高导电、高强度金属化碳纳米管薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高导电、高强度金属化碳纳米管薄膜及其制备方法。所述制备方法包括：提供原始的碳纳米管薄膜，对所述碳纳米管薄膜依次进行氧化处理、敏化处理和活化处理，从而在原始的碳纳米管薄膜表面形成钯过渡层；在具有钯过渡层的碳纳米管薄膜上形成铜层，制得高导电、高强度金属化碳纳米管薄膜。所述高导电、高强度金属化碳纳米管薄膜包括依次设置的碳纳米管薄膜、钯过渡层和铜层。本发明专利技术提供的方法在碳纳米管薄膜上引入了钯过渡层，进一步提高了碳纳米管与铜的界面结合，有效降低了接触电阻，所制备的金属化碳纳米管薄膜的比电导率更高，并且具有优异的力学性能。并且具有优异的力学性能。并且具有优异的力学性能。

【技术实现步骤摘要】
高导电、高强度金属化碳纳米管薄膜及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种金属化碳纳米管薄膜的制备方法，具体涉及一种高导电、高强度金属化碳纳米管薄膜及其制备方法，属于纳米复合材料


技术介绍

[0002]碳纳米管(CNT)薄膜是由大量的CNT通过范德华力结合得到的具有多孔结构的二维自支撑材料，具有轻质、柔性、导电性良好等特点。作为CNT的宏观材料之一，薄膜具有与CNT相同的优异性能。由于管间接触电阻，CNT薄膜的电导率仅有104S/m，远远低于单根碳纳米管的理论值，CNT的有序排列及致密化会使其导电能力大大提高，此外，使CNT薄膜金属化是提高其导电能力最直接有效的方法。
[0003]将CNT与金属复合可以通过物理沉积、化学沉积和电沉积等工艺实现，复合的金属将提升CNT网络的导电能力。Hata采用两步电沉积法将CNT薄膜与铜复合(Subramaniam C,Yamada T,Kobashi K,et al.One hundred fold increase in current carrying capacity in a carbon nanotube
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copper composite[J].Nature Communications,2013,4(August 2014):1
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7)。先将CNT薄膜浸泡于含有醋酸铜的乙腈溶液引入铜中，再进行酸性电沉积铜，得到电导率高达4.7
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107S/m的CNT/Cu复合薄膜，并且该薄膜的载流量是铜的100倍。
[0004]Wang等采用物理沉积的方法制备了电导率高达1.6
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107S/m的CNT/Cu复合薄膜，并研究界面微观结构对薄膜电学性能的影响(Wang G,Sun C,Cai Y,et al.Improvement of interface and electrical properties in carbon nanotube/nanocrystalline copper composite films[J].Materials Chemistry and Physics,2018,223(June 2018):374
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379)。研究表明，复合薄膜具备如此高的导电性主要是因为CNT与Cu之间形成了两种特别的界面结构。该界面结构存在较低的电子散射以促进CNT和Cu之间形成局部弹道导体，从而降低了CNT与Cu之间的接触电阻。上述方法所制备的碳纳米管薄膜，碳纳米管层和铜层界面分离，以铜为主体导电结构，失去了碳纳米管薄膜质量轻的性能特点，最终产品的比电导率(电导率/密度)较低。
[0005]综上所述，现有金属化碳纳米管薄膜的制备方法存在诸多不如，例如：采用蒸镀法时具有碳纳米管层与铜层相对独立，且界面结合力差等缺陷，采用磁控溅射法时碳纳米管层与铜层相对独立，界面结合力强。但比电导率低，力学强度较低。而采用常规电镀法时，碳纳米管层和铜层相结合，界面结合力强，但也存在比电导率低，力学强度较低(铜与碳纳米管的界面结合差)等缺陷。

技术实现思路

[0006]本专利技术的主要目的在于提供一种高导电、高强度金属化碳纳米管薄膜及其制备方法，以克服现有技术的不足。
[0007]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：
[0008]本专利技术实施例提供了一种高导电、高强度金属化碳纳米管薄膜的制备方法，其包括：
[0009]提供原始的碳纳米管薄膜；
[0010]对所述碳纳米管薄膜依次进行氧化处理、敏化处理和活化处理，从而在原始的碳纳米管薄膜所含纳米管纤维表面形成钯过渡层；
[0011]在具有钯过渡层的碳纳米管薄膜上形成铜层，制得高导电、高强度金属化碳纳米管薄膜。
[0012]在一些实施方案中，所述制备方法具体包括：
[0013]提供电镀液；
[0014]使包含具有钯过渡层的碳纳米管薄膜、电镀液的电化学反应体系通电，以磷铜板作为阳极，以具有钯过渡层的碳纳米管薄膜作为阴极，从而在具有钯过渡层的碳纳米管薄膜上进行电镀，沉积得到铜层，其中，所述电镀采用的电流密度为50～300A/m2，电镀时间为5～30min。
[0015]本专利技术实施例还提供了由前述制备方法制得的高导电、高强度金属化碳纳米管薄膜，其包括碳纳米管薄膜，以及设置于碳纳米管薄膜所含纳米管纤维表面的钯过渡层和铜层。
[0016]与现有技术相比，本专利技术的有益效果至少在于：
[0017]本专利技术提供的方法在碳纳米管薄膜上引入了钯过渡层，通过不断优化工艺参数及配方调控，进一步提高了碳纳米管与铜的界面结合，有效降低了接触电阻，所制备的金属化碳纳米管薄膜的比电导率、比载流量更高，并且具有优异的力学性能。
附图说明
[0018]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。
[0019]图1是本专利技术一典型实施例中所获产物高导电、高强度金属化碳纳米管薄膜的结构形貌图。
具体实施方式
[0020]鉴于传统技术方案的缺点，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，其主要是在常规的碳纳米管薄膜电镀铜的方案上，引入了钯过渡层。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
[0021]本专利技术实施例的一个方面提供的一种高导电、高强度金属化碳纳米管薄膜的制备方法包括：
[0022]提供原始的碳纳米管薄膜；
[0023]对所述碳纳米管薄膜依次进行氧化处理、敏化处理和活化处理，从而在原始的碳纳米管薄膜所含纳米管纤维表面形成钯过渡层；
[0024]在具有钯过渡层的碳纳米管薄膜上形成铜层，制得高导电、高强度金属化碳纳米
管薄膜。
[0025]在一些实施方案中，所述氧化处理采用的氧化剂包括浓硫酸(98％)、浓硝酸(68％)、过氧化氢溶液(30％)、高锰酸钾(99.5％)等中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
[0026]进一步地，所述氧化剂可以优选为浓硫酸与浓硝酸的组合，其中最优配比为98％浓硫酸、68％浓硝酸按照1～5：1的体积比混合。
[0027]在一些实施方案中，所述氧化处理的时间为1～2h。
[0028]在一些实施方案中，所述制备方法还包括：在进行所述氧化处理之前，先对原始的碳纳米管薄膜进行纯化处理，从而去除无定形碳。
[0029]进一步地，本专利技术去除无定形碳的方法(即纯化处理)可以采用管式炉加热、通电加热等任一种方式进行。其中，当采用管式炉加热时，可加热至温度为200～500℃，加热保温时间为2～6h。当采用通电加热时，可以使用热电偶或红外热成像仪观察，不断提高通电功率至温度达到200～500℃，恒定功率保持时间为1～5h本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高导电、高强度金属化碳纳米管薄膜的制备方法，其特征在于，包括：提供原始的碳纳米管薄膜；对所述碳纳米管薄膜依次进行氧化处理、敏化处理和活化处理，从而在原始的碳纳米管薄膜所含纳米管纤维表面形成钯过渡层；在具有钯过渡层的碳纳米管薄膜上形成铜层，制得高导电、高强度金属化碳纳米管薄膜。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述氧化处理采用的氧化剂包括浓硫酸、浓硝酸、过氧化氢溶液、高锰酸钾中的任意一种或两种以上的组合，优选为浓硫酸与浓硝酸的组合，尤其优选的，所述浓硫酸与浓硝酸的体积比为1～5:1；和/或，所述氧化处理的时间为1～2h。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，包括：将经氧化处理的碳纳米管薄膜置于敏化剂中，在超声作用下进行敏化处理10～30min。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述敏化剂包括锡盐、HCl、锡粒和水的混合液；优选的，所述敏化剂中锡盐的浓度为20～50g/L，HCl的浓度为1～6ml/L，锡粒的浓度为0.1～2g/L。5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，包括：将经敏化处理的碳纳米管薄膜置于活化剂中，在超声作用下进行活化处理2～15min。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述活化剂包括钯盐、HCl和水的混合液；优选的，所述活化剂中钯盐的浓度为0.1～0.2g/L，HCl的浓度为1～12ml/L。7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，包括：提供电镀液；使包含具有钯过渡层的碳纳米管薄膜、电镀液的电化学反应体系通电，以磷铜板作为阳极，以具有钯过渡层的碳纳米管薄膜...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕卫帮，杨文刚，席佳琦，曲抒旋，张永毅，邸江涛，刘美男，
申请(专利权)人：江西省纳米技术研究院，
类型：发明
国别省市：