整体碳纳米管和金属复合材料及制备方法
【专利说明】整体碳纳米管和金属复合材料及制备方法
【背景技术】
[0001] 本公开的领域一般地涉及复合材料，以及更具体地涉及整体碳纳米管和金属复合 材料。
[0002] 至少一些已知的碳纳米管（CNT)由通常被称为"石墨烯"的一个原子厚的石墨片 形成。该片被卷成具有纳米级直径以及微米级长度的圆筒。已知的CNT展现出非凡的强度 和电性质，并且是热的有效导体。CNT的两种最常见类型是由单层石墨烯形成的单壁碳纳米 管（SWCNT)和由多个同心圆筒或围绕自身卷曲的石墨烯片形成的多壁碳纳米管（MWCNT)。
[0003] CNT是轻质的并且有非常高的弹性模量。CNT的传导性能依赖于直径和沿着管延 伸的六方碳晶格的手性。六方晶格沿管缠绕的微小变化能够导致CNT具有金属或者半导体 的功能。例如，平行于管轴的六方排列产生被称作"扶手椅式"构造的金属结构。相反，碳 键围绕管圆周的交替排列产生被称作"Z字形"构造的半导体结构。虽然单个的CNT可以是 高导电的，多个CNT之间的高接触电阻导致整体CNT材料的低电导率。
[0004] 发明简述
[0005] 根据本发明的一个方面，提供整体碳纳米管和金属复合材料。整体碳纳米管和金 属复合材料包括含有多个碳纳米管的整体碳纳米管材料层以及施加在整体碳纳米管材料 层上的金属膜。金属膜渗透进入单个碳纳米管之间的空隙以减小多个碳纳米管之间的电 阻。
[0006] 有利地，多个碳纳米管的至少一部分是金属碳纳米管。有利地，多个碳纳米管包含 单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的至少一种。有利地，整体碳纳米管材料层是无纺片和纱的 至少一种。有利地，利用化学气相沉积方法、化学镀膜方法、溅射方法和物理气相沉积方法 中的至少一种将金属膜施加在整体碳纳米管材料层上。有利地，金属膜包含铝、镍、铜、钛、 银、金和铬中的至少一种。
[0007] 根据本发明另一个方面，提供整体碳纳米管和金属复合材料带。整体碳纳米管和 金属复合材料带包括连接至第二整体碳纳米管和金属复合材料的第一整体碳纳米管和金 属复合材料。第一和第二整体碳纳米管和金属复合材料各自包括含有多个碳纳米管的整体 碳纳米管材料层和施加在整体碳纳米管材料层上的金属膜。金属膜渗透进入单个碳纳米管 之间的空隙以减少多个碳纳米管之间的电阻。
[0008] 有利地，利用超声波焊接方法和超声波增材制造方法的至少一种将第一整体碳纳 米管和金属复合材料连接至第二整体碳纳米管和金属复合材料。有利地，所述多个碳纳米 管的至少一部分是金属碳纳米管。有利地，多个碳纳米管包含单壁碳纳米管和多壁碳纳米 管的至少一种。有利地，整体碳纳米管材料层是无纺片和纱的至少一种。有利地，利用化学 气相沉积方法、化学镀膜方法、溅射方法和物理气相沉积方法的至少一种将金属膜施加在 所述整体碳纳米管材料层上。
[0009] 根据本发明的又一方面，提供制备整体碳纳米管和金属复合材料的方法。该方法 包括形成包含多个碳纳米管的第一整体碳纳米管材料层，以及在整体碳纳米管材料层上沉 积金属膜。金属膜渗透进入单个碳纳米管之间的空隙以减小多个碳纳米管之间的电阻。
[0010] 有利地，该方法包括制备第二整体碳纳米管和金属复合材料，以及连接第二整体 碳纳米管和金属复合材料至第一整体碳纳米管和金属复合材料以形成整体碳纳米管和金 属复合材料带。优选地，该方法进一步包括利用超声波焊接方法和超声波增材制造方法的 至少一种连接第二整体碳纳米管和金属复合材料至第一整体碳纳米管和金属复合材料。有 利地，形成第一整体碳纳米管材料层包含利用金属碳纳米管形成所述层的至少一部分。有 利地，形成第一整体碳纳米管材料层包含利用单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的至少一种形 成所述层的至少一部分。有利地，形成第一整体碳纳米管材料层包含利用无纺片和纱的至 少一种形成所述层的至少一部分。有利地，沉积金属膜包含利用化学气相沉积方法、化学 镀膜方法、溅射方法和物理气相沉积方法的至少一种将金属膜施加在整体碳纳米管材料层 上。有利地，沉积金属膜包含将铝、镍、铜、钛、银、金和铬的至少一种施加在整体碳纳米管材 料层上。
【附图说明】
[0011] 图1是示例性整体CNT和金属复合材料的示意图；
[0012] 图2是示例性整体CNT和金属复合材料带的示意图；以及
[0013] 图3是制备整体CNT和金属复合材料带的示例性方法的方框图。
[0014] 发明详述
[0015] 图1图解了包括整体CNT材料层12以及一个或多个薄的金属膜或层14的示例性 整体碳纳米管（CNT)复合材料10。在该示例性实施方式中，分别地，整体CNT层12包括相 对的第一和第二面16和18,并且在每面16和18上沉积金属膜层14。图2图解了通过将 整体CNT层12焊接在一起制备的示例性整体CNT和金属复合材料带20,其将被更详细地 描述。本文所述的方法生产具有高的重量归一化电导率（weight-normalizedelectrical conductivity)、高导热性和高机械强度的整体CNT和金属复合材料带20。
[0016] 在该示例性实施方式中，整体CNT层12是由多个金属CNT(未显示）制备的，例如 "扶手椅型"CNT，其每个以基本平行于每个CNT管轴的手性角度定向。当形成每个CNT的石 墨烯片（未显示）以扶手椅型手性卷绕时，每个形成的CNT具有增强的金属性质并且对于 非常高的电流密度具有增强的容量。可选地，除了金属CNT之外，整体CNT层12还可包括 许多半导体CNT(未显示）。在该示例性实施方式中，整体CNT层12是无纺片或纱。可选 地，可使用任何能够使复合材料10如本文所述起作用的其他形式整体CNT层12。
[0017] 在该示例性实施方式中，金属膜14施加在CNT层的面16和18上并且渗透进入单 个CNT之间的空隙。在该示例性实施方式中，用于形成金属膜14的金属量足以在大量的 CNT之间促进低电阻互连。在该示例性实施方式中，金属膜14是渗透进入整体CNT层12并 且覆盖大部分CNT的铝薄膜。可选地，金属膜14可以是任何导电金属或金属的结合，其使 整体CNT和金属复合材料10能够如本文所述起作用。在该示例性实施方式中，金属膜14 通过化学气相沉积和/或化学镀膜法直接施加在CNT层12上。因此，在该示例性实施方式 中，所述方法促进在整体CNT层的空隙内沉积金属。可选地，金属膜14可通过派射和/或 物理气相沉积方法施加。然而，可以使用任何其他使整体CNT和金属复合材料10能够如本 文所述起作用的金属沉积方法。
[0018] 在该示例性实施方式中，多个整体CNT和金属复合材料10通过焊接方法连接到一 起，该方法形成整体CNT和金属复合材料带20。在该示例性实施方式中，以及如图2所示， 三个CNT和金属复合材料10沿着它们的面16和/或18连接在一起。此外，CNT和金属复 合材料10可以以端对端的方位结合（未显不）。而且，任何数量的CNT和金属复合材料10 可连接在一起以形成具有任何期望长度、宽度和/或厚度的整体CNT和金属复合材料带20。 在该示例性实施方式中，CNT和金属复合材料10是通过超声波焊接方法结合在一起的。可 选地，CNT和金属复合材料10通过超声波增材制造（UAM)方