本发明专利技术涉及一种碳纳米条带的制备方法，属于碳材料技术领域。本发明专利技术的制备方法包括以下步骤，S1、制备具有富缺陷结构的致密碳纳米薄膜；S2、在S1的具有富缺陷结构的致密碳纳米薄膜上构筑高分子薄膜，得到碳纳米复合高分子薄膜；S3、对S2的碳纳米复合高分子薄膜进行单轴拉伸，致密碳纳米薄膜经应力训练后形成通道裂纹，移除高分子薄膜，得到所述的碳纳米条带。本发明专利技术的制备方法具有操作便捷、制备条件温和可控，适合规模化制备，尤其具有普适性强的优点，可以与各种纳米致密碳纳米薄膜的制备技术加以结合。此外，通过致密碳纳米薄膜的几何尺寸和有序结构、富缺陷结构、高分子薄膜的厚度的匹配调节，可以灵活调节纳米碳条的几何尺寸、边缘结构等。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于碳材料，尤其涉及一种碳纳米条带的制备方法。
技术介绍
1、纳米厚度的碳薄膜在宽度方向尺寸被限制，形成碳纳米条带。这种准一维材料具有迥异于薄膜本体的物理特性，条带的边界原子将对它的物理性质起着重要的作用。由于边缘的碳原子占比较高，在边缘进行吸附、掺杂和裁剪等手段能够进一步改变纳米带的物理化学性质，因此开发碳纳米条带的便捷制备方法具有重要的意义。
2、经过近年来的开发，已发展出多种制备纳米碳条带的方法。这些方法可以分为两类：自下而上和自上而下的方法。自下而上的方法包括有机合成法、sic外延生长法、cvd生长法。有机合成法是通过各种有机单体(如联苯类化合物)进行合成，这种方法要求精准选择前驱体分子并准确控制反应路线。sic外延生长法是利用真空或惰性气氛中加热sic时，表面的硅原子升华逃逸，剩余的碳原子在sic晶圆的台阶表面发生重排而形成的。cvd生长法用于碳纳米条带合成时，需结合模板辅助成长、限域生长等技术以制备长宽比≠1的碳纳米条带。自上而下的方法是先制备碳纳米薄膜，然后再进一步制备碳纳米条带的方法。这种将碳纳米薄膜制成碳纳米条带的方法，包含以下几种办法：利用高偏压的扫描隧道显微镜的尖端进行刻蚀，或者通过等离子体和离子束与模板辅助的办法进行切割，或利用平板印刷术进行复制和转移。此外，通过对碳纳米管进行侧壁撕裂，然后再将其压平获得碳纳米条带。还可以通过湿法纺丝纺制氧化石墨烯等条带，然后通过还原的方法获得多层石墨纳米条带。然而，现有技术还存在制备设备昂贵、污染物排放、制备流程繁琐、规模化制备困难等问题。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种碳纳米条带的制备方法，在具有富缺陷结构的致密碳纳米薄膜上构建由可溶性高分子构成的高分子薄膜基体，由其支撑碳纳米薄膜组成碳纳米复合高分子薄膜结构。通过对高分子薄膜结构进行单轴拉伸，应力经由高分子薄膜传导至致密碳纳米薄膜，由此使得致密碳纳米薄膜在应力训练下形成等间距的平行于拉伸方向的通道裂纹。该通道裂纹贯穿薄膜厚度方向，将致密碳纳米薄膜沿垂直于拉伸方向分割成碳条带。通过移除高分子薄膜基体后获得独立的碳纳米条带。
2、本专利技术的目的是提供一种碳纳米条带的制备方法，包括以下步骤：
3、s1、制备具有富缺陷结构的致密碳纳米薄膜；
4、s2、在s1所述的具有富缺陷结构的致密碳纳米薄膜上构筑高分子薄膜，得到碳纳米复合高分子薄膜；
5、s3、对s2所述的碳纳米复合高分子薄膜进行单轴拉伸，致密碳纳米薄膜经应力训练后形成通道裂纹，移除高分子薄膜，得到所述的碳纳米条带。
6、在本专利技术的一个实施例中，在s1中，所述致密碳纳米薄膜是指不含有纳米级别及其以上的孔洞结构的碳薄膜。
7、在本专利技术的一个实施例中，在通常情况下，通过加工或使用过程中等外部原因在材料中不可避免引入缺陷结构，在材料中呈现随机分布。薄膜在受到拉伸应变时，受到随机分布的缺陷的影响，此时所产生的裂纹间距较大。利用缺陷工程在材料中额外引入丰富的缺陷结构，形成富缺陷结构的材料，是材料电性能、催化性能、机械性能等调控的重要手段。对富缺陷结构的薄膜进行拉伸，经应力训练可以在薄膜中引入小裂纹间距的通道裂纹结构。
8、在本专利技术的一个实施例中，在s1中，所述具有富缺陷结构的致密碳纳米薄膜是指具有丰富的缺陷结构、不含有纳米级别及其以上尺寸孔洞结构的碳薄膜。
9、在本专利技术的一个实施例中，在s1中，所述致密碳纳米薄膜的制备方法选自cvd法生长、化学合成、热碳化和激光碳化中的一种或多种。
10、在本专利技术的一个实施例中，在s1中，所述致密碳纳米薄膜可以是无定型的，也可以是具有高度有序结构的碳材料。
11、在本专利技术的一个实施例中，在s1中，所述致密碳纳米薄膜中的富缺陷结构选自点缺陷、线缺陷和面缺陷中的一种或多种。
12、进一步地，所述点缺陷选自原子空位、间隙原子和杂质原子中的一种或多种。
13、进一步地，所述线缺陷为有序碳材料中的台阶和位错。
14、进一步地，所述面缺陷为多层石墨烯结构中的层错结构。
15、在本专利技术的一个实施例中，在s1中，所述致密碳纳米薄膜中的富缺陷结构是通过碳化前驱体中掺杂异质材料来实现的。
16、在本专利技术的一个实施例中，所述异质材料选自无机物团簇、纳米颗粒、不成碳的小分子化合物、不成碳的高分子化合物、在成碳过程中得到碳原子有序排布与致密碳纳米薄膜本体结构不一致的组分中的一种或多种。
17、进一步地，所述无机物团簇或纳米颗粒为siox。
18、进一步地，所述不成碳的小分子化合物或所述不成碳的高分子化合物为惰性气氛下碳化温度为700℃时，碳残余率＜20％的化合物。
19、进一步地，所述在成碳过程中得到碳原子有序排布与致密碳纳米薄膜本体结构不一致的组分为碳化前驱体被b、s、p及卤素取代的产物。
20、在本专利技术的一个实施例中，所述掺杂的方式如下：
21、预先在基底上分布异质材料，再进一步分布碳化前驱体；
22、和/或，在碳化前驱体中掺杂异质材料。
23、在本专利技术的一个实施例中，在s1中，所述致密碳纳米薄膜的厚度为0.35nm-50nm。
24、在本专利技术的一个实施例中，在s2中，所述高分子薄膜选自可溶性高分子薄膜或可溶性高分子薄膜与不溶性高分子薄膜组成的复合薄膜，所述致密碳纳米薄膜与高分子薄膜的交界处为可溶性高分子薄膜。
25、在本专利技术的一个实施例中，在s2中，所述可溶性高分子选自水溶性聚乙烯醇和/或醇溶性聚乙烯醇缩丁醛酯。
26、在本专利技术的一个实施例中，在s2中，所述高分子薄膜的厚度为10μm-100μm。
27、在本专利技术的一个实施例中，在s2中，所述致密碳纳米薄膜的面积小于所述高分子薄膜。
28、在本专利技术的一个实施例中，在s2中，所述致密碳纳米薄膜的弹性模量大于所述高分子薄膜的弹性模量。
29、在本专利技术的一个实施例中，在s3前，还包括将碳纳米复合高分子薄膜从基体上转移下来。
30、进一步地，所述转移的方式如下：
31、简单剥离；
32、和/或，将碳纳米复合高分子薄膜连同基体一并浸没在水中，水从接缝处渗透进入碳膜和基体的交界面，利用水浸润辅助作用对碳纳米复合高分子薄膜进行剥离。
33、在本专利技术的一个实施例中，在s3中，单轴拉伸产生的拉伸载荷加载在无薄膜覆盖的基体的边缘区域，所述单轴拉伸的应变为0.5％-15％，在致密碳纳米薄膜中产生通道裂纹。
34、在本专利技术的一个实施例中，在s3中，所述单轴拉伸的方式为手动拉伸或机械自动拉伸。
35、在本专利技术的一个实施例中，在s3中，所述移除是利用溶剂进行浸泡，将高分子薄膜移除，获得独立的碳纳米条带。
36、进一步地，所述溶剂为可溶性高分子的良溶剂，以使得高分子薄膜从碳纳米本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种碳纳米条带的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的碳纳米条带的制备方法，其特征在于，在S1中，所述致密碳纳米薄膜的制备方法选自CVD法生长、化学合成、热碳化和激光碳化中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的碳纳米条带的制备方法，其特征在于，在S1中，所述致密碳纳米薄膜中的富缺陷结构选自点缺陷、线缺陷和面缺陷中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的碳纳米条带的制备方法，其特征在于，在S1中，所述致密碳纳米薄膜中的富缺陷结构是通过碳化前驱体中掺杂异质材料来实现的。
5.根据权利要求4所述的碳纳米条带的制备方法，其特征在于，所述异质材料选自无机物团簇、纳米颗粒、不成碳的小分子化合物、不成碳的高分子化合物、在成碳过程中得到碳原子有序排布与致密碳纳米薄膜本体结构不一致的组分中的一种或多种。
6.根据权利要求4所述的碳纳米条带的制备方法，其特征在于，所述掺杂的方式如下：
7.根据权利要求1所述的碳纳米条带的制备方法，其特征在于，在S1中，所述致密碳纳米薄膜的厚度为0.35nm-50nm。
8.根据权利要求1所述的碳纳米条带的制备方法，其特征在于，在S2中，所述高分子薄膜选自可溶性高分子薄膜或可溶性高分子薄膜与不溶性高分子薄膜组成的复合薄膜，所述致密碳纳米薄膜与高分子薄膜的交界处为可溶性高分子薄膜。
9.根据权利要求1所述的碳纳米条带的制备方法，其特征在于，在S3中，所述单轴拉伸的应变为0.5％-15％。
10.根据权利要求1所述的碳纳米条带的制备方法，其特征在于，在S3中，所述碳纳米条带的宽度为1nm-50nm。
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【技术特征摘要】
1.一种碳纳米条带的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的碳纳米条带的制备方法，其特征在于，在s1中，所述致密碳纳米薄膜的制备方法选自cvd法生长、化学合成、热碳化和激光碳化中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的碳纳米条带的制备方法，其特征在于，在s1中，所述致密碳纳米薄膜中的富缺陷结构选自点缺陷、线缺陷和面缺陷中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的碳纳米条带的制备方法，其特征在于，在s1中，所述致密碳纳米薄膜中的富缺陷结构是通过碳化前驱体中掺杂异质材料来实现的。
5.根据权利要求4所述的碳纳米条带的制备方法，其特征在于，所述异质材料选自无机物团簇、纳米颗粒、不成碳的小分子化合物、不成碳的高分子化合物、在成碳过程中得到碳原子有序排布与致密碳纳米薄...
【专利技术属性】
技术研发人员：姚艳波，刘涛，陈哲鹏，
申请(专利权)人：福建技术师范学院，
类型：发明
国别省市：
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