复合层、其制造方法及其用途技术

通过电沉积形成碳纳米管和诸如铜的金属的复合层。该层的厚度至少为10μm。碳纳米管分布在整个层中，并且以至少0.001vol％且至多65vol％的体积分数存在于该层中。体积分数基于金属和碳纳米管的总体积，并且不包括任何孔体积。碳纳米管基本上均匀地镀有金属。复合层的密度比满足

Composite layer, manufacturing method and Application

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】复合层、其制造方法及其用途
技术介绍
专利
本专利技术涉及复合层、该复合层的制造方法以及该复合层的用途。本专利技术特别适用于由可电镀的金属和碳纳米管形成的复合材料。相关技术已知电镀在集成电路、磁记录设备和其他应用中用于沉积金属、合金、陶瓷和复合膜。改进的工艺条件控制使电镀能够作为许多耐用的微机电系统(MEMS)制造工艺的一部分，以微米级进行电镀，这些工艺通常使用铜、镍或金来镀上光刻图案化的微结构。具体而言，LIGA[Bley(2013)]已用于在具有亚微米结构细节、几微米的横向尺寸、数千微米厚度的大面积上同时制造大量高精度微尺度组件(齿轮、轴承、电动机、涡轮、喷嘴、致动器、传感器等)。在这些规模上，电铸的主要缺点——沉积速率和厚度不受限制。但是，已证明了将LIGA扩展到毫米级的3D制造过程中[Jingetal.(2007)]成本过高且缓慢。各种电化学添加剂可以进一步改善控制电铸零件的局部沉积和材料性能。具体地，在流平高的区域中，通过流平剂可降低镀覆速率，通过抑制剂可提高沉积均匀性。电化学添加剂也可用于减少残余应力并改善沉积的晶粒结构，从而改善材料性能。各种纳米颗粒还可以充当添加剂，并整合到沉积的薄膜中以形成纳米复合材料。这些已被证明可以提高硬度和抗腐蚀性[Lowetal.(2006)]。一般而言，纳米复合材料具有潜在的吸引力，因为它潜在地具有更高的强度、刚度和断裂伸长率[Chaietal.(2008)]。电镀复合材料可以表现出更高的载流能力[Subramaniametal.(2013)]和导热率[Subramaniametal.(2014)]。通过将铜电镀到预组装的碳纳米管上来制造这种复合材料。电铸是采用电镀的首批生产工艺之一，可用于通过电沉积涂覆芯轴或铸模并随后分离沉积金属来生产坚固的3D零件，形成独立零件。电铸因其高保真度和生产各种级别的长度的复杂零件的能力而在工业上得到了广泛的应用。在大规模应用中，电铸避免了加工薄壁零件(例如飞机机翼蒙皮)的成本和困难，而在小规模应用中，由于其较大的尺寸容差和复制亚微米级表面细节的能力，因此可以制造出极其精确的零件(例如CD、DVD和蓝光光盘复制品)。电铸也可应用于连续工艺，并用于生产连续和穿孔的箔和丝网。Lee等人(2011)公开了一种电泳沉积工艺，其中形成了碳纳米管和铜纳米颗粒的相互连接的类似蚁巢的网络。铜纳米颗粒主要在碳纳米管交叉和边缘接触位置处成核并生长。网络附着在碳纤维上形成。Arai等人(2004年)公开了一种形成镍沉积的多壁碳纳米管(MWCNT)粉末的方法。镀镍浴中具有均匀分散的MWCNT。所形成的结构被描述为“串状饺子结构”，其中沉积的Ni颗粒被碳纳米管串起。Arai等人(2010年)公开了通过电沉积形成由Cu和MWCNT形成的复合层。通过CVD使MWCNT气相生长，并在2800°下热处理30分钟。MWCNT分散在硫酸铜电镀路径中——仅通过加入聚丙烯酸分散剂就可以实现均匀分散。沉积层的最终形态是由CNT串起来的相对较大的Cu颗粒。Manu和Priya(2013)公开了通过电化学沉积法制备密集的MWCNT-Cu膜的方法。证明了从Cu-MWCNT堆叠结构到MWCNT垂直排列的各种表面形态。Chai等人(2008年)公开了CNT增强的铜纳米复合材料的形成。它们以密集的形式形成，适用于该报道中采用的应力应变测试。CN104233379、CN102140668、WO2011005693和CN104611735公开了将CNT添加到铜电镀液中以改变铜电沉积的方式。需要对表面进行机械活化，也需要添加表面活性剂。镀液中使用的CNT的浓度为0.1-1g/L。该工艺的产物是CNT-Cu复合粉末。根据CN104233379中的SEM和TEM公开，粉末似乎由圆形Cu颗粒与不均匀分散的CNT组成。在现有技术中，结合有CNT的铜电镀可以具有以相对低的体积速率形成嵌有CNT的Cu颗粒的效果。然而，本专利技术人认为形态和体积层形成速率易于改善。
技术实现思路
本专利技术人认为，现已知的技术不能形成坚固的金属-纳米管复合材料。大批量处理碳纳米管(CNT)复合材料通常会导致材料性能较弱。据认为这是由于CNT分布不均匀而产生的应力集中所致。另外，人们也认为是因为缺乏纳米级和微米级结构控制。此外，弱的基材可能会导致复合材料的整体性能下降。进一步而言，颗粒间相互作用和基材-颗粒相互作用较差也可能导致复合材料的整体性能下降。本专利技术人设计本专利技术以解决上述问题中的至少一个。优选地，本专利技术减少、改善、避免或克服了以上问题中的至少一个。本专利技术人发现可以提供快速的电沉积工艺。他们发现，使用碳纳米管作为电沉积添加剂可以提高电镀金属-纳米管复合层的沉积速率和沉积厚度，同时还具有其他技术优势。因此，在第一优选方面，本专利技术提供了一种碳纳米管和金属的复合层，所述层具有至少10μm的厚度，所述碳纳米管分布在所述层中并且以至少0.001vol％且至多65vol％的体积分数存在于所述层中，所述体积分数基于金属和碳纳米管的总体积，并且不包括任何孔体积。在第二优选方面，本专利技术提供了一种制造碳纳米管和金属的复合层的方法，所述方法包括以下步骤：提供碳纳米管；将碳纳米管分散在电解质溶液中；提供工作电极和包括金属的对电极，它们分别与电解质接触；和将工作电极电镀上碳纳米管和金属以使复合层以至少10μm/min的厚度变化率生长到厚度至少为10μm；其中，在所述方法的至少一部分中，厚度至少为10μm的复合层的密度比满足：其中ρ层是厚度至少为10μm的复合层的堆积密度，包括复合层中存在的任何空隙，ρ金属是金属的体积质量密度材料特性。在第三优选方面，本专利技术提供了一种用于热传递的蒸发冷凝设备，所述设备包括具有蒸发器区域和冷凝器区域的密闭容器，所述容器具有在所述容器的内表面上形成的芯层以及容纳在所述容器中的工作流体，所述芯层包括根据第一方面所述的碳纳米管和金属的复合层，所述工作流体在所述蒸发器区域蒸发，蒸发的工作流体从所述蒸发器区域到所述冷凝器区域质量输送，工作流体在所述冷凝器区域冷凝，促进了热量传递，冷凝的工作流体沿着所述芯层输送回所述蒸发器区域。在第四优选方面，本专利技术提供了一种电化学装置，其包括阳极、电解质和阴极，其中所述阳极和阴极中的至少一个包括活性材料层和集流层，其中所述集流层是根据第一方面所述的碳纳米管和金属的复合层。在第五优选方面，本专利技术提供了一种电铸方法，包括以下步骤：提供根据第一方面所述的碳纳米管和金属的复合层，或执行根据第二方面所述的方法以制造碳纳米管和金属的复合层；将金属另外电镀到所述复合层中以制得电铸产品。本专利技术的第一、第二、第三、第四和/或第五方面可以具有以下可选特征中的任何一个，或者在它们兼容的程度上，可以具有以下任意特征的任意组合。碳纳米管和金属的复合层的厚度可以为至少20μm、至少30μm、至少40μm、至少50μm、至少60μm、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纳米管和金属的复合层，所述层具有至少10μm的厚度，所述碳纳米管分布在所述层中并且以至少0.001vol％且至多65vol％的体积分数存在于所述层中，所述体积分数基于金属和碳纳米管的总体积，并且不包括任何孔体积。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170428 GB 1706783.61.一种碳纳米管和金属的复合层，所述层具有至少10μm的厚度，所述碳纳米管分布在所述层中并且以至少0.001vol％且至多65vol％的体积分数存在于所述层中，所述体积分数基于金属和碳纳米管的总体积，并且不包括任何孔体积。


2.根据权利要求1所述的复合层，其中所述碳纳米管基本上均匀地镀有所述金属。


3.根据权利要求1或权利要求2所述的复合层，其中所述金属是选自以下的至少一种：锑、砷、铋、镉、铬、钴、铜、金、铟、铱、铁、铅、锰、镍、锇、钯、铂、铼、铑、钌、硒、银、碲、铊、锡、锌及其合金，包括含铈、钆、镧、钕、镨、钐、钇的合金。


4.根据权利要求1至3中任一项所述的复合层，其中所述复合层的密度比满足：



其中ρ层是厚度至少为10μm的复合层的堆积密度，包括复合层中存在的任何空隙，ρ金属是金属的体积质量密度材料特性。


5.一种制造碳纳米管和金属的复合层的方法，所述方法包括以下步骤：
提供碳纳米管；
将碳纳米管分散在电解质溶液中；
提供工作电极和包括金属的对电极，它们分别与电解质接触；和
将工作电极电镀上碳纳米管和金属以使复合层以至少10μm/min的厚度变化率生长到厚度至少为10μm；
其中，在所述方法的至少一部分中，厚度至少为10μm的复合层的密度比满足：



其中ρ层是厚度至少为10μm的复合层的堆积密度，包括复合层中存在的任何空隙，ρ金属是金属的体积质量密度材料特性。


6.根据权利要求5所述的方法，其中在将工作电极电镀上碳纳米管和金属以使复合层以至少10μm/min的厚度变化率生长的过程中，面密度变化率至多为0.8kg/m2/min。


7.根据权利要求5或权利要求6所述的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：达沃·科皮克，迈克尔·弗朗西斯·德·沃尔德，简·约翰·荣格，
申请(专利权)人：剑桥实业有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB