一种碳纳米管薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术属于纳米材料制备相关技术领域，其公开了一种碳纳米管薄膜及其制备方法，所述碳纳米管薄膜的制备方法包括以下步骤：首先，提供非阵列碳纳米管材料；接着，对该非阵列碳纳米管材料进行机械牵伸处理以得到具有纳米凹槽结构的碳纳米管薄膜。所述碳纳米管薄膜是采用如上所述的碳纳米管薄膜的制备方法制备成的，其体积密度为520mg/cm

A Carbon Nanotube Film and Its Preparation Method

【技术实现步骤摘要】
一种碳纳米管薄膜及其制备方法
本专利技术属于纳米材料制备相关
，更具体地，涉及一种碳纳米管薄膜及其制备方法。
技术介绍
在纳米材料领域，碳纳米管薄膜由于其优异的电学(电导率高达106S/m)、热学(热导率高达3000W/m·K)和力学性能在锂离子电池、超级电容器、电力和热力制动器、柔性显示器、拉伸应变传感器、能量回收等领域具有广泛应用。目前，碳纳米管薄膜的制备方法主要有干法拉膜法、电泳沉积法、喷涂法、旋涂法和真空抽滤法，其中干法拉膜法是基于超阵列碳纳米管材料，利用管端部的交缠结构实现碳纳米管拉丝，制备出具有高取向度(轴向)的透明碳纳米管薄膜，其具有超薄的厚度(单层约为50nm)，但其在水性溶液中由于溶液表面张力的作用碳纳米管间不能保持结构自持，电泳沉积法制备碳纳米管薄膜是在直流高压电场的作用下，驱动分散液中的碳纳米管做定向移动，沉积在一侧电极，制备碳纳米管薄膜，该薄膜在溶剂挥发后，结构致密。然而，薄膜中碳纳米管的取向不易控制，且取向度可调范围较小；喷涂法和旋涂法分别利用高压喷雾装置和旋涂仪等制备碳纳米管薄膜，制备的薄膜电导热导各向异性，轴向取向不易控制；真空抽滤法通过大气压差促使碳纳米管间进行无序堆垛成膜，薄膜完全无序，致密度较大。碳纳米管薄膜具有优异的压力-诱导电容特性，然而其必须在溶液环境中保持结构稳定，同时具有良好的电容性能。此外，碳纳米管薄膜中的碳纳米管的轴向排布能够加快电子的定向传导，提供连续有序的传输路径，有利于电子/离子的迁入和迁出。因此，薄膜在溶液中结构保持稳定、轴向定向排布，是具有良好的压力-诱导电容特性的关键。而前述方法中，干法拉膜法制备的碳纳米管薄膜有序度高，电容特性好，但在水性溶液中无法保持结构稳定，需要外力夹持固定；电泳沉积法、喷涂法和旋涂法、以及真空抽滤法制备的碳纳米管薄膜通常轴向取向度低，材料结构往往致密，致使碳纳米管薄膜在电解液中吸附的平衡电荷量少。相应地，本领域存在着发展一种电容性能较好的碳纳米管薄膜及其制备方法的技术需求。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种碳纳米管薄膜及其制备方法，其基于现有碳纳米管薄膜的制备特点，研究及设计了一种电容性能较好的碳纳米管薄膜及其制备方法。所述碳纳米管薄膜是通过对非阵列碳纳米管材料进行机械牵伸处理所制备出来的表面具有纳米凹槽结构的碳纳米管薄膜，其体积密度为520mg/cm3，面积密度为4.1mg/cm2，碳纳米管间聚集程度小，轴向阵列度为0.68(Herman’sOrientationFactor，HOF)，且碳纳米管薄膜在各种水性电解液中不发生尺寸变化，力学拉伸强度不发生降级，高达700kPa，在外加单轴压力的作用下能够产生较大的电容变化，电容性能较好，适用于传感领域。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种碳纳米管薄膜的制备方法，制备方法包括以下步骤：首先，提供非阵列碳纳米管材料；接着，对该非阵列碳纳米管材料进行机械牵伸处理以得到具有纳米凹槽结构的碳纳米管薄膜。进一步地，利用离子反应刻蚀法和水助化学气相沉积法在硅片上生长非阵列碳纳米管材料，并将非阵列碳纳米管材料自所述硅片上剥离以备使用。进一步地，所述非阵列碳纳米管材料是在750℃下生长成的，C2H4流量为100sccm，生长时间为20min。进一步地，离子反应刻蚀采用的功率为18W，气源为Ar。进一步地，所述非阵列碳纳米管材料包括3壁碳纳米管，其碳纳米管长度大于800μm，密度为9.7mg/cm3。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种碳纳米管薄膜，该碳纳米管薄膜，所述碳纳米管薄膜是采用如上所述的碳纳米管薄膜的制备方法制备成的。进一步地，所述碳纳米管薄膜的体积密度为520mg/cm3，厚度为80μm，面积密度为4.1mg/cm2。进一步地，所述碳纳米管薄膜的碳纳米管间聚集程度小于39％。进一步地，所述碳纳米管薄膜在水性电解液中不发生尺寸变化，其拉伸强度为700kPa。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的碳纳米管薄膜及其制备方法主要具有以下有益效果：1.碳纳米管薄膜表面具有轴向纳米凹槽，使得其能够在电解液环境中储存更多的电荷，受压时能够最大程度减少电化学可用表面积而引起大的电容变化，提高了电化学电势，具有较好的电容性能，如在0.6MNaCl溶液中表现出的电化学双电层电容约21.7F/g；此外，对非阵列碳纳米管材料进行机械牵伸时，由于非阵列碳纳米管材料低的密度及碳纳米管间的节点接触形式，在牵伸应力的作用下，使得以节点接触的碳纳米管间发生相对滑移，由主要的节点接触形式转变为部分的短线接触形式，从而碳纳米管被拉直，提高了碳纳米管薄膜的轴向取向度，高的轴向取向度为电子传导提供了快速传输路径。2.通过调控离子反应刻蚀法和水助化学气相沉积法的工艺参数，使得制备的碳纳米管薄膜中碳纳米管间聚集程度小，碳纳米管的轴向阵列度在0.30-0.75范围内可调，可控性较好。3.该碳纳米管薄膜在各种电解液环境中不发生尺寸变化，且力学拉伸强度不发生降级，可高达约700kPa，结构自持性较好，在无需外力的情况下就能够保证结构尺寸稳定。4.该碳纳米管薄膜(管间聚集程度小，轴向取向度为0.68)的体积密度高达520mg/cm3，薄膜厚度为80μm，面积密度高达4.1mg/cm2，具有较小的管间聚集程度，具有较大的电化学可用表面积，能产生大的电化学双电层电容，电容性能较好。5.该碳纳米管薄膜的制备方法简单，易于实施，适用性较强，且制备得到的碳纳米管薄膜具有良好的压力-诱导电容特性，可以广泛应用于自发电传感领域。附图说明图1是本专利技术提供的碳纳米管薄膜的制备方法的流程示意图；图2A和图2B分别是图1中的碳纳米管薄膜的制备方法涉及的碳纳米管薄膜进行机械牵伸处理前后的扫描电镜图；图3是采用图1中的碳纳米管薄膜的制备方法制备的碳纳米管薄膜在不同电解液环境中的拉伸应力与应变之间的关系曲线图；图4是采用图1中的碳纳米管薄膜的制备方法制备的碳纳米管薄膜在受压和未受压时的电化学双电层电容曲线；图5A、图5B及图5C分别是采用图1中的碳纳米管薄膜的制备方法制备的碳纳米管薄膜所组装的电化学压力传感器被施压时的应力曲线、对应产生的电压及电流曲线。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。请参阅图1、图2A及图2B，本专利技术提供的碳纳米管薄膜，其表面形成有纳米凹槽结构。所述碳纳米管薄膜适用于自发电传感器件。所述碳纳米管薄膜的碳纳米管薄膜的体积密度为520mg/cm3，面积密度为4.1mg/cm2，碳纳米管间聚集程度小于39％，轴向阵列度为0.68(Herman’sOrientationFactor，HOF)，厚度为80μm，拉伸强度为700kPa。此外，所述碳纳米管薄膜可以作为工作电极应用于电化学压力传感器中。本专利技术还提供了一种碳纳米管薄膜的制备方法，该制备方法包括以下步骤：步骤一，利用离子反应刻蚀法和水助化学气相沉积法在硅片上生长非阵列碳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纳米管薄膜的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：首先，提供非阵列碳纳米管材料；接着，对该非阵列碳纳米管材料进行机械牵伸处理以得到具有纳米凹槽结构的碳纳米管薄膜。

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米管薄膜的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：首先，提供非阵列碳纳米管材料；接着，对该非阵列碳纳米管材料进行机械牵伸处理以得到具有纳米凹槽结构的碳纳米管薄膜。2.如权利要求1所述的碳纳米管薄膜的制备方法，其特征在于：利用离子反应刻蚀法和水助化学气相沉积法在硅片上生长非阵列碳纳米管材料，并将非阵列碳纳米管材料自所述硅片上剥离以备使用。3.如权利要求2所述的碳纳米管薄膜的制备方法，其特征在于：所述非阵列碳纳米管材料是在750℃下生长成的，C2H4流量为100sccm，生长时间为20min。4.如权利要求2所述的碳纳米管薄膜的制备方法，其特征在于：离子反应刻蚀采用的功率为18W，气源为Ar。5.如权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐鸣，张蒙蒙，邓泽明，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42