一种三维碳基微纳结构及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种三维碳基微纳结构及其制造方法，使被施加吸附阈值电压的

【技术实现步骤摘要】
一种三维碳基微纳结构及其制造方法


[0001]本专利技术涉及一种三维碳基微纳结构及其制造方法
。

技术介绍

[0002]三维
(3D)
碳微柱的制造中，尺度以及比表面积对性能会产生极大影响，目前三维碳微柱用途广泛，已知的应用领域包括：储能应用
、
高灵敏度检测
、
锂离子电容器
、
电池研究以及电化学的一般应用等
。
而碳纳米纤维阵列有望排列在三维碳微柱
(3DCMPs)
上，以突出纳米尺度和高比表面积对性能的影响，从而开发出性能卓越的多功能器件
。
目前研究人员尝试用化学气相沉积7‑9制造这种碳纳米纤维阵列，但碳纳米纤维阵列通常生长在不同的块状基底表面，很难有序地沉积到基底的微结构上
。
而以聚丙烯腈
10
和
SU
‑
811
等聚合物为前驱体的电纺丝纤维成形与碳化处理，能够在碳微柱表面上制备出碳纤维阵列，成为化学气相沉积的有效替代方法
。
相应碳纤维直径从纳米级增加到
100
纳米到
1000
纳米的亚微米级
。
[0003]为了减小阵列碳纤维的直径到纳米尺度，应满足两个条件：在近场电纺丝中形成较细的聚合物纤维；在热解过程中提高聚合物纤维转化为碳纤维的收缩率
。
为此，
Bisht
等人
12
通过低压近场电纺丝技术，在
200V
的极低电压下，用玻璃微探针针尖
(
针尖直径为1至3μ
m)
引入极高的局部电场，减小聚氧化乙烯纤维的直径到
16.2nm。
但聚环氧乙烷纤维不能通过碳化转化为碳纤维，对于类似
SU
‑8的可热解聚合物，这种方法会使这些聚合物纤维的直径增加到亚微米级，从而获得直径约
180
纳米的碳纳米线
。
此外，针对纤维转化过程中的高收缩率问题，目前采用的方法主要有弱化纤维径向收缩
、
机械拉伸纤维和热诱导纤维收缩等
。
但与这些方法相关的研究几乎很难致力于进一步提高收缩率至
90
％，从而使得到的碳纤维保持在微米尺度
。
因此，在微柱上制备碳纳米纤维阵列的一个关键障碍是缺乏在近场静电纺丝中制备薄的可热解聚合物纤维的方法，以及在稳定和热解过程中，最大限度地提高纤维的径向收缩率
。

技术实现思路

[0004]为了克服目前阵列碳纤维难以形成纳米级别的纤维阵列的技术问题，本专利技术提供一种以碳纳米纤维阵列
(
碳纤维直径低于
10nm)
和三维碳微柱为基础的三维微纳碳结构及其制造方法
。
[0005]为了实现上述技术目的，本专利技术的技术方案是，
[0006]一种三维碳基微纳结构，包括由多个碳微柱形成的微柱阵列和附着在微柱阵列上的碳纤维，所述的碳微柱上碳纤维的直径小于
10
纳米，所述的碳微柱的直径为
35
到
50
微米，高度为
20
微米，各个碳微柱之间的间距为
13
到
17
微米
。
[0007]一种三维碳基微纳结构的制造方法，包括以下步骤：
[0008]使被施加吸附阈值电压的
PAN
电纺丝液穿过微孔并形成液滴，再将用于承接电纺丝液的收集器戳入液滴后移开，从而引发喷射，同时在喷射引发后减小电纺丝液的液滴体
积，且使收集器与液滴之间的距离保持在预设范围内，从而在收集器上形成纤维沉积
。
[0009]对收集器表面的纤维沉积按顺序进行热稳定处理和热解处理，从而形成三维碳基微纳结构
。
[0010]所述的制造方法，吸附阈值电压
V
R
为：
[0011][0012]其中
g0为电纺丝液与收集器间的轴向距离，
K
为弹性系数，
ε
为介电常数，
A
为与收集器相对的电纺丝液面积，
y5是静电力与弹性力相等时的移动位移，通过下式计算：
[0013][0014]其中
π
为圆周率，
θ
为阈值电压扭矩所对应的反余弦值，
θ
＝
arccosT
，
T
表示阈值电压的扭矩，
[0015]所述的制造方法，所述的收集器为用于收集
PAN
射流纤维的滚筒，所述的滚筒表面设有由多个碳微柱形成的微柱阵列，且滚筒绕自身轴线保持自转，同时微孔与滚筒之间保持相对平移运动，从而使纤维沉积均匀的覆盖在微柱阵列上
。
[0016]所述的制造方法，所述的微柱阵列是在硅片表面通过光刻和热解形成的，所述的硅片设置于滚筒表面的凹槽内，且硅片上微柱阵列的顶端低于滚筒表面，所述的凹槽沿滚筒自身的轴线方向设置，其中微柱阵列中的碳微柱的直径为
35
到
50
微米，高度为
20
微米，各个碳微柱之间的间距为
13
到
17
微米
。
[0017]所述的制造方法，滚筒的自转速度不小于
800r/min
，且微孔与滚筒之间的相对平移速度为
480
微米，以使沉积在滚筒表面的纤维为粗细均匀的线结构
。
[0018]所述的制造方法，减小喷出到微孔外的电纺丝液的液滴体积，是通过在微孔处设置具有吸水性质的吸水材料，从而将液滴中的部分液体吸走来减小液滴体积，以使液滴的体积不大于
100
纳升
。
[0019]所述的制造方法，收集器与液滴之间的距离保持在
1.7
毫米到
1.8
毫米之间，从而在收集器上产生直径为
120
纳米到
80
纳米之间的纤维沉积，其中收集器与液滴之间的距离越大，则纤维沉积的直径越小
。
[0020]所述的制造方法，在对纤维沉积进行热稳定处理时，是在空气中以升温速率在
15
～
18℃/min
之间，升温后温度保持在
106
～
115℃
之间，加热时间为
16
～
18
小时的情况下进行热稳定处理，然后再冷却至室温
。
[0021]所述的制造方法，在对纤维沉积进行热解处理时，是首先在氮气中从室温在
0.8
～
1.2
小时内的时间加热到
115℃
，并在
115℃
维持1小时，然后再以
15
～
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种三维碳基微纳结构，其特征在于，包括由多个碳微柱形成的微柱阵列和附着在微柱阵列上的碳纤维，所述的碳微柱上碳纤维的直径小于
10
纳米，所述的碳微柱的直径为
35
到
50
微米，高度为
20
微米，各个碳微柱之间的间距为
13
到
17
微米
。2.
一种三维碳基微纳结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：使被施加吸附阈值电压的
PAN
电纺丝液穿过微孔并形成液滴，再将用于承接电纺丝液的收集器戳入液滴后移开，从而引发喷射，同时在喷射引发后减小电纺丝液的液滴体积，且使收集器与液滴之间的距离保持在预设范围内，从而在收集器上形成纤维沉积；对收集器表面的纤维沉积按顺序进行热稳定处理和热解处理，从而形成三维碳基微纳结构
。3.
根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，吸附阈值电压
V
R
为：其中
g0为电纺丝液与收集器间的轴向距离，
K
为弹性系数，
ε
为介电常数，
A
为与收集器相对的电纺丝液面积，
y5是静电力与弹性力相等时的移动位移，通过下式计算：其中
π
为圆周率，
θ
为阈值电压扭矩所对应的反余弦值，
θ
＝
arccosT
，
T
表示阈值电压的扭矩，
4.
根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述的收集器为用于收集
PAN
射流纤维的滚筒，所述的滚筒表面设有由多个碳微柱形成的微柱阵列，且滚筒绕自身轴线保持自转，同时微孔与滚筒之间保持相对平移运动，从而使纤维沉积均匀的覆盖在微柱阵列上
。5.
根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，所述的微柱阵列是在硅片表面通过光刻和热解形成的，所述的硅片设置于滚筒表面的凹槽内，且硅片上微柱阵列的顶端低于滚筒表面，所述的凹槽沿滚筒自身的轴线方向设置，其中微柱阵列中的碳微柱的直径为
35
到
50
微米，高度为<...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓炬锋，邹泰阳，王淇琛，杨观赐，
申请(专利权)人：贵州大学，
类型：发明
国别省市：