对碳纳米管纤维进行镀铜的方法。【背景技术】
[0002]在现有技术中，通常需要利用电化学镀膜的方法在碳纳米管纤维上镀金属膜。但是，这种方法镀金属膜时，容易造成污染，并且，金属膜并不是很致密。
[0003]因此，如何以环保的方式对碳纳米管纤维进行镀金属膜成为本发明亟待解决的技术问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种对碳纳米管纤维镀膜的方法，该方法可以在碳纳米管纤维的表面形成致密的金属膜，并且镀膜的过程中不会对环境造成污染。
[0005]为了实现上述目的，本发明提供一种对碳纳米管纤维镀膜的方法，其中，所述方法包括:
[0006]S1、对所述碳纳米管纤维进行预热处理；
[0007]S2、将经过步骤S1的碳纳米管纤维缠绕在绕丝架上后设置在溅射腔内，所述绕丝架包括多个间隔设置的绕丝杆，相邻两匝碳纳米管纤维之间存在间隔；
[0008]S3、以金属为靶材在预定温度下对缠绕在所述绕丝架上的碳纳米管纤维进行溅射镀膜，其中，所述靶材和所述绕丝架之间存在相对转动。
[0009]优选地，在所述步骤S3中，所述靶材设置在所述绕丝架外部，所述绕丝架绕自身轴线转动。
[0010]优选地，在所述步骤S3中，设置多个所述靶材，多个所述靶材环绕所述绕丝架设置。
[0011]优选地，在步骤S1中，预热处理的温度在200°C至400°C之间，预热时间在0.5h至3h之间。
[0012]优选地，所述革巴材为金属铜，在步骤S3中，射频电源的功率在0.5KW至1.0KW之间。 [0〇13]优选地，在步骤S3中，磁控派射持续的时间在lh至3h之间，所述预定温度在200°C 至400 °C之间。[〇〇14] 优选地，步骤S3包括:
[0015]S31、分别将所述靶材和缠绕有碳纳米管纤维的绕丝架设置在所述溅射腔内后，对所述溅射腔进行抽真空直至第一预定气压；
[0016]S32、对所述溅射腔进行加热至所述预定温度；
[0017]S33、开启射频电源，并且所述射频电源的开启持续实践在lh至3h之间。
[0018]优选地，所述第一预定气压在10—2Pa至10—ipa之间。[〇〇19] 优选地，步骤S3包括:
[0020]S31、将所述靶材和缠绕有碳纳米管纤维的绕丝架设置在所述溅射腔内后，对所述溅射腔进行抽真空直至第二预定气压，并向所述溅射腔内通入惰性气体；[0021 ]S32、对所述溅射腔进行加热至所述预定温度；
[0022]S33、对所述溅射腔进行抽真空直至所述第二预定气压；[〇〇23]S34、开启射频电源，并且所述射频电源的开启持续时间在lh至3h之间。[〇〇24] 优选地，所述第二预定气压在3 X 10—.a至5 X 10—ipa之间。
[0025]优选地，在步骤S32中，利用感应加热的方式对所述溅射腔进行加热。
[0026]在本发明所提供的方法中，经过步骤S1之后，碳纳米管纤维中的无定形碳被分解， 从而有利于步骤S3中金属沉积在碳纳米管纤维的表面。在将碳纳米管纤维设置在绕丝架上时，由于相邻两匝碳纳米管纤维之间存在间隙，因此，由磁控管轰击产生的金属粒子能够穿过相邻两匝碳纳米管纤维之间的间隙到达碳纳米管纤维不朝向靶材的表面上。并且，在步骤S3中，靶材与绕丝架之间存在相对转动，从而可以确保缠绕在绕丝架上的碳纳米管纤维可以均匀地镀膜。在本发明中，金属粒子以物理气相沉积的方式沉积在碳纳米管纤维的表面，不会产生有害气体或有害液体，因此，本发明所提供的方法更加环保。【附图说明】[〇〇27]图1是绕丝架的示意图；
[0028]图2是缠绕有碳纳米管纤维的绕丝架和靶材之间的相对位置示意图；
[0029]图3是图2的俯视图；
[0030]图4是本发明制备利获得的铜纳米管纤维的扫描图片，放大倍数为1500倍；[〇〇31]图5是实施例1获得的镀铜碳纳米管纤维的扫描图片，放大倍数为195倍；[〇〇32]图6是实施例1获得的镀铜碳纳米管纤维的扫描图片，放大倍数为2500倍；[〇〇33]图7是实施例2获得的镀铜碳纳米管纤维的扫描图片，放大倍数为500倍；[〇〇34]图8是实施例2获得的镀铜碳纳米管纤维的扫描图片，放大倍数为2000倍；[〇〇35]图9是实施例3获得的镀铜碳纳米管纤维的扫描图片，放大倍数为1000倍；[〇〇36]图10是实施例3获得的镀铜碳纳米管纤维的扫描图片，放大倍数为4500倍。[〇〇37] 附图标记说明
[0038]100:绕丝架110:绕丝杆[〇〇39] 120:转轴200:碳纳米管纤维
[0040]300:靶材【具体实施方式】[〇〇41]以下结合附图对本发明的【具体实施方式】进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的【具体实施方式】仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
[0042]本发明提供一种对碳纳米管纤维镀膜的方法，其中，所述方法包括:[〇〇43]S1、对所述碳纳米管纤维进行预热处理；
[0044]S2、将经过步骤S1的碳纳米管纤维200缠绕在绕丝架100上后设置在溅射腔内，绕丝架100包括多个间隔设置的绕丝杆110,相邻两匝碳纳米管纤维200之间存在间隔；[〇〇45]S3、以金属为靶材300,在预定温度下对缠绕在绕丝架100上的碳纳米管纤维200进行溅射镀膜，其中，靶材300和绕丝架100之间存在相对转动。
[0046]在本发明所提供的方法中，经过步骤S1之后，碳纳米管纤维中的无定形碳被分解， 从而有利于步骤S3中金属沉积在碳纳米管纤维的表面。步骤S3是在磁控溅射设备的溅射腔内进行的。
[0047]图1中所示的是绕丝架100的具体结构，如图所示，该绕丝架100包括间隔设置的绕丝杆110,因此，碳纳米管纤维与绕丝杆的接触面积比较小。由于相邻两匝碳纳米管纤维之间存在间隙，因此，由磁控管轰击产生的金属粒子能够穿过相邻两匝碳纳米管纤维之间的间隙到达碳纳米管纤维不朝向靶材300的表面上。[〇〇48]并且，在步骤S3中，靶材300与绕丝架100之间存在相对转动，从而可以确保缠绕在绕丝架上的碳纳米管纤维可以均匀地镀膜。在本发明中，金属粒子以物理气相沉积的方式沉积在碳纳米管纤维的表面，不会产生有害气体或有害液体，因此，本发明所提供的方法更加环保。
[0049]在本发明中，对获得碳纳米管纤维的方法并不做特殊的限定。例如，可以利用阵列纺丝法制备碳纳米管纤维。如何利用阵列纺丝法制备碳纳米管纤维是本领域技术人员所公知的，这里不再赘述。
[0050]为了便于设置，优选地，可以将靶材300设置在绕丝架100的外部，并且，绕丝架100 绕自身轴线转动。作为本发明的一种优选实施方式，靶材300可以固定设置在溅射腔内。 [0051 ]如图1和图2中所示，绕丝架100还可以包括转轴120,可以将转轴120安装在溅射设备的旋转机构上，以带绕丝架100转动。绕丝架100转动的速度优选在2r/min至10r/min之间。
[0052]在本发明中，对靶材的数量并没有特殊的限制。靶材的具体数量主要取决于碳纳米管纤维表面的金属膜的厚度。如果希望在碳纳米管纤维的表面获得厚度相对较大的金属膜，那么可以设置数量相对较多的靶材;如果希望在碳纳米管纤维的表面获得厚度相对较薄的金属膜，则可以设置数量相对较少的靶材。[〇〇53]并且，为了在碳纳米管纤维的表面溅射形成的金属膜厚度均匀，并且提高溅射效率，优选地，在所述步骤S3中，可以设置多个靶材300,该多个靶材300环绕绕丝架100设置。 优选地，每个靶材300对应一个磁控装置，从而使得多个靶材300可以各自独立地控制。操作者可以根据具体的工艺要求选择发挥作用的靶材的数量。[〇〇54]作为本发明的一种优选实施方式，可以设置6个靶材，每个靶材都沿绕丝架100的轴向从绕丝架100的一端延伸至绕丝架100的另一端。优选地，应当确保绕丝架上缠绕有碳纳米管纤维的区域的长度不超过靶材的长度。
[0055]如上文中所述，在本发明中，进行碳纳米管纤维进行预热的目的就在于分解碳纳米管纤维中的无定形碳，优选地，在步骤S1中，预热处理的温度在200°C至400°C之间之间， 预热处理持续的时间在〇.5h至3h之间，从而既可以确保碳纳米管纤维中的无定形碳可以彻底分解并挥发，又可以防止因预热温度过高而对碳纳米管纤维造成损伤。需要指出的是，步骤S1并不是在溅射腔室内进行的，而是在真空热处理炉中进行。
[0056]在溅射时，磁控溅射设备的射频电源频率主要取决于靶材的成分。所述靶材可以是铜靶材，可以利用本发明所提供的方法在碳纳米管纤维上镀铜膜。在这种情况中，所述射频电源的功率优选在〇.5KW至1.0KW。
[0057]由于铜具有良好的延展性和良好的导电性能，因此，在碳纳米管纤维的表面镀铜膜之后，可以获得导电性能良好、成膜均匀的复合材料，该复合材料适用于导线、电极等多种应用中。
[0058]当射频电源的功率设置在上述范围内时，既可以在碳纳米管纤维的表面形成致密的铜膜，又能够降低整个溅射过程中的能耗，并且，还可以提高在碳纳米管纤维表面镀铜的效率。
[0059]为了在碳纳米管纤维的表面活的厚度均匀一直的铜膜，优选地，在步骤S3中，磁控溅射持续的时间在lh至3h之间。容易理解的是，磁控溅射持续的时间越长、获得铜膜厚度越大。优选地，在步骤S3中，磁控溅射持续的时间不超过3个小时，从而可以防止碳纳米管纤维上形成的铜膜过厚脱落。
[0060]在本发明中，对溅射温度并没有特殊的规定，例如，在步骤S3中，所述预定温度在 200 °C至400°C之间。当温度在此范围内对碳纳米管纤维的表面镀铜时，温度越高，沉积成膜的速度越快。同样地，所述预定温度优选不超过400°C，从而可以确保碳纳米管纤维在溅射的过程中不会受到损伤。
[0061]在本发明中，为了防止溅射形成的金属膜被氧化，可以在真空环境下进行溅射工艺。具体地，步骤S3可以包括:
[0062]S31、将所述靶材和缠绕有碳纳米管纤维的绕丝架设置在所述溅射腔内后，对所述溅射腔进行抽真空直至第一预定气压；
[0063]S32、对所述溅射腔进行加热至所述预定温度；[〇〇64]S33、开启射频电源，持续时间在lh至3h之间。[〇〇65] 优选地，所述第一预定气压在l(T2Pa至K^Pa之间。[〇〇66]溅射工艺完成后，关闭溅射电源，关闭加热装置，在溅射腔内温度低于30°C以后关闭真空系统，向溅射腔内放入空气至溅射腔内压力达到大气压，打开溅射腔，得到镀铜碳纳米管纤维。
[0067]作为本发明的另一种优选实施方式，可以向溅射腔内通入保护气体。该保护气体不与碳纳米管纤维反应，也不与靶材反应。例如，保护气体可以是氩气或氮气，或者，保护气体还可以是其他不要碳纳米管以及靶材反应的惰性气体。在本实施方式中，步骤S3包括:
[0068]S31、将所述靶材和缠绕有碳纳米管纤维的绕丝架设置在所述溅射腔内后，对所述溅射腔进行抽真空直至第二预定气压，并向所述溅射腔内通入惰性气体，通入惰性气体持续的时间在〇.5h至3h之间；
[0069]S32、对所述溅射腔进行加热至所述预定温度；
[0070]S33、对所述溅射腔进行抽真空，直至所述第二预定气压[〇〇71]S34、开启射频电源，持续时间在lh至3h之间。
[0072]需要解释的是，惰性气体是指不与制成靶材的材料反应的气体。例如，当靶材为铜时，惰性气体可以为氩气。
[0073]由于步骤S31中向溅射腔内通入了惰性气体，因此，可以将第二预定气压设置为比第一预定气压稍高的气压。例如，所述第二预定气压在3 X H^Pa至5 X K^Pa之间。[〇〇74]溅射工艺结束后，关闭溅射电源，关闭加热装置，在舱内温度低于30°C以后打开溅射腔的腔门，通入空气，得到镀铜碳纳米管纤维。
[0075]优选地，在执行步骤S32时，可以利用感应加热的方式对所述溅射腔进行加热。从而可以促进金属原子的横向扩散，有利于形成致密、连续的金属膜。当然，本发明并不限于此。
[0076]利用本发明所提供的方法对对碳纳米管纤维镀膜，可以在碳纳米管纤维的表面形成表面光滑且致密的金属膜。镀有金属膜的碳纳米管纤维具有较好的导电性能，可以用作电极、导线等。[〇〇77]实施例
[0078]在本发明所提供的实施例中，溅射用到的溅射设备为沈阳科友真空技术有限公司公司提供的MS560D型号的磁控溅射设备，用到的靶材是北京冠金利新材料科技有限公司提供的高纯无氧铜质靶材。碳纳米管纤维为上述制备例中获得的碳纳米管纤维。热处理炉为沈阳科友真空技术有限公司提供的VHA-446型号热处理炉。在进行本发明所提供的对碳纳米管纤维镀膜的方法之前，首先对碳纳米管纤维进行预清洁处理，包括以下步骤:[〇〇79] Stpl、将碳纳米纤维管纤维放入盛放有无水乙醇的容器中；[〇〇8〇] Stp2、将上述容器防止在超声波振荡设备上，利用超声波振荡法对碳纳米管纤维进行清洗，清洗时间在2min-10min之间。
[0081]以下实施例中用到的碳纳米管纤维均为经过预清洁处理后的碳纳米纤维管，经预清洁处理后得到的碳纳米管纤维如图4所示。[〇〇82] 实施例1[〇〇83]S1、在热处理炉中对碳纳米管纤维进行预热处理，加热温度为200°C，预热时间为3h；[〇〇84]S2、将预热处理后的碳纳米管纤维缠绕在绕丝架上，相邻两匝碳纳米管纤维之间的间隙为20mm;
[0085]S31、将碳纳米管纤维设置在溅射腔内，在溅射腔内设置6个靶材，6个靶材环绕绕丝架均匀设置，关闭溅射腔，对溅射腔进行抽真空，直至H^Pa;[〇〇86]S32、将溅射腔加热至300°C，加热方式为感应加热；[〇〇87]S33、开启射频电源，功率为0.5KW，溅射持续1 h;[〇〇88]S4、关闭溅射电源，关闭加热装置，当溅射腔内温度低于30°C以后关闭真空系统，向溅射腔内放入空气，至溅射腔内压力达到大气压，打开溅射腔，取出绕丝架，得到镀铜碳纳米管纤维。
[0089]图5中所示的是本实施例1中所得到的镀铜碳纳米管纤维的扫描图片，图6是图5的放大图。从图5和图6中可以看到，铜膜表面光滑、致密且连续。经测试，本实施例获得的镀铜碳纳米管纤维的电阻为0 ? 24 Q /cm。
[0090]实施例2[0091 ]按照实施例1中的方法对碳纳米管纤维进行镀铜，不同之处在于:在步骤S1中，预热温度为200°C，预热时间为3h，在步骤S31中，溅射腔内设置4个靶材，溅射腔内的气压为 H^Pa，在步骤S32中，将溅射腔加热至200°C，步骤S33中，溅射电源频率为0.75kw，溅射持续时间为2h。[〇〇92]图7中所示的是本实施例2中所得到的镀铜碳纳米管纤维的扫描图片，图8是图7的放大图。从图7和图8中可以看到，铜膜表面光滑、致密且连续。经测试，本实施例获得的镀铜碳纳米管纤维的电阻为〇? 19 Q /cm。
[0093]实施例3
[0094]按照实施例1中的方法对碳纳米管纤维进行镀铜，不同之处在于:在步骤S1中，预热温度为300°C，预热时间为lh，[〇〇95] 步骤S3包括:
[0096]S31、将所述靶材和缠绕有碳纳米管纤维的绕丝架设置在所述溅射腔内后，对所述溅射腔进行抽真空直至5X10^^，并向所述溅射腔内通入氩气，通入氩气的持续时间为3h; [〇〇97]S32、对所述溅射腔进行加热至300°C，加热方式为感应加热；[〇〇98]S33、对所述溅射腔进行抽真空直至3 X 10—.a;[〇〇99]S34、开启射频电源，射频电源的频率为0.75kw，溅射持续时间为2h。[〇1〇〇]图9中所示的是本实施例3中所得到的镀铜碳纳米管纤维的扫描图片，图10是图9 的放大图。从图9和图10中可以看到，铜膜表面光滑、致密且连续。经测试，本实施例获得的镀铜碳纳米管纤维的电阻为〇 ? 21 Q /cm〇
[0101]实施例4
[0102]按照实施例3中的方法对碳纳米管纤维进行镀铜，不同之处在于，在步骤S31中，对所述溅射腔进行抽真空直至3X10^^，并向所述溅射腔内通入氩气，通入氩气的持续时间为20min，在步骤S32中，对所述溅射腔进行加热至400°C，在步骤S34中，射频频率为1KW，持续时间为lh。经测试，本实施例获得的镀铜碳纳米管纤维的电阻为0.26Q/cm。[〇1〇3]可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种对碳纳米管纤维镀膜的方法，其特征在于，所述方法包括:51、对所述碳纳米管纤维进行预热处理；52、将经过步骤S1的碳纳米管纤维缠绕在绕丝架上后设置在溅射腔内，所述绕丝架包 括多个间隔设置的绕丝杆，相邻两匝碳纳米管纤维之间存在间隔；53、以金属为靶材在预定温度下对缠绕在所述绕丝架上的碳纳米管纤维进行溅射镀 膜，其中，所述靶材和所述绕丝架之间存在相对转动。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S3中，所述靶材设置在所述绕 丝架外部，所述绕丝架绕自身轴线转动，且设置多个所述靶材，多个所述靶材环绕所述绕丝 架设置。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，预热处理的温度在200°C 至400 °C之间，预热时间在0.5h至3h之间。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述靶材为金属铜，在步骤S3中，射频电源 的功率在0.5KW至1.0KW之间。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤S3中，磁控溅射持续的时间在lh至 3h之间，所述预定温度在200 °C至400 °C之间。6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S3包括:531、分别将所述靶材和缠绕有碳纳米管纤维的绕丝架设置在所述溅射腔内后，对所述 溅射腔进行抽真空直至第一预定气压；532、对所述溅射腔进行加热至所述预定温度；533、开启射频电源，并且所述射频电源的开启持续时间在lh至3h之间。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一预定气压为l(T2Pa至H^Pa之间。8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S3包括:531、将所述靶材和缠绕有碳纳米管纤维的绕丝架设置在所述溅射腔内后，对所述溅射 腔进行抽真空直至第二预定气压，并向所述溅射腔内通入惰性气体；532、对所述溅射腔进行加热至所述预定温度；533、对所述溅射腔进行抽真空直至所述第二预定气压；534、开启射频电源，并且所述射频电源的开启持续时间在lh至3h之间。9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第二预定气压在3 X H^Pa至5 X 之间。10.根据权利要求6至9中任意一项所述的方法，其特征在于，在步骤S32中，利用感应加 热的方式对所述溅射腔进行加热。
【文档编号】C23C14/18GK105970155SQ201510974782
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2015年12月24日
【发明人】曲海涛, 侯红亮, 韩宝帅, 李殊霞, 牛涛, 侯星云, 胡晋, 陈亮
【申请人】北京浩运盛跃新材料科技有限公司