碳纤维膜及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种碳纤维膜及其制备方法，尤其涉及一种气相生长碳纤维膜及其制 备方法。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 气相生长碳纤维一般通过催化裂解烃类化合物，气相沉积在过渡金属如铁、钴、镍 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 下把烃类和氢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。但是，基体法生产效率较低，无法实现碳纤维的连续、批 量化生产。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，确有必要提供一种可以连续、批量化生长碳纤维膜的制备方法及其碳 纤维膜。
[0005] -种碳纤维膜的制备方法，包括以下步骤：提供至少一碳纳米管阵列；从所述至 少一碳纳米管阵列中拉取获得至少一碳纳米管膜；提供一第一反应室和一第二反应室，将 所述至少一碳纳米管膜依次穿过该第一反应室和第二反应室；向第一反应室内通入载气和 碳源气体，使第一反应室内的至少一碳纳米管膜表面形成一碳层；以及将所述形成碳层的 至少一碳纳米管膜导入所述第二反应室内，控制第二反应室内的温度，使第二反应室内的 至少一碳纳米管膜上的碳层石墨化，形成至少一碳纤维膜。
[0006] -种碳纤维膜的制备方法，包括以下步骤：提供至少一碳纳米管阵列；从所述至 少一碳纳米管阵列中拉取获得至少一碳纳米管膜；通过裂解一碳源气体，在所述至少一碳 纳米管膜上形成一碳层；以及加热所述形成碳层的至少一碳纳米管膜，使所述碳层石墨化， 形成至少一碳纤维膜。
[0007] 与现有技术相比，本发明所提供的碳纤维膜的制备方法是先从一碳纳米管阵列中 拉取一碳纳米管膜，在该碳纳米管膜上生长碳层，然后使该碳层石墨化，获得一碳纤维膜。 本发明可以一边从碳纳米管阵列中拉取碳纳米管膜，一边在该碳纳米管膜上生长碳层并石 墨化该碳层，实现碳纤维膜的连续、批量化生产。利用所述制备方法所制备的碳纤维膜具有 良好的导电性能和机械性能。
【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为本发明第三实施例提供的碳纤维膜的剖面结构示意图。
[0012] 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】
[0013] 下面将结合附图及具体实施例对本发明提供的碳纤维膜的制备方法作进一步的 详细说明。
[0014] 请一参见图1，本发明第一实施例提供一种碳纤维膜50的制备方法，包括以下步 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。
[0015] 步骤S10中，所述碳纳米管阵列10优选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，其具体包括以下步骤：（a)提供一平整生 长基底12,该生长基底12可选用P型或N型硅生长基底12,或选用形成有氧化层的硅生长 基底12,本发明实施例优选为采用4英寸的硅生长基底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)、钴（Co)、镍（Ni)或其任意组合的合金之一； (c)将上述形成有催化剂层的生长基底12在700°C~900°C的空气中退火约30分钟~90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500°C~740°C， 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。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。本实施例中碳源气可选用乙炔等化学性质较活泼的碳氢化合物，保护 气体可选用氮气、氨气或惰性气体。
[0016] 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,其具体包括以下步骤：（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、镊子或夹子接触碳纳米管阵列10以选定一个或多个碳 纳米管；（b)以一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。
[0017] 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。
[0018] 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 宽度为〇. 5纳米~10厘米，该碳纳米管膜20的厚度为0. 5纳米~10微米。
[0019] 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 碳纳米管的直径为〇. 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还可以为由碳纳米管组 成的纯结构。
[0020] 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。
[0021] 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。可以理解，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 心，支撑轴60可绕其轴心自转，该支撑轴60转动可以将碳纳米管膜20卷绕在该支撑轴60 上。可以理解，所述支撑轴60也可以和一电机连接，以便所述支撑轴60实现自动转动。
[0022] 步骤S30中，第一反应室30内的碳纳米管膜20上生长一碳层52的具体过程为： S31，向第一反应室30内通入载气； 532, 向第一反应室30内通入碳源气体；以及 533, 加热所述第一反应室30,使该第一反应室30内的温度达到800°C~1000°C，所述碳 源气体发生裂解形成碳，并沉积在所述碳纳米管膜20上形成碳层52。
[0023] 步骤S31中，所述载气的作用是净化第一反应室30,使第一反应室30具有一个 纯净的环境。所述载气包括氮气、氨气或惰性气体，比如氩气等。所述载气的体积流量为 50sccm(标况毫升每分）~100sccm。
[0024] 步骤S32中，所述碳源气体为碳氢化合物，比如烃、炔等，所述碳源气体的体积流 量为 20