碳纤维膜的制作方法

文档序号:9516555阅读:3816来源:国知局
碳纤维膜的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种碳纤维膜。
【背景技术】
[0002] 碳纤维在航空航天、机械制造、建材等行业得到广泛应用。现代工业对碳纤维的需 求量进一步增加,对其性能也提成了更高的要求。但现行碳纤维生产工艺复杂、质量受原料 制约、高品质碳纤维原料价格昂贵,因而限制了碳纤维的进一步发展。新型碳纤维的研究和 开发势在必行。气相生长碳纤维是近年来的活跃领域。
[000引气相生长碳纤维(VaporGrownCarbonFibers,VGCFs)具有较高的比强度、比模 量和结晶取向度,而且具有良好的导电、导热等性能,有着一般有机系碳纤维所达不到的性 能和用途。气相生长碳纤维一般通过催化裂解姪类化合物,气相沉积在过渡金属如铁、钻、 媒和其合金的超细微粒上而形成。气相生长碳纤维主要的制备方法是基体法。基体法是高 温下把姪类和氨的混合气送入热解炉反应管中,管中预先放置了喷涂有催化剂金属颗粒的 基板,CVD过程中基板上析出碳纤维。然而,所述碳纤维为一维结构,无法形成二维膜状,限 制了碳纤维的应用范围。即使将多个所述碳纤维利用胶粘剂可W并排粘结而形成碳纤维 膜,但是所述胶粘剂的存在会影响所述碳纤维膜在应用时的导电导热等性能。

【发明内容】

[0004]有鉴于此,确有必要提供一种碳纤维膜。
[0005]-种碳纤维膜,该碳纤维膜由至少一碳纳米管膜和石墨片构成,该至少一碳纳米 管膜包括多个碳纳米管通过范德华力相互连接形成一膜状,该多个碳纳米管沿同一方向延 伸且在该延伸方向上相邻的碳纳米管首尾相连,每一碳纳米管的外壁分布有多个所述石墨 片,且每一石墨片与碳纳米管的外壁之间形成一角度。
[0006]一种碳纤维膜,该碳纤维膜包括至少一碳纳米管膜和一石墨层设置于所述至少一 碳纳米管膜的表面,该碳纳米管膜包括多个沿同一方向延伸的碳纳米管,该石墨层包括多 个石墨片,每一碳纳米管的外壁分布有多个所述石墨片,每一石墨片倾斜地连接在所述碳 纳米管的外壁且向远离碳纳米管的方向延伸,每一石墨片延伸的长度是碳纳米管直径的 2. 5倍至100倍。
[0007]与现有技术相比,本发明所提供的碳纤维膜是二维膜状结构,扩大了碳纤维的应 用范围,且该碳纤维膜均是由碳元素组成,不含有任何杂质,具有良好的导电导热性能。
【附图说明】
[0008] 图1为本发明第一实施例提供的碳纤维膜的制备方法的装置的结构示意图。
[0009]图2为本发明第一实施例提供的碳纳米管膜的扫描电镜照片。
[0010] 图3为本发明第二实施例提供的碳纤维膜的制备方法的装置的结构示意图。
[0011] 图4为本发明第H实施例提供的碳纤维膜的剖面结构示意图。
[0012] 图5为本发明第H实施例提供的碳纤维膜中单根碳纤维的立体结构示意图。
[0013] 主要元件符号说明
如下【具体实施方式】将结合上述附图进一步说明本发明。
【具体实施方式】
[0014] 下面将结合附图及具体实施例对本发明提供的碳纤维膜作进一步的详细说明。
[0015] 请参见图1,本发明第一实施例提供一种碳纤维膜50的制备方法,包括W下步骤: S10,提供一碳纳米管阵列10 ; S20,从所述碳纳米管阵列10中拉取获得一碳纳米管膜20,将该碳纳米管膜20依次穿 过一第一反应室30和一第二反应室40 ; S30,向第一反应室30内通入载气和碳源气体,并控制温度,使第一反应室30内的碳纳 米管膜20上形成一碳层52,获得一碳纳米管复合膜; S40,将所述碳纳米管复合膜导入所述第二反应室40内,控制温度,使第二反应室40内 的碳纳米管膜20上的碳层52石墨化,获得一碳纤维膜50。
[0016] 步骤Sio中,所述碳纳米管阵列10优选为超顺排碳纳米管阵列10,本实施例中,所 述碳纳米管阵列10为超顺排碳纳米管阵列10。该超顺排的碳纳米管阵列10的制备方法采 用化学气相沉积法,其具体包括W下步骤:(a)提供一平整生长基底12,该生长基底12可 选用P型或N型娃生长基底12,或选用形成有氧化层的娃生长基底12,本实施例优选为采 用4英寸的娃生长基底12 ; (b)在生长基底12表面均匀形成一催化剂层,该催化剂层材料 可选用铁(Fe)、钻(Co)、媒(Ni)或其任意组合的合金之一,本实施例中,催化剂层材料由铁 形成;(C)将上述形成有催化剂层的生长基底12在70(TC、0(TC的空气中退火约30分钟 ~90分钟,本实施例中,形成有催化剂层的生长基底12在80(TC的空气中退火60分钟;(d) 将处理过的生长基底12置于一反应炉中,在保护气体环境下加热到50(TC^74(TC,然后通 入碳源气体反应约5分钟^30分钟,生长得到碳纳米管阵列10。碳源气可选用己快等化学 性质较活泼的碳氨化合物,保护气体可选用氮气、氨气或惰性气体。本实施例中,处理过的 生长基底12在反应炉中氮气环境下加热到60(TC,通入己快反应20分钟,得到所述碳纳米 管阵列10。该碳纳米管阵列10为多个彼此平行且垂直于生长基底12生长的碳纳米管形成 的纯碳纳米管阵列10。通过上述控制生长条件,该定向排列的碳纳米管阵列10中基本不含 有杂质,如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等。
[0017] 步骤S20中,采用一拉伸工具从所述碳纳米管阵列10中拉取碳纳米管获得一碳 纳米管膜20,其具体包括W下步骤;(a)从所述碳纳米管阵列10中选定一个或多个碳纳米 管,优选为采用具有一定宽度的胶带、綴子或夹子接触碳纳米管阵列10W选定一个或多个 碳纳米管,本实施例中优选綴子来选定多个碳纳米管;(b)W-定速度拉伸该选定的碳纳 米管,从而形成首尾相连的多个碳纳米管片段,进而形成一连续的碳纳米管膜20。该拉伸方 向沿基本垂直于碳纳米管阵列10的生长方向。
[0018] 在上述拉伸过程中,该多个碳纳米管片段在拉力作用下沿拉伸方向逐渐脱离生长 基底12的同时,由于范德华力作用,该选定的多个碳纳米管片段分别与其它碳纳米管片段 首尾相连地连续地被拉出,从而形成一连续、均匀且具有一定宽度的碳纳米管膜20。
[0019] 该碳纳米管膜20的宽度与碳纳米管阵列10的尺寸有关,该碳纳米管膜20的长度 不限,可根据实际需求制得。当该碳纳米管阵列10的面积为4英寸时,该碳纳米管膜20的 宽度为0. 5纳米^lO厘米,该碳纳米管膜20的厚度为0. 5纳米^lO微米。
[0020] 请参见图2,所述碳纳米管膜20包括多个均匀分布且通过范德华力首尾相连的碳 纳米管,该多个碳纳米管沿同一方向择优取向排列,且平行于碳纳米管膜20的表面。该多 个碳纳米管包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种或多种。所述单壁 碳纳米管的直径为0. 5纳米至50纳米,所述双壁碳纳米管的直径为1. 0纳米至50纳米,所 述多壁碳纳米管的直径为1. 5纳米至50纳米。所述碳纳米管膜20还可W为由碳纳米管组 成的纯结构。
[0021] 所述碳纳米管膜20为一自支撑结构。所述自支撑为碳纳米管膜20不需要大面积 的载体支撑,而只要相对两边提供支撑力即能整体上悬空而保持自身层状状态,即将该碳 纳米管膜20置于(或固定于)间隔一固定距离设置的两个支撑体上时,位于两个支撑体之间 的碳纳米管膜20能够保持自身层状状态。
[0022] 所述第一反应室30具有相对设置的一第一进口 32和一第一出口 34,所述第二反 应室40具有相对设置的一第二进口 42和一第二出口 44。将所述碳纳米管膜20利用拉伸 工具依次穿过第一反应室30和第二反应室40,并固定于一支撑轴60上。可W理解,所述碳 纳米管膜20的一端固定于所述支撑轴60,另一端连接于所述碳纳米管阵列10,且该碳纳米 管膜20穿过整个第一反应室30和第二反应室40,如图1所示。所述支撑轴60具有一轴 必,支撑轴60可绕其轴必自转,该支撑轴60转动可W将碳纳米管膜20卷绕在该支撑轴60 上。可W理解,所述支撑轴60也可W和一电机连接,W便所述支撑轴60实现自动转动。
[0023] 步骤S30中,第一反应
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