碳納米管結構的制作方法

專利名稱：碳納米管結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種碳納米管結構。
背景技術：
碳納米管是一種由石墨烯片卷成的中空管狀物。碳納米管具有優異的力學、熱學 及電學性質，其應用領域非常廣闊。例如，碳納米管可用于制作場效應晶體管、原子力顯微 鏡針尖、場發射電子槍、納米模板等。上述技術中碳納米管的應用主要是碳納米管在微觀尺 度上的應用，操作較困難。因此，使碳納米管具有宏觀尺度的結構并在宏觀上應用具有重要
眉、ο為克服上述問題，范守善等人在2008年8月12日公開的第CN101239712號專利 申請揭示了一種包括多個碳納米管且具有宏觀尺度的碳納米管薄膜的制備方法。所述碳納 米管薄膜包括多個碳納米管通過范德華力首尾相連，從而形成一由碳納米管組成的自支撐 結構在宏觀上得以應用。然而，由所述制備方法所制備的碳納米管薄膜中的碳納米管之間的結合力較弱， 因此，所述碳納米管薄膜的機械性能還需進一步提高。

發明內容
有鑒于此，有必要提供一種具有良好機械性能的碳納米管結構。一種碳納米管結構，其包括多個碳納米管相互連接。彼此相鄰的碳納米管之間具 有碳碳鍵。—種碳納米管結構，包括多個碳納米管條緊密結合。所述碳納米管條包括多個碳 納米管首尾相連，所述首尾相連的碳納米管之間具有碳碳鍵。與現有技術相比較，所述碳納米管結構中的多個碳納米管之間具有多個碳碳鍵， 從而增加了該多個碳納米管之間的結合力，使該碳納米管結構具有優異的機械性能。


圖1為一碳納米管絮化膜的掃描電鏡照片。圖2為一碳納米管碾壓膜的掃描電鏡照片。圖3為一碳納米管拉膜的掃描電鏡照片。圖4為一碳納米管交叉膜的掃描電鏡照片。圖5為一非扭轉的碳納米管線的掃描電鏡照片。圖6為一扭轉的碳納米管線的掃描電鏡照片。圖7為用本發明第一實施例提供的碳納米管結構的制備方法及用圖6中的扭轉的 碳納米管線為原料所制備的碳納米管線的掃描電鏡照片。圖8為圖6中的扭轉的碳納米管線與圖7中的碳納米管線的拉曼光譜對比圖。圖9為圖6中的扭轉的碳納米管線與圖7中的碳納米管線的測力曲線對比圖。
具體實施例方式本發明提供的碳納米管結構的制備方法，主要是在碳納米管預制結構中的相連的 碳納米管之間產生碳碳鍵，致力于提高其結合力。當然，并不是碳納米管預制結構中的所有 相連之碳納米管之間都產生碳碳鍵，而是至少部分相連之碳納米管之間會產生碳碳鍵。由 于碳碳鍵的鍵能大、牢固，因此只要至少部分碳納米管之間產生碳碳鍵也會提高該結構的 強度。下面將提供具體實施方式
來展開說明本發明如何將碳納米管預制結構中的相連的碳 納米管之間產生碳碳鍵。本發明提供的碳納米管結構的制備方法，其包括如下步驟S10，提供一碳納米管預制結構，所述碳納米管預制結構包括多個碳納米管通過范 德華力相連；S20，將所述碳納米管預制結構在低氧環境中進行熱處理，使至少部分相連之碳納 米管之間形成碳碳鍵。在步驟SlO中，所述碳納米管預制結構為由多個碳納米管構成的膜狀結構、線狀 結構或者其它形狀的結構。所述碳納米管預制結構可以是形成在一個基底上的碳納米管結 構，比如通過沉積、濺射或者過濾等方式形成在基底(耐高溫)上的碳納米管膜或者碳納米 管線等，只要存在距離達到0. 2納米到9納米之間的碳納米管，即可稱為相連的碳納米管。 所述碳納米管預制結構也可以是一碳納米管自支撐結構，所謂“自支撐”即該碳納米管預制 結構無需通過設置于一基體表面，即邊緣或者相對端部提供支撐而其未得到支撐的其他部 分能保持自身特定的形狀。由于該自支撐的碳納米管預制結構中大量的碳納米管通過范德 華力相互吸引，從而使該碳納米管預制結構具有特定的形狀，形成一自支撐結構。通常，所 述自支撐的碳納米管預制結構中距離在0. 2納米到9納米之間的碳納米管的數量較多，這 部分碳納米管之間具有較大的范德華力，從而使得所述碳納米管預制結構僅通過范德華力 即可形成自支撐結構。所述碳納米管預制結構可包括至少一碳納米管預制膜，當所述碳納米管預制結構 包括多個碳納米管預制膜時，該多個碳納米管預制膜設置，相鄰的碳納米管膜之間通過范 德華力相結合。請參閱圖1，所述碳納米管結構預制膜可為一碳納米管絮化膜，該碳納米管絮化膜 為將一碳納米管原料，如一超順排陣列，絮化處理獲得的一自支撐的碳納米管結構預制膜。 該碳納米管絮化膜包括相互纏繞且均勻分布的碳納米管。碳納米管的長度大于10微米，優 選為200微米到900微米，從而使碳納米管相互纏繞在一起。所述碳納米管之間通過范德 華力相互吸引、分布，形成網絡狀結構。由于該自支撐的碳納米管絮化膜中大量的碳納米管 通過范德華力相互吸引并相互纏繞，從而使該碳納米管絮化膜具有特定的形狀，形成一自 支撐結構。所述碳納米管絮化膜各向同性。所述碳納米管絮化膜中的碳納米管為均勻分布， 無規則排列，形成大量尺寸在1納米到500納米之間的間隙或微孔。所述碳納米管絮化膜 的面積及厚度均不限，厚度大致在0. 5納米到100微米之間。所述碳納米管結構預制膜可為一碳納米管碾壓膜，該碳納米管碾壓膜為通過碾壓 一碳納米管陣列獲得的一種具有自支撐性的碳納米管結構預制膜。該碳納米管碾壓膜包括 均勻分布的碳納米管，碳納米管沿同一方向或不同方向擇優取向排列。所述碳納米管碾壓
4膜中的碳納米管相互部分交疊，并通過范德華力相互吸引，緊密結合，使得該碳納米管結構 預制膜具有很好的柔韌性，可以彎曲折疊成任意形狀而不破裂。且由于碳納米管碾壓膜中 的碳納米管之間通過范德華力相互吸引，緊密結合，使碳納米管碾壓膜為一自支撐的結構。 所述碳納米管碾壓膜中的碳納米管與形成碳納米管陣列的生長基底的表面形成一夾角β， 其中，β大于等于0度且小于等于15度，該夾角β與施加在碳納米管陣列上的壓力有關， 壓力越大，該夾角越小，優選地，該碳納米管碾壓膜中的碳納米管平行于該生長基底排列。 該碳納米管碾壓膜為通過碾壓一碳納米管陣列獲得，依據碾壓的方式不同，該碳納米管碾 壓膜中的碳納米管具有不同的排列形式。具體地，碳納米管可以無序排列；請參閱圖2，當 沿不同方向碾壓時，碳納米管沿不同方向擇優取向排列；當沿同一方向碾壓時，碳納米管沿 一固定方向擇優取向排列。該碳納米管碾壓膜中碳納米管的長度大于50微米。該碳納米管碾壓膜的面積與碳納米管陣列的尺寸基本相同。該碳納米管碾壓膜厚 度與碳納米管陣列的高度以及碾壓的壓力有關，可為0. 5納米到100微米之間。可以理解， 碳納米管陣列的高度越大而施加的壓力越小，則制備的碳納米管碾壓膜的厚度越大；反之， 碳納米管陣列的高度越小而施加的壓力越大，則制備的碳納米管碾壓膜的厚度越小。所述 碳納米管碾壓膜之中的相鄰的碳納米管之間具有一定間隙，從而在碳納米管碾壓膜中形成 多個尺寸在1納米到500納米之間的間隙或微孔。所述碳納米管結構預制膜可為一碳納米管拉膜。請參見圖3，所述形成的碳納米管 拉膜是由若干碳納米管組成的自支撐結構。所述若干碳納米管為沿該碳納米管拉膜的長度 方向擇優取向排列。所述擇優取向是指在碳納米管拉膜中大多數碳納米管的整體延伸方向 基本朝同一方向。而且，所述大多數碳納米管的整體延伸方向基本平行于碳納米管拉膜的 表面。進一步地，所述碳納米管拉膜中多數碳納米管是通過范德華力首尾相連。具體地，所 述碳納米管拉膜中基本朝同一方向延伸的大多數碳納米管中每一碳納米管與在延伸方向 上相鄰的碳納米管通過范德華力首尾相連。當然，所述碳納米管拉膜中存在少數偏離該延 伸方向的碳納米管，這些碳納米管不會對碳納米管拉膜中大多數碳納米管的整體取向排列 構成明顯影響。所述自支撐為碳納米管拉膜不需要大面積的載體支撐，而只要相對兩邊提 供支撐力即能整體上懸空而保持自身膜狀狀態，即將該碳納米管拉膜置于(或固定于)間 隔一定距離設置的兩個支撐體上時，位于兩個支撐體之間的碳納米管拉膜能夠懸空保持自 身膜狀狀態。所述自支撐主要通過碳納米管拉膜中存在連續的通過范德華力首尾相連延伸 排列的碳納米管而實現。具體地，所述碳納米管拉膜中基本朝同一方向延伸的多數碳納米 管，并非絕對的直線狀，可以適當的彎曲；或者并非完全按照延伸方向上排列，可以適當的 偏離延伸方向。因此，不能排除碳納米管拉膜的基本朝同一方向延伸的多數碳納米管中并 列的碳納米管之間可能存在部分接觸。具體地，該碳納米管拉膜包括多個連續且定向排列的碳納米管片段。該多個碳納 米管片段通過范德華力首尾相連。每一碳納米管片段由多個相互平行的碳納米管組成。該 碳納米管片段具有任意的長度、厚度、均勻性及形狀。該碳納米管拉膜具有較好的透光性， 可見光透過率可以達到75%以上。當所述碳納米管預制結構包括多層碳納米管拉膜時，相鄰兩層碳納米管拉膜中 的擇優取向排列的碳納米管之間形成一交叉角度α，α大于等于0度小于等于90度 (0° ≤ α ≤90° )。請參閱圖4，優選地，為提高所述碳納米管預制膜的強度，所述交叉角度α大致為90度，即相鄰兩層碳納米管拉膜中的碳納米管的排列方向基本垂直，形成一交 叉膜。所述多個碳納米管拉膜之間或一個碳納米管拉膜之中的相鄰的碳納米管之間具有一 定間隙，從而在碳納米管預制結構中形成多個均勻分布，無規則排列，尺寸在1納米到500 納米之間的間隙或微孔。當所述碳納米管預制膜為所述碳納米管拉膜時，為了一體化制備所述碳納米管預 制膜及對碳納米管預制膜進行熱處理得到碳納米管膜。所述碳納米管預制膜的制備方法可 包括如下步驟S110，提供一基底及一形成在該基底上的碳納米管陣列；S120，將所述碳納米管陣列連同基底放置于一氣壓小于5*10_2帕的真空環境中； 以及S130,從所述碳納米管陣列拉取所述碳納米管預制膜。在步驟SllO中，所述碳納米管陣列為一超順排碳納米管陣列，該超順排碳納米管 陣列的制備方法采用化學氣相沉積法、激光誘導氣相沉積法或者其他方法。在本實施例中， 該超順排碳納米管陣列的制備方法采用化學氣相沉積法，其具體步驟包括提供一平整基 底，該基底可選用P型或N型硅基底，或選用形成有氧化層的硅基底，本實施例優選為采用4 英寸的硅基底；在基底表面均勻形成一催化劑層，該催化劑層材料可選用鐵(Fe)、鈷(Co)、 鎳(Ni)或其任意組合的合金之一；將上述形成有催化劑層的基底在300攝氏度 900攝氏 度(如700攝氏度)的空氣中退火約30分鐘 90分鐘；將處理過的基底置于反應爐中，在 保護氣體環境下加熱到500攝氏度 900攝氏度(如740攝氏度)，然后通入碳源氣體反 應約5 30分鐘，生長得到超順排碳納米管陣列。該超順排碳納米管陣列為多個彼此平行 且垂直于基底生長的碳納米管形成的純碳納米管陣列，其高度為2微米 10毫米，優選為 100微米 900微米。通過上述控制生長條件，該超順排碳納米管陣列中基本不含有雜質， 如無定型碳或殘留的催化劑金屬顆粒等。該碳納米管陣列中的碳納米管彼此通過范德華力 緊密接觸形成陣列。本實施例中碳源氣可選用乙炔等化學性質較活潑的碳氫化合物，保護 氣體可選用氮氣、氨氣或惰性氣體。可以理解，所述碳納米管陣列的生長方法不限于上述具 體方法，通過調整化學氣相沉積方法的具體條件得到的其他方法，只要能夠生長出適于從 中拉取碳納米管預制膜的碳納米管陣列即可。步驟S130中，所述從碳納米管陣列拉取一碳納米管預制膜的步驟進一步包括S131，提供一粘性基條，使該粘性基條接觸所述碳納米管陣列；以及S132，沿遠離所述碳納米管陣列的方向移動所述粘性基條，使碳納米管首尾相連 地從碳納米管陣列中連續地被拉出，從而獲得所述碳納米管預制膜。在步驟S131中，該粘性基條通過卡扣、吸附等方式安裝在一拉膜裝置上。該拉膜 裝置由計算機實現自動控制，使粘性基條移動。該粘性基條至少一表面具有粘膠，該粘性基 條具粘膠的表面接觸所述碳納米管陣列時能夠粘結部分碳納米管，從而選定了由該多個碳 納米管組成的一碳納米管片段。該粘性基條具有一長度，優選地，該粘性基條的長度與使用 該粘性基條拉取得到的碳納米管預制膜的寬度基本相等。在步驟S132中，所述碳納米管預制膜為所述碳納米管拉膜。當沿遠離所述碳納米 管陣列的方向移動所述粘性基條時，從而以一定速度拉取該選定的碳納米管片段，從而首 尾相連的拉出連續的多個碳納米管片段，進而形成一連續的碳納米管預制膜。通過所述拉膜裝置，以一定的速度和拉伸角度移動所述粘性基條，在粘性基條沿遠離所述碳納米管陣 列的方向移動的過程中，所述選定的碳納米管片段從碳納米管陣列中被拉出。當該選定的 碳納米管片段在拉力作用下沿拉伸方向逐漸脫離基底的同時，由于范德華力作用，在碳納 米管陣列中與該選定的碳納米管片段相鄰的其它碳納米管片段首尾相連地相繼地被拉出， 從而形成一連續、均勻的碳納米管預制膜。當所述碳納米管預制膜自所述碳納米管陣列拉取出來時，該碳納米管預制膜的拉 伸方向與所述碳納米管陣列的生長方向之間的夾角為30度 90度，該生長方向為碳納米 管陣列中的大多數碳納米管的軸向延伸方向，即垂直于所述基底表面的方法。即，該拉伸方 向與所述基底表面的夾角應該控制在0度 60度之間，以進一步提高所述碳納米管預制 膜的均勻性。在本實施例，所述拉伸方向與所述碳納米管陣列的生長方向之間的夾角為85 度。所述碳納米管預制膜從所述碳納米管陣列拉出時，該拉膜裝置及碳納米管預制膜 與所述真空環境內的氣體相對運動，產生氣流擾動，當該氣流擾動的強度大于所述碳納米 管預制膜的承受強度時，所述碳納米管預制膜產生黑線甚至破損。所述氣流擾動的強度與 所述真空環境內的氣體密度及碳納米管預制膜的拉伸速度相關。具體地，隨著該真空環境 內的氣體密度的下降(即氣壓的降低)，該碳納米管預制膜以一定速度移動時，該氣流擾動 對該碳納米管預制膜的作用力將隨之減少，該碳納米管預制膜所受到的氣流擾動的強度越 小，所述碳納米管預制膜受氣流擾動而破損的幾率就越大。在該真空環境氣壓固定的情況 下，所述碳納米管預制膜被拉出的速度越快，受到的氣流擾動越大，該碳納米管預制膜受氣 流擾動而破損的幾率就越小。因此，在所述真空環境內的氣壓較大時，用較快的拉伸速度， 如0. 1米每秒的拉伸速度，拉伸所述碳納米管預制膜時，所述碳納米管預制膜容易受到破 壞。而，在本實施例中，由于所述真空環境中的氣壓小于5*10_2帕，將所述碳納米管陣列該 真空環境中制備碳納米管預制膜，能夠用較快的拉伸速度，如0. 1米每秒的拉伸速度，拉伸 出質量較好的碳納米管預制膜，即在所述真空環境下制備碳納米管預制膜能夠提高所述碳 納米管預制膜的質量。進一步地，當所述真空環境內的氣壓小于5*10_5帕時，所述拉伸速度 可大于等于10米每秒，即降低所述真空環境的氣壓能夠提高所述碳納米管預制膜的拉伸 速度，使所述碳納米管預制膜更快地被拉伸出來，且不會因氣流擾動而破壞。由于所述碳納米管預制膜的拉取過程在氣壓小于5*10_2帕的真空環境進行，該真 空環境內的氣體密度較小，在保證所述碳納米管預制膜的質量的同時，該碳納米管預制膜 能夠以較快的速度移動，從而使得所述碳納米管預制膜能夠以較快的速度被拉出，提高了 該碳納米管預制膜的制備速度與效率。進一步地，由于該真空環境的氣體密度較小，其浮力 較小，灰塵等雜質容易沉淀，即該真空環境容易保持較高的潔凈度。所述碳納米管預制結構可包括至少一碳納米管預制線。當所述碳納米管預制結構 包括多個碳納米管預制線時，所述多個碳納米管預制線可相互平行、纏繞或編織設置。所述碳納米管預制線可為將一碳納米管拉膜經過處理形成的線狀結構，所述碳納 米管拉膜的處理方法包括用揮發性有機溶劑浸潤處理或機械扭轉處理。所述揮發性有機 溶劑浸潤處理可通過試管將有機溶劑滴落在碳納米管拉膜表面浸潤整個碳納米管拉膜，或 者，也可將上述形成有碳納米管拉膜的固定框架整個浸入盛有有機溶劑的容器中浸潤。該 揮發性有機溶劑為乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本實施例中采用乙醇。所述有機溶劑在揮發時產生的張力使所述碳納米管拉膜收縮形成所述碳納米管預制線。請參閱圖5，通過 揮發性有機溶劑浸潤處理所得到的碳納米管預制線為一非扭轉的碳納米管線，該非扭轉的 碳納米管線包括多個沿碳納米管線長度方向排列的碳納米管。具體地，該非扭轉的碳納米 管線包括多個碳納米管通過范德華力首尾相連且沿碳納米管線軸向擇優取向排列。所述機 械扭轉處理可通過采用一機械力將所述碳納米管拉膜兩端沿相反方向扭轉。請參閱圖6，通 過機械扭轉處理而得到的碳納米管預制線為一扭轉的碳納米管線，該扭轉的碳納米管線包 括多個繞碳納米管線軸向螺旋排列的碳納米管。具體地，該扭轉的碳納米管線包括多個碳 納米管通過范德華力首尾相連且沿碳納米管線軸向呈螺旋狀延伸。可以理解，也可以對獲 得的碳納米管拉膜同時或者依次進行有機溶劑揮發性有機溶劑浸潤處理或機械扭轉處理 來獲得扭轉的碳納米管線。在步驟S20中，所述低氧環境中的氧氣分壓小于1*10_2帕，從而使得所述碳納米 管在高溫環境中盡量少地被氧化。優選地，所述低氧環境的氧氣分壓小于1*10_5帕，此時， 所述碳納米管在高溫環境中基本不被氧化。為使所述低氧環境中的氧氣的分壓小于1*10_2 帕，該低氧環境中可充滿惰性氣體或直接抽真空降低該低氧環境中的氣壓。在本實施例中， 為節約成本及操作便利，采取直接抽真空的方法，使該低氧環境中的大氣氣壓小于5*10_2 帕，優選地，所述低氧環境中的大氣氣壓小于5*10_5帕。所述熱處理的溫度大于1500攝氏度，優選地，所述熱處理的溫度大于2000攝氏度 以形成更多的碳碳鍵。所述熱處理的方式不限，可通過放置于一真空加熱爐中直接進行加 熱，也可以通過激光照射的方式進行加熱。在本實施例中，所述熱處理為通過用激光照射所 述碳納米管結構而完成。具體地，所述激光的照射功率在10兆瓦到30兆瓦之間，掃描頻率 在5毫米每秒到300毫米每秒之間。通過激光照射的方式進行熱處理，可以在碳納米管預 制結構的選定區域或者部分區域進行加熱并形成碳碳鍵。可以理解，當所述低氧環境通過降低氣壓(趨于真空)的方式而得到時，且所述碳 納米管預制結構為碳納米管拉膜或線時，在本實施方式中的碳納米管結構的制備方法中， 所述碳納米管預制膜或線的制備及熱處理可在同一真空工作環境中進行，從而實現連續作 業。此時，所述熱處理的的方式優選為激光照射，且用激光照射的方式進行熱處理操作起來 較為方便，成本低。在熱處理過程中，所述碳納米管中的碳原子將進行晶格重排，尤其是碳納米管中 由碳原子形成的五圓環、七圓環等不穩定結構容易在高溫環境下進行晶格重排過程中形成 穩定的六圓環。該碳納米管中由碳原子形成的五圓環、七圓環等不穩定結構是碳納米管在 生長時所產生的缺陷，如通過MOCVD法生長碳納米管時，必然會具有上述缺陷，這些缺陷將 降低碳納米管的機械性能。而經過熱處理后，所述碳納米管中的缺陷將變少，石墨化程度較 好，提高所述碳納米管結構的機械性能。進一步地，在熱處理時，相鄰的碳納米管之間容易 在晶格重組時形成碳碳鍵，尤其是相鄰的碳納米管之間的距離小于1納米時產生碳碳鍵的 概率更大。可以理解，由于相鄰的碳納米管之間通過碳碳鍵結合形成的結合力將大于相鄰 的碳納米管之間通過范德華力結合形成的結合力，因此，所述碳納米管結構的機械性能優 于所述碳納米管預制結構的機械性能。本發明提供的碳納米管結構可包括由上述碳納米管結構的制備方法對一碳納米 管預制結構在低氧環境下進行熱處理而得到的產品。
所述碳納米管結構包括多個碳納米管相互連接，所述多個碳納米管之間具有碳碳 鍵。即，所述多個碳納米管中，至少有部分碳納米管通過碳碳鍵連接，而未通過碳碳鍵結合 的碳納米管之間可通過范德華力相連。優選地，所述多個碳納米管均可通過碳碳鍵連接。 所述碳碳鍵的碳原子分別來自相鄰的兩個碳納米管，即相當于所述多個碳納米管具有多個 “焊點”使相鄰的碳納米管結合成一整體的物質結構，所述焊點即為所述碳碳鍵。所述碳碳 鍵在所述碳納米管的位置不限，可以在所述碳納米管的管壁，也可以在所述碳納米管的端 部。所述碳碳鍵為共價鍵，包括Sp2及Sp3鍵。由于碳碳鍵的鍵長限制，具有碳碳鍵的相鄰 的碳納米管之間的距離小于1納米，而此時，具有碳碳鍵的相鄰的碳納米管之間同時還具 有較強的范德華力，因此，相鄰的碳納米管之間具有碳碳鍵時的結合力較大。所述碳納米管結構可包括至少一碳納米管膜，所述碳納米管膜可通過上述熱處理 一碳納米管預制膜而得到。當所述碳納米管結構包括多個碳納米管膜時，所述多個碳納米 管膜相互層疊設置，相鄰的碳納米管膜之間具有多個碳碳鍵，從而使得所述相鄰的碳納米 管膜通過之間即可通過范德華力及碳碳鍵結合。所述碳納米管膜可包括相互纏繞且均勻分布的多個碳納米管，相互纏繞的多個碳 納米管之間具有碳碳鍵，從而使得所述碳納米管膜中的碳納米管之間通過范德華力及碳碳 鍵相互結合、分布，形成網絡狀結構。所述碳納米管膜可各向同性，即所述碳納米管絮化膜 中的碳納米管為均勻分布，無規則排列。所述碳納米管膜可通過上述制備方法熱處理所述 碳納米管絮化膜而得到。所述碳納米管膜可包括多個均勻分布且沿同一方向或多個不同方向擇優取向排 列的碳納米管。所述碳納米管的多個碳納米管可基本平行于該碳納米管膜的一表面。所述 碳納米管膜中的碳納米管相互部分交疊，所述相互部分交疊的碳納米管之間具有碳碳鍵， 而未具有碳碳鍵的相互部分交疊的碳納米管則通過范德華力相互吸引，從而使得所述碳納 米管膜中的碳納米管之間通過范德華力及碳碳鍵相互結合。所述碳納米管膜可通過上述制 備方法熱處理所述碳納米管碾壓膜而得到。所述碳納米管膜可包括多個均勻分布且沿同一方向擇優取向排列的碳納米管，所 述擇優取向是指在碳納米管膜中大多數碳納米管的整體延伸方向基本朝同一方向。而且， 所述大多數碳納米管的整體延伸方向基本平行于碳納米管膜的表面。進一步地，所述碳納 米管膜中多數碳納米管是通過碳碳鍵首尾相連。具體地，所述碳納米管膜中基本朝同一方 向延伸的大多數碳納米管中每一碳納米管與在延伸方向上相鄰的碳納米管通過碳碳鍵首 尾相連。由于通過碳碳鍵首尾相連的碳納米管能夠形成一個整體的物質結構，因此，所述碳 納米管膜也可以描述為包括多個彼此平行的碳納米管條，每一碳納米管條均包括多個碳納 米管通過碳碳鍵首尾相連，而相鄰的碳納米管條基本通過范德華力連接。當然，也不排除少 量碳納米管條之間具有碳碳鍵，也不排除碳納米管條中少量的碳納米管之間依然通過范德 華力首尾相連，但這并不影響本發明的效果及性能。所述碳納米管膜可通過上述制備方法 熱處理所述碳納米管拉膜而得到。所述碳納米管結構可包括至少一碳納米管線，當所述碳納米管結構包括多個碳納 米管線時，所述多個碳納米管線相互平行、纏繞或編織設置，多個碳納米管線之間具有碳碳 鍵，從而使得所述多個碳納米管線能夠通過范德華力及碳碳鍵結合。所述碳納米管線可包括多個碳納米管通過所述碳碳鍵首尾相連且沿碳納米管線
9軸向呈螺旋狀延伸。由于通過碳碳鍵首尾相連的碳納米管能夠形成一個整體的物質結構， 因此，所述碳納米管線也可以描述為包括多個沿碳納米管線軸向呈螺旋狀延伸的碳納米管 條，每一碳納米管條均包括多個碳納米管通過碳碳鍵首尾相連，而并列的相鄰的碳納米管 條基本通過范德華力連接。所述碳納米管線可通過上述制備方法熱處理一扭轉的碳納米管 線而得到。所述碳納米管線可包括多個碳納米管通過所述碳碳鍵首尾相連且沿碳納米管線 軸向擇優取向排列。由于通過碳碳鍵首尾相連的碳納米管能夠形成一個整體的物質結構， 因此，所述碳納米管線也可以描述為包括多個沿碳納米管線軸向擇優取向排列的碳納米管 條，每一碳納米管條均包括多個碳納米管通過碳碳鍵首尾相連，而并列的相鄰的碳納米管 條基本通過范德華力連接。所述碳納米管線可通過上述制備方法熱處理一非扭轉的碳納米 管線而得到。為了更清楚地說明本發明的碳納米管結構的制備方法及由該制備方法制備的碳 納米管結構，下面以具體實施例予以說明。對于碳納米管預制膜、線或者其他形狀的結構而 言，其處理的方法較為相近，因此本具體實施例以碳納米管預制線中的扭轉的碳納米管線 為例進行說明。選擇圖6所示的扭轉的碳納米管線放置于一真空環境中，所述真空環境中的氣壓 小于等于5*10_5帕。通過一激光對所述扭轉的碳納米管線進行激光掃描處理，所述激光的 掃描功率大致為30瓦，所述激光的掃描頻率大致為50毫米每秒。請參閱圖7，為熱處理后得到的碳納米管線，對比圖6與圖7，發現碳納米管結構與 碳納米管預制結構通過掃描電鏡照片看，在外觀上的區別并不大。請參閱圖8，分別獲取圖 6中的扭轉的碳納米管線及圖7中的碳納米管線的拉曼光譜并進行對比形成一拉曼光譜對 比圖。從圖中可以看出，經過熱處理后，所述碳納米管線的G峰相較扭轉的碳納米管線明顯 變強，D峰相較非扭轉碳納米管線明顯減弱。證明經過熱處理后，碳納米管線中的碳納米管 的缺陷相較于扭轉的碳納米管線變少，石墨化程度較好。進一步地，請參見圖9，為所述碳納 米管線與扭轉的碳納米管線沿延伸方向所得到的測力曲線對比圖。從圖中可以看出，經過 熱處理后，所述碳納米管線的拉伸強度較所述扭轉的碳納米管線提高約20%，楊氏模量提 高約50%。這是由于所述扭轉的碳納米管線中相鄰的碳納米管之間的距離大多在0. 2納米 在9納米之間，而碳碳鍵如Sp2，Sp3鍵的鍵長大致在1. 4埃左右。因此，在熱處理時，相鄰的 碳納米管之間容易在晶格重組時形成碳碳鍵，尤其是相鄰的碳納米管之間的距離小于1納 米時產生碳碳鍵的概率更大。可以理解，由于相鄰的碳納米管之間通過碳碳鍵結合形成的 結合力將大于相鄰的碳納米管之間通過范德華力結合形成的結合力，因此，所述碳納米管 線的機械性能優于所述扭轉的碳納米管線的機械性能。另外，本領域技術人員還可在本發明精神內做其他變化，當然，這些依據本發明精 神所做的變化，都應包含在本發明所要求保護的范圍之內。
權利要求
一種碳納米管結構，其包括多個碳納米管相互連接，其特征在于，彼此相鄰的碳納米管之間具有碳碳鍵。
2.如權利要求1所述的碳納米管結構，其特征在于，所述碳碳鍵的碳原子分別來自相 鄰的兩個碳納米管。
3.如權利要求1所述的碳納米管結構，其特征在于，所述相鄰的碳納米管之間通過碳 碳鍵及范德華力結合。
4.如權利要求1所述的碳納米管結構，其特征在于，所述碳納米管結構包括至少一碳 納米管膜及至少一碳納米管線中的一種或組合。
5.如權利要求4所述的碳納米管結構，其特征在于，所述碳納米管膜各向同性，該碳納 米管膜中的多個碳納米管相互纏繞，相互纏繞的碳納米管之間具有所述碳碳鍵。
6.如權利要求4所述的碳納米管結構，其特征在于，所述碳納米管膜中的多個碳納米 管基本平行于該碳納米管膜結構的一表面。
7.如權利要求4所述的碳納米管結構，其特征在于，所述碳納米管膜中的多個碳納米 管沿同一方向或不同方向擇優取向排列，且所述多個碳納米管相互部分交疊，所述相互部 分交疊的碳納米管之間具有碳碳鍵。
8.如權利要求4所述的碳納米管結構，其特征在于，所述碳納米管膜中的多個碳納米 管首尾相連基本沿一個方向排列，所述首尾相連的碳納米管之間具有碳碳鍵。
9.如權利要求4所述的碳納米管結構，其特征在于，所述碳納米管結構包括多個相互 層疊設置的碳納米管膜，相鄰之間的碳納米管膜之間具有碳碳鍵。
10.如權利要求4所述的碳納米管結構，其特征在于，所述碳納米管線包括多個碳納 米管首尾相連且沿碳納米管線軸向呈螺旋狀延伸，所述首尾相連的碳納米管之間具有碳碳 鍵。
11.如權利要求4所述的碳納米管結構，其特征在于，所述碳納米管線包括多個碳納 米管首尾相連且沿碳納米管線軸向擇優取向排列，所述首尾相連的碳納米管之間具有碳碳 鍵。
12.如權利要求4所述的碳納米管結構，其特征在于，所述碳納米管結構包括多個碳納 米管線相互平行、纏繞或編織設置，多個碳納米管線之間具有碳碳鍵。
13.—種碳納米管結構，其特征在于，所述碳納米管結構包括多個碳納米管條緊密結 合，所述碳納米管條包括多個碳納米管首尾相連，所述首尾相連的碳納米管之間具有碳碳 鍵。
14.如權利要求13所述的碳納米管結構，其特征在于，所述多個碳納米管條之間具有 碳碳鍵。
15.如權利要求13所述的碳納米管結構，其特征在于，所述多個碳納米管條通過范德 華力結合。
16.如權利要求13所述的碳納米管結構，其特征在于，每一碳納米管條中的相鄰的碳 納米管之間均通過碳碳鍵連接。
全文摘要
本發明涉及一種碳納米管結構，其包括多個碳納米管相互連接。彼此相鄰的碳納米管之間具有碳碳鍵。
文檔編號B82B3/00GK101880035SQ201010212030
公開日2010年11月10日 申請日期2010年6月29日 優先權日2010年6月29日
發明者劉鍇, 姜開利, 孫穎慧, 范守善 申請人:清華大學;鴻富錦精密工業(深圳)有限公司