碳纳米管和碳的复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种碳纳米管和碳的复合材料及其制备方法。以碳纳米管宏观体为预制体，采用化学气相沉积法热解含碳前驱体将碳沉积于碳纳米管宏观体，制备出碳纳米管和碳的复合材料，碳纳米管的质量分数为0.5-95%。该方法选用碳纳米管取向和排布的各种碳纳米管宏观体为预制体，获得具有高度分散、高体积含量和各种取向排布的碳纳米管和碳的复合材料；纤维预制体设计可构造和制备纤维、薄片和块体等不同形态和各种尺度的复合材料；选用碳源，控制沉积温度、反应时间和气压等进行沉积碳制备，进而获得多种力学和电学性能的碳纳米管和碳的复合材料，有望作为高性能复合材料、导电导热材料和功能材料，用于航空航天、国防装备和功能材料器件等领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，具体是以碳纳米管宏观体为预制体，采用化学气相沉积法热解含碳前驱体将碳沉积于碳纳米管宏观体，制备碳纳米管和碳的复合材料，属于纳米材料领域。
技术介绍
碳纤维/碳复合材料具有轻质、高强、耐高温和抗腐蚀等性能，广泛应用于航空航天、国防装备和高端民用领域，在高强建筑、汽车工业和能源和环保领域具有重要的应用潜力。碳纳米管是石墨卷曲构成的一维纳米材料、具有轻质、高的比表面积、可功能化的表面结构，具有高强度、高模量和 高柔性，是发展轻质、高强、抗冲击的高性能碳/碳复合材料的理想增强材料。碳纳米管具有高导电、高导热、电场发射和其它多功能特性，这结合碳纳米管的一维纳米结构，将其引入碳基体，可发展具有导电和导热等物理性能和新的功能特性的碳基纳米功能材料。目前用气相法、等离子体法和激光法可制备出单壁、双壁、少壁和多壁等不同石墨层数的碳纳米管材料，这些材料或是粉末状或是无规缠绕状。用这些材料可以制备碳纳米管和碳的复合材料，通常制备的复合材料难以获得高含量、取向和均匀的分布于碳基体中的碳纳米管。碳纳米管纤维是由碳纳米管组成的宏观纤维，目前用气相法、液相法和阵列法制备等方法可制备出碳纳米管纤维，这些碳纳米管纤维由单壁、双壁和不同壁数的碳纳米管连接构成。以碳纳米管纤维构成的宏观体为预制体，通过化学气相沉积碳、浸溃气相或液相含碳前驱体，可制备出高碳纳米管含量、可控取向和均匀分散的碳纳米管复合材料，可发挥碳纳米管的一维纳米结构和轴向力学和物理性能，获得具有各向同性和各向异性力学性能和物理性能的碳纳米管和碳的复合材料。用气相法可在基板上制备出顺向排列的碳纳米管阵列，用碳管阵列为预制体沉积碳也可得到具有取向排布的碳纳米管和碳的复合材料，但限于碳管阵列尺寸得到的复合材料为薄片，实际应用有限。以碳纳米管组成的宏观体为预制体，采用化学气相沉积法制备出碳纳米管和碳的复合材料未见报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种。以碳纳米管纤维构成的宏观体为预制体，采用化学气相法制备的碳纳米管纤维、碳纳米管纤维构成的预制体和碳纳米管膜构成的预制体为基体，采用化学气相沉积法进行碳沉积形成碳纳米管和碳的复合材料。沉积碳可以通过热壁反应和冷壁反应进行，特别是本专利技术通过电加热局部高效加热碳纳米管预制体进行碳沉积制备碳纳米管和碳的复合材料。通过设计和构造碳纳米管宏观体的形态和尺度可制备出纤维、薄片和块体碳纳米管和碳的复合材料，可制备出各种碳纳米管含量、均匀分散和排列取向的碳纳米管和碳的复合材料。化学气相沉积法具有反应可控和沉积碳可控等优点。选用各种碳源和沉积条件，包括沉积温度、时间和气压调控沉积碳的结构，形成低织构、中等织构和高织构等不同结构的热解碳和相应的碳/碳复合材料。通过变化沉积条件，还可控制沉积碳的分布，在预制体内部和特定区域形成不同分布的热解碳。这些具有不同结构和分布碳的碳/碳复合材料具有不同的强度、导电和导热等性能，作为高性能结构和功能材料，用于相关领域。本专利技术提供的碳纳米管和碳的复合材料由碳纳米管和碳复合组成，碳纳米管的质量分数为0. 5-95%。制备方法为以碳纳米管宏观体为预制体，采用化学气相沉积法，热解含碳前驱体将碳沉积于宏观碳纳米管预制体，形成碳纳米管和碳的复合材料。可选地，所述的碳纳米管的质量分数为5-95%。该复合材料电导率为1-3. 25X IO4S/m ;所述的碳纳米管和碳的复合材料密度0. 80-2 g/cm3。所述的碳纳米管是单壁碳纳米管，双壁碳纳米管，多壁碳纳米管的一种或几种的混合。所述的碳纳米管宏观体是碳纳米管纤维、碳纳米管纤维构成的预制体或碳纳米管膜构成的预制体。可选地，碳纳米管纤维直径20-150 ym，长4 cm ;碳纳米管纤维束直径约为 300-1000 u m,长 4 cm ;碳纳米管膜长 4 cm,宽 1-10 mm,厚 0.2-1 mm。所述的碳是低织构热解碳、中等织构热解碳或高织构热解碳的一种或几种的混 所述的含碳前驱体为碳氢化合物，碳氧化合物，碳氢氧化合物的一种或几种的混合物。所述的沉积碳的温度为500-1500 °C。所述的沉积碳的气压为1-101 kPa。本专利技术提供的碳纳米管和碳的复合材料具体制备方法包括的步骤 将碳纳米管宏观体碳纳米管纤维、碳纳米管纤维束或碳纳米管膜作为预制体置于电加热沉积装置内两电极之间，通氩气1-2 h排除石英管内的空气，打开电源，电压设置为5-60 V，对预制体通电加热，控制预制体温度500-1500 °C，采用氩气为载气，流量20-40sccm，将含碳前驱体载入石英管，石英管内的气压为1-101 kPa，碳前驱体热解将碳沉积于预制体，沉积时间为5分钟-10小时，断电停气，自然冷却至室温。本专利技术提供的碳纳米管和碳的复合材料具体制备方法包括的步骤 将碳纳米管纤维按常规方法加工成确定形状的预制体，预制体置于电加热沉积装置内两电极之间，通氩气1-4 h排除石英管内的空气，打开电源，电压设置为5-35 V，对预制体通电加热，控制预制体温度650-1200 ° C，采用氩气(流量20-40 sccm)为载气，将正己烷、乙醇载入石英管，石英管内的气压为5-101 kPa，热解，将碳化硅沉积于预制体，沉积时间为5分钟-10小时，断电停气，自然冷却至室温。采用电加热化学气相沉积法，热解含碳前驱体将碳沉积于宏观碳纳米管预制体，形成碳纳米管和碳的复合材料。采用电加热法可局域快速均匀加热碳纳米管宏观体，通过化学气相沉积将碳快速高效沉积于碳纳米管宏观体制备碳纳米管和碳的复合材料。该复合材料中碳分布在碳管束间或均匀包裹碳纳米管。用电加热瞬间至高温较短时间沉积可获得较高密度的复合材料。本专利技术利用碳纳米管宏观体为预制体，通过对碳纳米管纤维和碳纳米管膜进行各种取向的编织，形成不同碳纳米管构造的碳纳米管宏观体，通过化学气相沉积碳，制备具有各种碳纳米管含量，特定取向和均匀分散的碳纳米管和碳的复合材料。以这些不同形态和尺度的碳纳米管宏观体为预制体通过化学气相沉积碳可制备出纤维、薄膜和块体碳纳米管和碳的复合材料。进而获得多种力学和电学性能的碳纳米管和碳的复合材料，可作为高性能复合材料、导电导热材料和功能材料用于航空航天、国防装备和功能材料器件等领域。附图说明图1为本专利技术电加热沉积装置示意图。图2为实例I电加热碳纳米管纤维光学照片。图3为实例I碳纳米管和碳复合纤维的扫描电镜照片。图4为实例2碳纳米管和碳复合纤维的扫描电镜照片。图5为实例2碳纳米管和碳复合纤维拉曼光谱图。图6为实例4碳纳米管和碳复合材料的扫描电镜照片。图7为实例5碳纳米管和碳复合材料的扫描电镜照片。图8为实例10碳纳米管和碳复合材料的扫描电镜照片。图9为实例11碳纳米管和碳复合材料的扫描电镜照片。 图10为实例14碳纳米管和碳复合材料的扫描电镜照片。具体实施例方式下面结合实施例作进一步描述，但不以此限制本专利技术的保护范围 图1电加热沉积装置示意图，其中，I流量计；2开关；3含碳前驱体；4石英管；5碳纳米管宏观体；6石墨电极；7导线；8聚四氟法兰。电加热沉积装置由反应器、电源和管路组成。反应器为石英管4两端用聚四氟法兰8密封，中部安装两个石墨电极6，用于固定碳纳米管宏观体5和加载电压，电极接外部稳压稳流直流电源。通过流量计I调节本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纳米管和碳的复合材料，其特征在于它是碳纳米管和碳复合而成，碳纳米管的质量分数为0.5?95%；制备方法为以碳纳米管宏观体为预制体，采用化学气相沉积法，热解含碳前驱体将碳沉积于宏观碳纳米管预制体，形成碳纳米管和碳的复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米管和碳的复合材料，其特征在于它是碳纳米管和碳复合而成，碳纳米管的质量分数为0. 5-95% ;制备方法为以碳纳米管宏观体为预制体，采用化学气相沉积法，热解含碳前驱体将碳沉积于宏观碳纳米管预制体，形成碳纳米管和碳的复合材料。2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述的碳纳米管的质量分数为5-95%。3.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述的碳纳米管是单壁碳纳米管，双壁碳纳米管，多壁碳纳米管的一种或几种的混合。4.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述的碳纳米管宏观体是碳纳米管纤维，碳纳米管纤维构成的预制体或碳纳米管膜构成的预制体。5.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述的碳是低织构热解碳，中等织构热解碳或高织构热解碳的一种或几种的混合。6.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述的含碳前驱体为碳氢化合物，碳氧化合物或碳氢氧化合物中的一种或几种的混合物。7.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述的沉积碳的温度为500-15000C08.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李亚利，冯雷，康艳茹，梁骥，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：