自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧及其制法与应用制造技术

本发明专利技术公开了一种自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧及其制法与应用。所述制法包括：将碳纳米管纤维均匀有序的缠绕于具有螺纹结构的模板上；以及，采用化学气相沉积法对所获缠绕于模板上的螺旋状的碳纳米管纤维进行无定型石墨碳的沉积，从而获得具有螺旋弹簧结构的自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧。本发明专利技术利用化学气相沉积的方法，通过模板诱导构型，成功制备了具有自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧，本发明专利技术制备的复合弹簧具备很好的结构稳定性；同时本发明专利技术所提供的制备方法操作简单，可重复性强，并且可以实现轻质全碳弹簧螺旋结构的尺寸调控。

【技术实现步骤摘要】
自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧及其制法与应用
本专利技术属于复合材料
，具体涉及一种自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧及其制法与应用。
技术介绍
可穿戴器件是未来电子设备的重要发展趋势。近年来，随着电子皮肤、柔性手机等概念的相继提出和研究的不断深入，新型(如柔性，可拉伸，可弯折等)能量储存和供给单元以及与生物体具有兼容性的应变传感器迅速被人们重视。碳纳米管(CNT)具有准一维特性和优良的导电、导热和力学性质，其宏观聚集体---纤维天生具有轻质、柔性、可拉伸、可弯折的性能，是制备可穿戴功能器件的理想材料，其在能源储能领域、功能材料以及纳米器件领域等领域具有广阔的应用前景。但是CNT纤维由于其本身的柔性，多是以稳定的直线结构存在，这种直线结构极大的限制了其在三维空间的变形能力，故而对其在可穿戴器件领域的进一步发展造成了很大的限制。目前有技术提出将螺旋结构引入到碳纳米管纤维中，从而改变了直纤维的结构，制备出了螺旋均匀致密分布的螺旋纤维。独特的螺旋结构在力学性能上与直纤维完全不同，这种螺旋的嵌入，可以改变纤维的拉伸以及弹性性能(如专利CN110485162A和CN107805865A)，但就目前的技术而言，单纯物理加捻得到的CNT螺旋结构，须在外力作用下才能保持螺旋结构的稳定性，如在重物的作用下，防止CNT纤维解捻，这种外力干涉下的稳定会对于其应用场景造成很大限制。另有一些方法中，为得到稳定存在的自支撑螺旋结构，引入其他物质，如高分子等，这对于碳纳米管纤维的本征属性，会起到很大的削减效果，如导电率下降，热稳定性下降等。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧及其制法与应用，以克服现有技术的不足。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：本专利技术实施例提供了一种自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧的制备方法，其包括：提供碳纳米管纤维；将所述碳纳米管纤维缠绕于具有螺纹结构的模板上；以及，采用化学气相沉积法对所获缠绕于模板上的螺旋状的碳纳米管纤维进行无定型石墨碳的沉积，从而获得具有螺旋弹簧结构的自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧。本专利技术实施例还提供了由前述方法制备的自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧，所述自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧包括碳纳米管纤维以及无序石墨碳颗粒和/或无序石墨碳层，所述无序石墨碳颗粒和/或无序石墨碳层分布于所述碳纳米管纤维的表面，所述自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧具有螺旋结构。本专利技术实施例还提供了前述的自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧于可穿戴领域中的用途。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术提供一种新的自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧的制备方法，利用化学气相沉积的方法，通过模板诱导构型，成功制备了具有自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧；(2)本专利技术所获得的全碳弹簧，相比于传统金属弹簧，具有减重、耐腐蚀的优势；(3)本专利技术所提供的制备方法操作简单，可重复性强；(4)本专利技术所制备的自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧具备很好的自支撑性，即在没有外力的干涉下，其自身可以很好的维持弹簧螺旋结构；(5)本专利技术构建了一种碳/碳复合结构，在没有引入新的材料(如高分子等)的情况下，极大程度上保留了原始CNT纤维的优势；(6)本专利技术中的模板诱导法，保证了所制备得到的弹簧螺旋结构的尺寸可以实现宽范围的调控，可以实现微纳米尺度到米级尺度的调控；(7)本专利技术技术中所制备得到的自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧在外力的破坏下，其螺旋结构仍具备很好的稳定性。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术一典型实施方案中制备自支撑无序石墨碳/碳纳米管(DG/CNT)复合弹簧的流程示意图；图2是本专利技术一典型实施方案中在碳纳米管纤维表面沉积无序石墨碳的示意图；图3是本专利技术实施例1制备的DG/CNT弹簧的宏观图片；图4是本专利技术实施例1制备的DG/CNT弹簧的微观形貌图；图5是本专利技术实施例1制备的DG/CNT弹簧的微观形貌图；图6a-图6f是本专利技术实施例1制备的DG/CNT弹簧在外力作用下的图片；图7是本专利技术实施例2制备的DG/CNT弹簧的图片；图8是本专利技术实施例5制备的变径DG/CNT弹簧的宏观图片。具体实施方式鉴于现有技术的缺陷，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案，下面将对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术实施例的一个方面提供了一种自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧的制备方法，其包括：提供碳纳米管纤维；采用物理缠绕的方式将所述碳纳米管纤维固定于具有螺纹结构的模板；以及，采用化学气相沉积法对所获缠绕于模板上的螺旋状的碳纳米管纤维进行无定型石墨碳的沉积，从而获得具有螺旋弹簧结构的自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧(DG/CNT弹簧)。进一步的，本专利技术中具有螺纹结构的模板的螺纹和螺距可以根据应用场景设计成不同的尺寸，制备的复合弹簧的尺寸参数与模板完全相同。在一些较为具体的实施方案中，所述制备方法包括：采用物理缠绕的方式将所述碳纳米管纤维施加于具有螺纹结构的模板上。在一些较为具体的实施方案中，所述制备方法包括：将所获缠绕有碳纳米管纤维的模板置于化学气相沉积设备的反应腔室中，之后于惰性气氛下，向所述反应腔室内通入碳源和还原性气体；以及，使所述反应腔室升温，并使所述碳源于900～1250℃进行热分解形成无定型石墨碳，并在碳纳米管纤维进表面进行沉积，从而获得所述自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧。进一步的，所述碳源包括甲烷、乙烯、乙炔、乙醇、甲苯中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。进一步的，向所述反应腔室通入所述碳源的速率为10～100sccm。进一步的，所述还原性气体包括氢气，且不限于此。进一步的，向所述反应腔室通入所述还原性气体的速率为20～100sccm。进一步的，沉积所述无定型石墨碳的时间为5～30min。进一步的，所述无定型石墨碳为无规则石墨晶格的石墨纳米片。在一些较为具体的实施方案中，所述具有螺纹结构的模板包括石英模板，优选为石英螺柱。进一步的，所述具有螺纹结构的模板的螺纹直径为0.5～10mm，螺距为0.2～2mm。进一步的，所述碳纳米管纤维为未经过加捻的窄带，窄带宽度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧的制备方法，其特征在于包括：/n提供碳纳米管纤维；/n将所述碳纳米管纤维缠绕于具有螺纹结构的模板上；/n以及，采用化学气相沉积法对所获缠绕于模板上的螺旋状的碳纳米管纤维进行无定型石墨碳的沉积，从而获得具有螺旋弹簧结构的自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧。/n

【技术特征摘要】
1.一种自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧的制备方法，其特征在于包括：
提供碳纳米管纤维；
将所述碳纳米管纤维缠绕于具有螺纹结构的模板上；
以及，采用化学气相沉积法对所获缠绕于模板上的螺旋状的碳纳米管纤维进行无定型石墨碳的沉积，从而获得具有螺旋弹簧结构的自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于包括：
采用物理缠绕的方式将所述碳纳米管纤维施加于具有螺纹结构的模板上。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于包括：
将所获缠绕有碳纳米管纤维的模板置于化学气相沉积设备的反应腔室中，之后于惰性气氛下，向所述反应腔室内通入碳源和还原性气体；
以及，使所述反应腔室升温，并使所述碳源于900～1250℃进行热分解形成无定型石墨碳，并在碳纳米管纤维进表面进行沉积，从而获得所述自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧。


4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述碳源包括甲烷、乙烯、乙炔、乙醇、甲苯中的任意一种或两种以上的组合；优选的，向所述反应腔室通入所述碳源的速率为10～100sccm；
和/或，所述还原性气体包括氢气；优选的，向所述反应腔室通入所述还原性气体的速率为20～100sccm；
和/或，沉积所述无定型石墨碳的时间为5～30min；
和/或，所述无定型石墨碳为无规则石墨晶格的石墨纳...

【专利技术属性】
技术研发人员：邸江涛，巩倩，余盈荧，李清文，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32