碳纳米管复合结构的制作方法

专利名称：碳纳米管复合结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种碳纳米管复合结构。
背景技术：
碳纳米管是一种由石墨烯片卷成的中空管状物。碳纳米管具有优异的力学、热学 及电学性质，其应用领域非常广阔。例如，碳纳米管可用于制作场效应晶体管、原子力显微 镜针尖、场发射电子枪、纳米模板等。上述技术中碳纳米管的应用主要是碳纳米管在微观尺 度上的应用，操作较困难。因此，使碳纳米管具有宏观尺度的结构并在宏观上应用具有重要
眉、ο姜开利等人于2002年成功地从一碳纳米纳米管阵列拉取获得一具有宏观尺度的 碳纳米管线，具有请参见文献 “Spinning Continuous Carbon NanotubeYarns，，，Nature, V419, P801o所述碳纳米线由多个首尾相连且基本沿同一方向择优取向排列的碳纳米管组 成。然而，所述碳纳米线中的碳纳米管之间的结合力较弱，因此，所述碳纳米线的机械
性能还需进一步提高。

发明内容
有鉴于此，有必要提供一种具有良好机械性能的碳纳米管复合结构。一种碳纳米管复合结构，其包括一碳纳米管结构及一石墨结构。所述碳纳米管结 构包括多个碳纳米管通过范德华力相互连接。所述石墨结构填充在所述碳纳米管结构中， 且与所述碳纳米管结构通过碳碳键复合。—种碳纳米管复合结构，其包括多个石墨纤维。每一石墨纤维缠绕或包覆有多个 碳纳米管。所述多个碳纳米管通过范德华力首尾相连且沿该石墨纤维轴向延伸。与现有技术相比较，所述碳纳米管复合结构通过在所述碳纳米管结构中填充并复 合一石墨结构，从而提高所述碳纳米管结构中机械性能。具体地，所述多个碳纳米管之间不 仅具有范德华力使其连接，还包括石墨纤维连接在所述多个碳纳米管之间，从而增强所述 多个碳纳米管之间的结合力，使所述碳纳米管复合结构的具有优异的机械性能。


图1为--碳纳米1f絮化膜的扫描电镜照片。
图2为--碳纳米1f碾压膜的扫描电镜照片。
图3为--碳纳米1f拉膜的扫描电镜照片。
图4为--碳纳米1f交叉膜的扫描电镜照片。
图5为--非扭转的碳纳米管线的扫描电镜照片。
图6为--扭转的碳纳米管线的扫描电镜照片。
具体实施例方式以下将结合附图详细说明本发明实施例。本发明实施例提供一碳纳米管复合结构的制备方法，其具体包括如下步骤步骤S10，提供一碳纳米管结构，所述碳纳米管结构包括多个碳纳米管通过范德华 力连接；步骤S20，所述碳纳米管结构中复合一聚合物；以及步骤S30，石墨化复合有聚合物的碳纳米管结构，使所述聚合物石墨化为一石墨结 构。在步骤SlO中，所述碳纳米管结构为由多个碳纳米管通过范德华力彼此相连构成 的一碳纳米管骨架，所述碳纳米管骨架可为膜状结构、线状结构或者其它形状的结构。所述 碳纳米管结构为一碳纳米管自支撑结构，所谓“自支撑”即该碳纳米管结构无需通过设置于 一基体表面，即边缘或者相对端部提供支撑而其未得到支撑的其他部分能保持自身特定的 形状。由于该自支撑的碳纳米管结构中大量的碳纳米管通过范德华力相互吸引，从而使该 碳纳米管结构具有特定的形状，形成一自支撑结构。通常，所述自支撑的碳纳米管结构中距 离在0. 2纳米到9纳米之间的碳纳米管的数量较多，这部分碳纳米管之间具有较大的范德 华力，从而使得所述碳纳米管结构仅通过范德华力即可形成自支撑结构。所述碳纳米管结构可包括一碳纳米管膜结构，所述碳纳米管膜结构为一具有多个 微孔的膜状结构。所述微孔由多个碳纳米管通过范德华力相互连接而形成，形成所述微孔 的碳纳米管可处于同一平面，也可处于不同平面。该微孔的尺寸在1纳米到500纳米之间。 所述碳纳米管膜结构的结构不限，只要能形成多个上述微孔即可。优选地，所述碳纳米管膜 结构可为一自支撑结构，从而该碳纳米管膜结构可作为所述碳纳米管复合结构的骨架。所 谓“自支撑”即该碳纳米管膜结构无需通过设置于一基体表面，也能保持自身特定的形状。 由于该自支撑的碳纳米管膜结构包括大量的碳纳米管通过范德华力相互吸引，从而使该碳 纳米管膜结构具有特定的形状，形成一自支撑结构。所述碳纳米管膜结构可包括至少一碳纳米管膜，当所述碳纳米管膜结构包括多个 碳纳米管膜时，该多个碳纳米管膜层叠设置，相邻的碳纳米管膜之间通过范德华力相结合。请参阅图1，所述碳纳米管膜可为一碳纳米管絮化膜，该碳纳米管絮化膜为将一碳 纳米管原料，如一超顺排阵列，絮化处理获得的一自支撑的碳纳米管膜。该碳纳米管絮化膜 包括相互缠绕且均勻分布的碳纳米管。碳纳米管的长度大于10微米，优选为200微米到 900微米，从而使碳纳米管相互缠绕在一起。所述碳纳米管之间通过范德华力相互吸引、分 布，形成网络状结构。由于该自支撑的碳纳米管絮化膜中大量的碳纳米管通过范德华力相 互吸引并相互缠绕，从而使该碳纳米管絮化膜具有特定的形状，形成一自支撑结构。所述碳 纳米管絮化膜各向同性。所述碳纳米管絮化膜中的碳纳米管为均勻分布，无规则排列，形成 大量尺寸在1纳米到500纳米之间的间隙或微孔。所述碳纳米管絮化膜的面积及厚度均不 限，厚度大致在0. 5纳米到100微米之间。所述碳纳米管膜可为一碳纳米管碾压膜，该碳纳米管碾压膜为通过碾压一碳纳米 管阵列获得的一种具有自支撑性的碳纳米管膜。该碳纳米管碾压膜包括均勻分布的碳纳米 管，碳纳米管沿同一方向或不同方向择优取向排列。所述碳纳米管碾压膜中的碳纳米管相 互部分交叠，并通过范德华力相互吸引，紧密结合，使得该碳纳米管膜具有很好的柔韧性，可以弯曲折叠成任意形状而不破裂。且由于碳纳米管碾压膜中的碳纳米管之间通过范德华 力相互吸引，紧密结合，使碳纳米管碾压膜为一自支撑的结构。所述碳纳米管碾压膜中的碳 纳米管与形成碳纳米管阵列的生长基底的表面形成一夹角β，其中，β大于等于0度且小 于等于15度，该夹角β与施加在碳纳米管阵列上的压力有关，压力越大，该夹角越小，优选 地，该碳纳米管碾压膜中的碳纳米管平行于该生长基底排列。该碳纳米管碾压膜为通过碾 压一碳纳米管阵列获得，依据碾压的方式不同，该碳纳米管碾压膜中的碳纳米管具有不同 的排列形式。具体地，碳纳米管可以无序排列；请参阅图2，当沿不同方向碾压时，碳纳米管 沿不同方向择优取向排列；当沿同一方向碾压时，碳纳米管沿一固定方向择优取向排列。该 碳纳米管碾压膜中碳纳米管的长度大于50微米。该碳纳米管碾压膜的面积与碳纳米管阵 列的尺寸基本相同。该碳纳米管碾压膜厚度与碳纳米管阵列的高度以及碾压的压力有关， 可为0. 5纳米到100微米之间。可以理解，碳纳米管阵列的高度越大而施加的压力越小，则 制备的碳纳米管碾压膜的厚度越大；反之，碳纳米管阵列的高度越小而施加的压力越大，则 制备的碳纳米管碾压膜的厚度越小。所述碳纳米管碾压膜之中的相邻的碳纳米管之间具有 一定间隙，从而在碳纳米管碾压膜中形成多个尺寸在1纳米到500纳米之间的间隙或微孔。所述碳纳米管膜可为一碳纳米管拉膜，且此时所述碳纳米管膜结构至少包括两层 碳纳米管拉膜。请参见图3，所述形成的碳纳米管拉膜是由若干碳纳米管组成的自支撑结 构。所述若干碳纳米管为沿该碳纳米管拉膜的长度方向择优取向排列。所述择优取向是指 在碳纳米管拉膜中大多数碳纳米管的整体延伸方向基本朝同一方向。而且，所述大多数碳 纳米管的整体延伸方向基本平行于碳纳米管拉膜的表面。进一步地，所述碳纳米管拉膜中 多数碳纳米管是通过范德华力首尾相连。具体地，所述碳纳米管拉膜中基本朝同一方向延 伸的大多数碳纳米管中每一碳纳米管与在延伸方向上相邻的碳纳米管通过范德华力首尾 相连。当然，所述碳纳米管拉膜中存在少数偏离该延伸方向的碳纳米管，这些碳纳米管不会 对碳纳米管拉膜中大多数碳纳米管的整体取向排列构成明显影响。所述自支撑为碳纳米管 拉膜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膜 状状态，即将该碳纳米管拉膜置于(或固定于)间隔一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拉膜能够悬空保持自身膜状状态。所述自支撑主要通过碳纳米 管拉膜中存在连续的通过范德华力首尾相连延伸排列的碳纳米管而实现。具体地，所述碳 纳米管拉膜中基本朝同一方向延伸的多数碳纳米管，并非绝对的直线状，可以适当的弯曲； 或者并非完全按照延伸方向上排列，可以适当的偏离延伸方向。因此，不能排除碳纳米管拉 膜的基本朝同一方向延伸的多数碳纳米管中并列的碳纳米管之间可能存在部分接触。具体地，该碳纳米管拉膜包括多个连续且定向排列的碳纳米管片段。该多个碳纳 米管片段通过范德华力首尾相连。每一碳纳米管片段由多个相互平行的碳纳米管组成。该 碳纳米管片段具有任意的长度、厚度、均勻性及形状。该碳纳米管拉膜具有较好的透光性， 可见光透过率可以达到75%以上。当所述碳纳米管膜结构包括多层碳纳米管拉膜时，相邻两层碳纳米管拉膜中 的择优取向排列的碳纳米管之间形成一交叉角度α，α大于等于0度小于等于90度 (0° < α <90° )。请参阅图4，优选地，为提高所述碳纳米管膜的强度，所述交叉角度 α大致为90度，即相邻两层碳纳米管拉膜中的碳纳米管的排列方向基本垂直，形成一交叉 膜。所述多个碳纳米管拉膜之间或一个碳纳米管拉膜之中的相邻的碳纳米管之间具有一定间隙，从而在碳纳米管结构中形成多个均勻分布，无规则排列，尺寸在1纳米到500纳米之 间的间隙或微孔。所述碳纳米管结构可包括至少一碳纳米管线结构，当所述碳纳米管结构包括多个 碳纳米管线结构时，所述多个碳纳米管线可相互平行、缠绕或编织设置。所述碳纳米管线结 构包括至少一碳纳米管线，所述碳纳米管线包括多个碳纳米管通过范德华力相互连接且基 本沿所述碳纳米管线的轴向延伸。当所述碳纳米管线结构包括多个碳纳米管线时，所述多 个碳纳米管线可相互平行或缠绕设置。所述碳纳米管线的结构不限，优选地，所述碳纳米管 线为一自支撑结构。所谓“自支撑”即该碳纳米管线无需通过设置于一基体表面，也能保持 自身特定的形状。由于该自支撑的碳纳米管线中大量的碳纳米管通过范德华力相互吸引， 从而使该碳纳米管线结构具有特定的形状，形成一自支撑结构。通常，所述碳纳米管线中的 碳纳米管之间具有较大的范德华力，从而使得所述碳纳米管膜结构仅通过范德华力即可形 成所述自支撑结构。当所述碳纳米管线结构包括多个碳纳米管线时，所述多个碳纳米管线 可相互平行或缠绕设置，相邻之间的碳纳米管线同过范德华力连接。所述碳纳米管线可为将一碳纳米管拉膜经过处理形成的线结构，所述碳纳米管拉 膜的处理方法包括用挥发性有机溶剂浸润处理或机械扭转处理。所述挥发性有机溶剂浸润 处理可通过试管将有机溶剂滴落在碳纳米管拉膜表面浸润整个碳纳米管拉膜，或者，也可 将上述形成有碳纳米管拉膜的固定框架整个浸入盛有有机溶剂的容器中浸润。该挥发性有 机溶剂为乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本实施例中采用乙醇。所述有机溶剂在挥发时 产生的张力使所述碳纳米管拉膜收缩形成所述碳纳米管线。请参阅图5，通过挥发性有机溶 剂浸润处理所得到的碳纳米管线为一非扭转的碳纳米管线，该非扭转的碳纳米管线包括多 个沿碳纳米管线长度方向排列的碳纳米管。具体地，该非扭转的碳纳米管线包括多个碳纳 米管通过范德华力首尾相连且沿碳纳米管线轴向择优取向排列。所述机械扭转处理可通过 采用一机械力将所述碳纳米管拉膜两端沿相反方向扭转。请参阅图6，通过机械扭转处理而 得到的碳纳米管线为一扭转的碳纳米管线，该扭转的碳纳米管线包括多个绕碳纳米管线轴 向螺旋排列的碳纳米管。具体地，该扭转的碳纳米管线包括多个碳纳米管通过范德华力首 尾相连且沿碳纳米管线轴向呈螺旋状延伸。可以理解，也可以对获得的碳纳米管拉膜同时 或者依次进行有机溶剂挥发性有机溶剂浸润处理或机械扭转处理来获得所述扭转的碳纳 米管线。在步骤S20中，所述碳纳米管结构中复合所述聚合物的方法不限，只要能够使所 述聚合物与所述碳纳米管结构中的多个碳纳米管复合，并在所述多个碳纳米管与聚合物之 间形成多个共价键即可。具体地，使所述碳纳米管结构复合有聚合物的方法可进一步包括 如下步骤S21，将所述碳纳米管结构浸润在一聚合物溶液中以与所述聚合物复合。在步骤S21中，所述聚合物溶液可通过将所述聚合物直接熔融或将所述聚合物溶 解于一溶剂而得到。在本实施例中，所述聚合物溶液通过将该聚合物溶解于一有机溶剂而 得到。所述聚合物的种类与性质不限，可根据实际需求而选择。所述聚合物可包括聚丙烯腈 (Polyacrylonitrile, PAN) ,M Z^MW- (polyvinyl alcohol, PVA) ,MWM (Polypropylene, PP)、聚苯乙烯(Polystyrene, PS)、聚氯乙烯(Polyvinylchlorid，PVC)及聚对苯二甲酸乙 二酯(Polyethyleneter印hthalate，PET)中的任意一种或任意组合。所述聚合物的聚合度 也可根据实际操作而选择。优选地，所述聚合物的聚合度在1500到3500之间，从而使得所述聚合物既可被溶解，又可与碳纳米管又保持一定的浸润性。所述聚合物溶液中的聚合物 的质量百分比根据聚合物及有机溶剂的不同而不同，通常，所述聚合物溶液中的聚合物的 质量百分比大致在到9%之间。所述有机溶剂用于溶解所述聚合物，并能够与所述碳纳 米管浸润，从而能够使所述聚合物充分复合到所述碳纳米管结构中甚至复合到所述碳纳米 管结构中的碳纳米管内部。优选地，所述有机溶剂在能能溶解所述聚合物的同时，还具有较 大的表面张力。具体地，可选择表面张力大于20毫牛每米且对碳纳米管的接触角小于90 度的有机溶剂。所述有机溶剂可包括二甲基亚砜(DimethylSulphoxide，DMS0)、二甲基甲 酰胺(Dimethyl Formamide，DMF)、2，5-二甲基呋喃(2，5-dimethyl furan)及 N-甲基吡咯 烷酮(N-methyl-2-pyrrolidone，NMP)中的任意一种或组合。由于所述有机溶剂的溶解能 力根据聚合物的不同而不同，因此，所述有机溶剂的选择还需根据具体的聚合物而选择。譬 如，当所述聚合物为聚乙烯醇时，所述有机溶剂可选择二甲基亚砜。所述二甲基亚砜的表面 张力大致为43. 54毫牛每米且对碳纳米管的接触角大致为110度。所述有机溶剂对碳纳米 管的接触角越小，所述聚合物对所述碳纳米管结构的浸润性越好，所述聚合物与所述碳纳 米管结构结合越紧密。所述有机溶剂的表面张力越大，所述聚合物对所述碳纳米管结构的 浸润性越好，使所述碳纳米管结构收缩的能力越强，所述聚合物与所述碳纳米管结构结合 越紧密。当所述碳纳米管结构为碳纳米管膜结构时，所述聚合物溶液浸润所述碳纳米管膜 结构后，部分聚合物溶液将渗透到所述碳纳米管膜结构的微孔中并与所述碳纳米管膜结构 中的碳纳米管接触。所述聚合物溶液中的有机溶剂蒸发后，其中的聚合物将与所述碳纳米 管接触紧密接触并形成共价键。且，当所述聚合物溶液填满所述微孔后，还可在所述碳纳米 管膜结构相对的两个表面形成两层聚合物溶液层。所述聚合物溶液层中的有机溶剂蒸发 后，两层聚合物层将形成在所述两个表面并将所述碳纳米管膜结构夹持其中，形成一层状 结构。当所述碳纳米管结构包括至少一碳纳米管线结构时，所述聚合物溶液渗透在所述 碳纳米管线结构中的间隙中，并与该碳纳米管线结构中的碳纳米管浸润。所述聚合物溶液 中的有机溶剂蒸发后，所述聚合物溶液中的聚合物将缠绕或包覆所述碳纳米管线结构中首 尾相连的碳纳米管形成多个聚合物纤维，或填满所述碳纳米管线结构中的间隙，形成一个 整体的聚合物结构。在步骤S20中，也可以通过原位聚合的方式使所述碳纳米管结构复合有聚合物。 具体地，使所述碳纳米管结构复合有聚合物的方法可进一步包括如下步骤S121，将所述碳 纳米管结构浸润在一聚合物单体溶液中；以及S122，使该聚合物单体产生聚合反应，该聚 合物单体聚合反应后成为聚合物与所述碳纳米管结构复合。在步骤S121及S122中，所述聚合物单体可包括丙烯腈、乙烯醇、丙烯、苯乙烯、氯 乙烯或对苯二甲酸乙二酯。所述聚合物单体经过聚合后生成聚丙烯腈、聚乙烯醇、聚丙烯、 聚苯乙烯、聚氯乙烯或聚对苯二甲酸乙二酯。聚合物单体在同一有机溶剂中的溶解度要大于该聚合物单体对应的聚合物在该 有机溶剂中的溶解度。因此，通过原位聚合的方式使所述碳纳米管结构复合有聚合物的方 法，相对于将碳纳米管结构直接浸润在所述聚合物溶液中使所述聚合物与所述碳纳米管结 构复合的方法，能够使所述聚合物的选择范围更广。
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在步骤S30中，所述石墨化的方法不限，只要能够使复合在碳纳米管结构的聚合 物形成石墨结构，且不破坏所述碳纳米管结构即可。具体的，所述石墨化的方法可包括如下 步骤S31，将所述复合有聚合物的碳纳米管结构在空气中加热使所述聚合物进行预氧 化；以及S32，将预氧化后的聚合物放置于一真空环境或惰性气体环境高温石墨化。在步骤S31中，所述预氧化的温度大致在200度到300度之间。在步骤S32中，所述真空环境或惰性气体环境用于获得低氧或绝氧环境，从而使 得所述碳纳米管结构在高温时不被氧化。当选择真空环境时，所述真空环境中的大气压小 于5*10_2帕，优选地，所述真空环境中的大气压小于5*10_5帕。当选择惰性气体环境时，所 述惰性气体包括氩气、氮气等。所述复合在碳纳米管结构中的聚合物在石墨化过程中去掉大部分的氮、氢及氧， 形成所述石墨结构。且在石墨化过程中石墨结构与碳纳米管结构之间形成有多个碳碳键， 使所述石墨结构与碳纳米管结构复合形成所述碳纳米管复合结构。所述碳碳键既可通过碳 化所述共价键而形成，也可通过在高温时使石墨结构中的碳原子与碳纳米管结构中的碳原 子晶格重组时而形成。所述碳碳键包括在碳-碳原子间形成的SP2或SP3键。具体地，所述 碳碳键包括在碳-碳原子间形成的SP2或SP3键。在碳纳米管复合结构中，由于所述碳纳米 管结构为一自支撑结构，该碳纳米管结构为由多个碳纳米管通过范德华力相互连接形成的 碳纳米骨架，而所述石墨结构则填充在该碳纳米管骨架中，且通过碳碳键及范德华力与所 述碳纳米管骨架紧密结合。所述石墨结构的具体形态与石墨化时的具体工艺有关。譬如，高温石墨化的温度 通常在2000度以上，为达到不同的石墨化效果，加热到所述温度的时间可根据实际需要而 选择。当加热速度较快时，所述聚合物容易石墨化为石墨片段。所述石墨片段包括至少一 石墨烯(Graphene)，当所述石墨片段包括多个石墨烯时，所述多个石墨烯之间通过碳碳键 结合。所述碳碳键包括在碳-碳原子间形成的SP2或SP3键。具体地，所述碳碳键包括在 碳-碳原子间形成的SP2或SP3键。当加热速度较缓慢时，所述聚合物容易石墨化为石墨纤 维。所述石墨纤维为所述聚合物纤维去掉大部分的氮、氢及氧而形成。所述石墨纤维又称 高模量碳纤维，该石墨纤维为分子结构已石墨化、含碳量在99%以上具有层状六方晶格石 墨结构的纤维。所述石墨结构的具体形态还与所述碳纳米管结构的结构有关。当所述碳纳米管结 构包括多个微孔时，所述聚合物容易石墨化为多个石墨片段。当所述碳纳米管结构包括多 个首尾相连且基本沿同一方向延伸的多个碳纳米管时，所述聚合物容易石墨化为多个石墨 纤维。具体地，当所述碳纳米管结构包括至少一碳纳米管膜结构时，填充在所述碳纳米 管膜结构微孔中的聚合物被石墨化为石墨片段。相邻的石墨片段之间通过碳碳结合从而形 成所述石墨结构。填充在所述碳纳米管膜结构的微孔中的石墨片段并不一定能完全填满所 述微孔，通常，所述多个石墨片段附着在碳纳米管的管壁上或包覆于碳纳米管的部分表面， 且通过碳碳键与所述碳纳米管结合。即，由所述碳纳米管膜结构与石墨结构复合形成的碳 纳米管复合结构基本由碳纳米管与石墨片段组成，所述碳纳米管与所述石墨片段通过碳碳键及范德华力结合。当所述碳纳米管膜结构相对的两个表面具有两层聚合物层时，所述聚合物层在石 墨化后在该碳纳米管膜结构两侧形成两层石墨层，从而形成一具有层状结构的碳纳米管复 合结构。且，填充在所述碳纳米管膜结构两侧的石墨片段与分布在该碳纳米管膜结构两侧 的石墨片段通过碳碳键结合形成一整体结构。此时，所述碳纳米管膜结构可被所述石墨结 构完全包覆，复合在所述石墨结构的内部。因此，从宏观上看，所述石墨结构为一海绵状结 构，且将所述碳纳米管膜结构包埋其中。或者说，该多个碳纳米管以自支撑的碳纳米管膜结 构的形式设置于该石墨结构中，且所述石墨结构与所述多个碳纳米管通过范德华力及碳碳 键相结合。所述碳纳米管复合结构包括由多个碳纳米管形成的碳纳米管膜结构及填充在该 碳纳米管膜结构中的多个石墨片段。所述多个碳纳米管之间除了用范德华力结合之外，还 可通过所述石墨片段紧密结合，从而增加了所述多个碳纳米管之间的结合力，提高了所述 碳纳米管复合结构的机械性能。而所述石墨片段与所述碳纳米管结构具有较小的密度且均 为碳素材料，因此，由多个石墨片段与多个碳纳米管复合形成的碳纳米管复合结构具有密 度小、耐腐蚀、耐潮等优点。当所述碳纳米管结构包括至少一碳纳米管线结构时，所述聚合物既可通过石墨化 为多个石墨片段，又可石墨化为多个石墨纤维。具体地，如果在石墨化的方法中，通过快速 加热的方式进行石墨化，所述聚合物将被石墨化为多个石墨片段。所述石墨片段与所述碳 纳米管线结构通过碳碳键结合形成碳纳米管复合结构。而如果在石墨化的方法中，通过缓 慢加热的方式进行石墨化，则所述聚合物将被石墨化为多个石墨纤维。所述石墨纤维与所 述碳纳米管通过范德华力及碳碳键结合。所述石墨纤维结构中的多个石墨纤维之间通过碳 碳键或范德华力相互结合，并形成一个整体结构。在同一碳纳米管线中的多个碳纳米管基本沿碳纳米管线的轴向延伸，因此，缠绕 或包覆所述多个碳纳米管的石墨纤维也基本沿所述碳纳米管线的轴向延伸。具体地，当所 述碳纳米管线中的多个碳纳米管通过范德华力首尾相连且基本沿碳纳米管线轴向呈螺旋 状延伸，则所述石墨纤维也基本沿碳纳米管线轴向呈螺旋状延伸。当所述碳纳米管线中的 多个碳纳米管通过范德华力首尾相连且沿碳纳米管线轴向择优取向排列，则所述石墨纤维 也基本沿所述碳纳米管线轴向择优取向排列。在同一碳纳米管线或碳纳米管线结构中的石 墨纤维即可通过范德华力结合也可通过碳碳键结合，优选地，在同一碳纳米管线中的石墨 纤维通过碳碳键结合。所述碳纳米管复合结构也可看作由石墨纤维及碳纳米管两种碳素材料复合而成。 具体地，所述碳纳米管复合结构可包括多个石墨纤维，每一石墨纤维均包覆或缠绕有多个 首尾相连的碳纳米管。所述多个碳纳米管通过范德华力首尾相连且沿该石墨纤维轴向延 伸。所述多个石墨纤维可相互平行、缠绕或编织设置。所述多个石墨纤维之间可通过范德 华力或碳碳键结合形成所述石墨纤维结构。所述碳纳米管复合结构包括由多个碳纳米管形成的碳纳米管线结构及分布在该 碳纳米管线结构中的石墨纤维。所述多个碳纳米管之间除了用范德华力结合之外，还可通 过所述石墨纤维紧密结合，从而增加了所述多个碳纳米管之间的结合力，提高了所述碳纳 米管复合结构的机械性能，尤其能提高沿所述碳纳米管线结构轴向方向的机械性能。而所述石墨纤维与所述碳纳米管结构具有较小的密度且均为碳素材料，因此，由多个石墨纤维 与多个碳纳米管复合形成的碳纳米管复合结构具有密度小、耐腐蚀、耐潮等优点。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精 神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
权利要求
一种碳纳米管复合结构，其包括一碳纳米管结构，所述碳纳米管结构包括多个碳纳米管通过范德华力相互连接，其特征在于，所述碳纳米管复合结构进一步包括一石墨结构填充在所述碳纳米管结构中，所述石墨结构与所述碳纳米管结构通过碳碳键复合。
2.如权利要求1所述的碳纳米管复合结构，其特征在于，所述多个碳纳米管通过范德 华力相互连接形成一自支撑结构。
3.如权利要求1所述的碳纳米管复合结构，其特征在于，所述石墨结构与所述碳纳米 管结构通过碳碳键及范德华力相结合。
4.如权利要求1所述的碳纳米管复合结构，其特征在于，所述碳纳米管结构包括至少 一碳纳米管线结构，所述碳纳米管线结构包括至少一碳纳米管线，所述碳纳米管线包括多 个碳纳米管通过范德华力首尾连接且沿该碳纳米管线轴向延伸。
5.如权利要求4所述的碳纳米管复合结构，其特征在于，所述碳纳米管结构包括多个 碳纳米管线结构相互缠绕、平行或编织设置。
6.如权利要求4所述的碳纳米管复合结构，其特征在于，所述碳纳米管线结构包括多 个碳纳米管线相互缠绕或平行设置，多个碳纳米管线之间通过范德华力结合。
7.如权利要求4所述的碳纳米管复合结构，其特征在于，所述石墨结构包括多个石墨 纤维，所述多个石墨纤维缠绕包覆所述多个碳纳米管且沿所述碳纳米管线轴向延伸。
8.如权利要求7所述的碳纳米管复合结构，其特征在于，所述碳纳米管线中的多个碳 纳米管沿碳纳米管线轴向呈螺旋状延伸。
9.如权利要求8所述的碳纳米管复合结构，其特征在于，所述多个石墨纤维沿所述碳 纳米管线轴向呈螺旋状延伸。
10.如权利要求7所述的碳纳米管复合结构，其特征在于，所述碳纳米管线中的多个碳 纳米管沿碳纳米管线轴向择优取向排列。
11.如权利要求10所述的碳纳米管复合结构，其特征在于，所述多个石墨纤维沿所述 碳纳米管线轴向择优取向排列。
12.如权利要求7所述的碳纳米管复合结构，其特征在于，所述石墨纤维之间通过碳碳 键或范德华力结合。
13.如权利要求1所述的碳纳米管复合结构，其特征在于，所述石墨结构包括多个石墨 片段填充在所述碳纳米管结构的间隙中，所述石墨片段通过碳碳键与所述碳纳米管结构结合。
14.一种碳纳米管复合结构，其特征在于，其包括多个石墨纤维，每一石墨纤维缠绕或 包覆有多个碳纳米管，所述多个碳纳米管通过范德华力首尾相连且沿该石墨纤维轴向延 伸。
15.如权利要求14所述的碳纳米管复合结构，其特征在于，所述多个石墨纤维通过范 德华力或碳碳键结合。
16.如权利要求14所述的碳纳米管复合结构，其特征在于，所述多个石墨纤维相互平 行、缠绕或编织设置。
17.如权利要求14所述的碳纳米管复合结构，其特征在于，所述石墨纤维与所述碳纳 米管通过碳碳键结合。
全文摘要
本发明涉及一种碳纳米管复合结构，其包括一碳纳米管结构及一石墨结构填充在所述碳纳米管结构中。所述碳纳米管结构包括多个碳纳米管通过范德华力相互连接。所述石墨结构与所述碳纳米管结构通过碳碳键复合。
文档编号C01B31/02GK101898758SQ201010212498
公开日2010年12月1日 申请日期2010年6月29日 优先权日2010年6月29日
发明者刘锴, 姜开利, 孙颖慧, 范守善 申请人:清华大学;鸿富锦精密工业(深圳)有限公司