专利名称：一种碳纳米管的取向方法及取向装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种物质取向的方法，特别是一种碳纳米管取向的方法。
背景技术：
碳纳米管如果是按一定方向有序排布在基体上，相比无序排布方式更能充分发挥其作用，更有效地大幅提升基体在给定方向上力学、热学或电磁学等性能。现有技术中，已有关于碳纳米管在液体分散剂环境中，通过电磁或拉拔等方式定向的报道。中国专利CN 200410009281. 3公开了一种控制碳纳米管取向的方法，将含有碳纳米管的溶液滴于预制有电极的硅衬底上，按照碳纳米管取向排列要求设计电极形状和结构，在电极上施加交流电，通过控制交流电场的方位及施加交流电场的顺序，实现碳纳米管沿确定方向排列的目的。该专利方法中碳纳米管的取向是在滴于硅衬底上的液滴中完成的，取向排列过程中要克服液体内部的粘性阻力，需要施加很大的外部牵引力，难以实现大面积碳纳米管取向的材料的制备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳纳米管在非约束状态下取向的方法，同时提供实现碳纳米管非约束状态下取向的装置。本发明的目的是这样实现的，以一定方式释放碳纳米管使之处于非约束状态，非约束状态的碳纳米管的运动轨迹穿过预设的电场装置，通过设计电场结构参数，实现非约束状态碳纳米管取向时间和运动时间的匹配；使非约束状态的碳纳米管在运动过程中、在电场作用下完成取向转动，在到达预期基体表面时形成定向排布，从而实现碳纳米管定向覆盖在基体表面的目的。本发明涉及的碳纳米管取向方法，其特征在于碳纳米管在非约束状态下取向，操作步骤包括
(1)根据碳纳米管类型及尺寸、预期排布方式和释放方式，匹配碳纳米管取向轨迹和运动轨迹，设计电场结构参数、电学参数和碳纳米管释放装置、电场与预期基体的相对位置；
(2)布设碳纳米管释放装置、电场和预期基体；
(3 )电场通电，释放碳纳米管，碳纳米管在电场作用下完成取向，覆盖到预期基体表面，实现碳纳米管的定向排布。本发明涉及的碳纳米管取向的方法，其特征在于对于单壁碳纳米管，取向电场强度 I. 5 X 104v/m 9 X 105v/m。本发明涉及的碳纳米管取向的方法，其特征在于对于多壁碳纳米管，取向电场强度 3. 2 X 10Vm 9 X 105v/m。本发明涉及的碳纳米管取向的方法，其特征在于所述的碳纳米管均匀分散于液体中。 本发明涉及的碳纳米管取向的方法，其特征在于述的碳纳米管以干燥形式释放。
本发明涉及的碳纳米管取向的方法，其特征在于所述碳纳米管释放方式选自喷射、吹扫或自由撒落中的一种。本发明涉及的碳纳米管取向装置，其特征在于包括碳纳米管释放装置和电场装置，碳纳米管的运动轨迹穿过电场，结构如附图I所示。本发明涉及的碳纳米管取向装置，其特征在于所述的碳纳米管释放装置和电场装置的相对位置固定。本发明涉及的碳纳米管取向装置，其特征在于所述的电场装置设置于基体周围和释放装置前端。本发明涉及的碳纳米管取向方法，碳纳米管在非约束状态下完成空中取向，取向阻力小，取向效果好，效率高，能耗低，适用基体表面碳纳米管取向，特别适用于大面积基体表面碳纳米管取向。
·附图I表示的是本发明方法第一实施例的示意图 附图2表示的是本发明方法第二实施例的示意图 附图3表示的是本发明方法第三实施例的示意图 附图4表示的是本发明方法第四实施例的示意图
其中1-电极，2-喷枪，3-基体，4-喷枪前端的电场管段。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
，对本发明涉及的技术方案进行进一步的说明，但不作为对技术方案的限制。本发明涉及的碳纳米管取向方法，是让非约束状态的碳纳米管在电场作用下、于空中完成取向。由于取向转动过程中所受阻力仅为空气粘性阻力，该作用力远小于碳纳米管在电场中的取向作用力，因此，在电场中只要碳纳米管取向后的势能与初始势能之差超过其周围环境介质布朗运动所产生的热能，就可以使其实现取向目的。碳纳米管在电场中的势能表示为
W I 0)= --P-E(I)
2
P = 4 :. j) E cxxs 0(2)
环境介质布朗运动所产生的热能可以用KiJ来表示。
这样，非约束状态的碳纳米管要进行取向转动，必须满足下式
AW>KfiT(3)
则碳纳米管在电场中取向的最小电场强度可表示为
H - > I ggT —(4)
其中，W⑷为碳纳米管在电场中的势能，P是碳纳米管在电场中的偶极矩，E是电场强度，￡b是真空介电常数，是碳纳米管轴向的体积极化率，&丄是碳纳米管垂直于轴向的
体积极化率，没是碳纳米管轴向与电场方向的夹角，Kfi为玻尔兹曼常数，T为介质的绝对温度。碳纳米管在电场中进行取向转动需要时间，因此，为使碳纳米管在电场中完成取向，其在电场中的停留时间必须要大于取向转动时间。碳纳米管在电场中的停留时间取决于其释放方向及方式，在释放方式一定的情况下，求出碳纳米管在电场中的最短停留时间。碳纳米管在电场中转动所需时间由以下公式算出
权利要求
1.一种碳纳米管取向的方法，步骤包括 (1)根据碳纳米管类型及尺寸、预期排布方式和释放方式，匹配碳纳米管取向轨迹和运动轨迹，设计电场结构参数、电学参数和碳纳米管释放装置、电场与预期基体(3)的相对位置； (2)布设碳纳米管释放装置、电场和预期基体(3)； (3 )电场通电，释放碳纳米管，碳纳米管在电场作用下完成取向，覆盖到预期基体(3 )表面，实现碳纳米管的定向排布。
2.根据权利要求I所述碳纳米管取向的方法，其特征在于对于单壁碳纳米管，其取向电场强度范围为I. 5X 104v/nT9X 105v/m。
3.根据权利要求I所述碳纳米管取向的方法，其特征在于对于多壁碳纳米管，其取向电场强度范围为3. 2X 104v/nT9X 105v/m。
4.根据权利要求I至3任一项所述碳纳米管取向的方法，其特征在于所述的碳纳米管均匀分散于液体中。
5.根据权利要求I至3任一项所述碳纳米管取向的方法，其特征在于所述的碳纳米管以干燥形式释放。
6.根据权利要求5所述碳纳米管取向的方法，其特征在于所述的碳纳米管释放方式选自喷射、吹扫或自由撒落中的一种。
7.一种实现权利要求I所述碳纳米管取向方法的取向装置，其特征在于包括碳纳米管释放装置和电场装置，所述释放装置所释放碳纳米管的运动轨迹穿过所述电场装置。
8.根据权利要求7所述的取向装置，其特征在于所述的碳纳米管释放装置和电场装置的相对位置固定。
9.根据权利要求7或8任一项所述的取向装置，其特征在于所述的电场装置包括设置于所述预期基体(3 )周围的金属电极(I)以及设置在释放装置前端的电场管段(4)。
全文摘要
本发明公开了一种碳纳米管取向的方法，该方法通过在碳纳米管运动途中设置电场装置，让碳纳米管在覆盖到基体表面之前先在空中进行取向，这样碳纳米管取向过程中受到的阻力较小，取向程度较高，从而使取向所需电压变小；电场可以只施加在喷枪前端，也可以只施加在基体的周围空中，还可以既施加在喷枪前端又施加在基体的周围空中，碳纳米管经过两次取向后，其取向程度无疑会更高。与现有技术相比，本发明所述方法会使碳纳米管的取向阻力小、取向程度高并可大规模快速实现。
文档编号C01B31/02GK102701185SQ20121020683
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月21日 优先权日2012年6月21日
发明者徐井利, 李树虎, 王丹勇, 秦贞明, 贾华敏, 郑志才, 郭建芬, 陈以蔚 申请人:中国兵器工业集团第五三研究所