长有碳纳米管金属基材及其制造方法技术

本发明专利技术公开了用于在金属基材上成长碳纳米管的方法。该方法包含于金属基材上沉积触媒前驱物，选择性地在所述金属基材上沉积非触媒材料，且在沉积触媒前驱物与选择性的非触媒材料之后，使该金属基材暴露于碳纳米管成长条件，以于金属基材上成长碳纳米管。所述碳纳米管成长条件使所述触媒前驱物转化为一种可运作以成长碳纳米管的触媒。当碳纳米管正在成长时，金属基材可保持为静止、或是可正被运送。本发明专利技术还提供了长有碳纳米管的金属基材。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及碳纳米管，且更具体地，涉及碳纳米管成长。
技术介绍
碳纳米管因其高的机械强度、大的有效表面积以及导电性而被提出在许多应用中都有其实用性。这些应用中有许多都是特别适合于成长在金属基材上的碳纳米管。为合成碳纳米管，一般需要触媒来调和碳纳米管成长。最通常的情况，触媒为金属纳米颗粒，特别是零价过渡金属纳米颗粒。本领域现有数种合成碳纳米管的方法，包括例如微腔式、热或电浆增强的化学气相沉积(CVD)技术、雷射烧灼、电弧放电、火焰合成以及高压一氧化碳(HiPCO)技术。一般而言，这类合成碳纳米管的方法涉及在适合碳纳米管成长的条件下产生反应性的气相碳物种。碳纳米管在固体基材上的合成可使用许多这种技术来实施。通常情况下，固体基材可为耐热物质，例如，二氧化硅或氧化铝。然而，在该领域中要在金属基材上成长碳纳米管是非常困难的。关于此困难度存在有数种原因。首先，某些金属所具有的熔点是在碳纳米管一般会成长的温度范围中(例如约550摄氏度至约800摄氏度)，因此造成金属基材会受到热破坏。这类金属基材的一项示例性实例是铝(熔点为660摄氏度)。破坏会包括例如熔化、破裂、翘曲、孔蚀与薄化，特别是在薄金属基材中。即使是在所具熔点超过碳纳米管成长温度的金属基材中，对碳纳米管成长条件的延长暴露也会因形成类似热破坏形式而影响金属基材的结构整体性。更甚者，金属触媒与金属基材之间的交互作用会严重限制碳原子扩散至金属触媒中，因而明显抑制或阻碍碳纳米管成长。鉴于前述，在该领域中用于在金属基材上成长碳纳米管的可靠方法是有利益的。本专利技术满足了此需求，同时也提供了相关优点。
技术实现思路
根据本专利技术的具体实施例，本文所述的碳纳米管成长方法包括于金属基材上沉积触媒前驱物；于该金属基材上沉积非触媒材料；以及在沉积该触媒前驱物与该非触媒前驱物之后，使该金属基材暴露于碳纳米管成长条件，以于该金属基材上成长碳纳米管。碳纳米管条件使该触媒前驱物转化为一种可运作以成长碳纳米管的触媒。根据本专利技术的具体实施例，本文所述的碳纳米管成长方法包含在金属基材上沉积触媒前驱物，该金属基材具有的熔点约为800摄氏度或更低；以及在沉积该触媒前驱物之后，使该金属基材暴露于碳纳米管成长条件，以于金属基材上成长碳纳米管。碳纳米管条件使该触媒前驱物转化为一种可运作以成长碳纳米管的触媒。根据本专利技术的具体实施例，本文所述的碳纳米管成长方法包含沉积触媒前驱物于金属基材上；沉积非触媒材料于该金属基材上；在沉积该触媒前驱物与该非触媒材料之后，使该金属基材暴露至碳纳米管成长条件，以于该金属基材上成长碳纳米管；以及在所述碳纳米管正在成长时运送该金属基材。非触媒材料是在触媒前驱物的之前、之后或同时被沉积。碳纳米管成长条件将触媒前驱物转化为运作来成长碳纳米管的触媒。根据本专利技术的具体实施例，本文提供了一种具长有的碳纳米管的金属基材，所述碳纳米管是由本专利技术的碳纳米管成长方法制备而成。前文已经相当广泛地概述了本专利技术的技术特征，为了可以更好地理解，下文将详细描述。本专利技术的附加特征和优点将在下文中给予描述，这构成了所述权利要求的主题。附图说明为了更完整理解本专利技术及其优点，现将结合附图对本专利技术具体实施例进行详细描述作为参考，其中图1A与图1B显示了在温度为750摄氏度、历时5分钟的静态化学气相沉积条件下使用钯触媒在铜基材上成长碳纳米管的示例性SEM影像；图2显示了在温度为750摄氏度、直线速度为lft/min的连续化学气相沉积条件下使用钯触媒在铜基材上成长的碳纳米管的示例性SEM影像(相当于I分钟的碳纳米管成长时间)；图3A与图3B显示了在温度为750摄氏度、历时5分钟的静态化学气相沉积条件下使用铁纳米颗粒触媒在铜基材上成长碳纳米管的示例性SEM影像，其中铁纳米颗粒触媒是沉积于非触媒层的Accuglass T-1lSpin-On Glass上方；图4A与图4B显示了在温度为750摄氏度、历时30分钟的静态化学气相沉积条件下使用铁纳米颗粒触媒在铜基材上成长碳纳米管的示例性SEM影像，其中铁纳米颗粒触媒是沉积于非触媒层的Accuglass T-1lSpin-On Glass下方；图5A与图5B显示了在温度为800摄氏度、直线速度为2ft/min的连续化学气相沉积条件下使用铁纳米颗粒触媒在不锈钢线网基材上成长碳纳米管的示例性SEM影像(相当于30秒的碳纳米管成长时间)，其中铁纳米颗粒触媒是沉积于非触媒层的AccuglassT-1lSpin-On Glass 下方；图6A与图6B显示了在温度为750摄氏度、历时5分钟的静态化学气相沉积条件下使用硝酸铁触媒前驱物在铜基材上成长碳纳米管的示例性SEM影像，其中硝酸铁触媒前驱物是与非触媒的硝酸铝材料一起沉积；图7A与图7B显示了在温度为750摄氏度、历时I分钟的静态化学气相沉积条件下使用硝酸铁触媒前驱物在铝基材上成长碳纳米管的示例性SEM影像，其中硝酸铁触媒前驱物是与非触媒的硝酸铝材料一起沉积；图8A与图8B显示了在温度为580摄氏度、历时I分钟的静态化学气相沉积条件下使用硝酸铁触媒前驱物在铝基材上成长碳纳米管的示例性SEM影像，其中硝酸铁触媒前驱物是与非触媒的硝酸铝材料一起沉积；图9A与图9B显示了在温度为750摄氏度、直线速度为lft/min的连续化学气相沉积条件下使用硝酸铁触媒前驱物在铝基材上成长碳纳米管的示例性SEM影像(相当于I分钟的碳纳米管成长时间)，其中硝酸铁触媒前驱物是与非触媒的硝酸铝材料一起沉积；图10显示了在温度为550摄氏度、历时10分钟的连续化学气相沉积条件下使用硝酸铁触媒前驱物在铝基材上成长碳纳米管的示例性SEM影像；图1lA图与图1lB显示了在温度为550摄氏度、历时10分钟的连续化学气相沉积条件下使用醋酸铁/醋酸钴触媒前驱物在铝基材上成长碳纳米管的示例性SEM影像。具体实施例方式本专利技术为一方面涉及用于在金属基材上成长碳纳米管的方法。本专利技术另一方面涉及长有通过本专利技术的碳纳米管成长方法所产生的碳纳米管的金属基材。碳纳米管已经被证实在利用其独特结构与特性(包括例如大表面积、机械强度、导电性以及导热性)的数种应用中都有实用性。当成长于金属基材上时，碳纳米管与金属基材形成了一种复合架构，其有利地使碳纳米管的有益特性可被提供至金属基材。然而，在该领域中已经证实要在金属基材上成长碳纳米管是特别困难的。碳纳米管可传递至金属基材的益处中的一个非限制实例是，金属基材的机械特性可通过在金属基材上成长碳纳米管而提升。例如，这类金属基材由于其提升的抗裂韧性与抗疲劳性而对于结构性应用是特别有用处的。金属(包括例如铜、镍、钯、银、金与铝)具有面心立方(face centered cubic, fee)原子结构,其特别可承受疲劳破坏。特别是在这些金属，或是在具有fee原子结构的其它金属上成长碳纳米管会通过防止疲劳裂痕增生而显著地提升其机械强度，藉此增加金属在面临疲劳破坏之前所能进行的应力循环数。碳纳米管可传递至金属基材的益处中的一个非限制实例是金属基材的电气性质的提升。例如，作为电池中的集电器使用的金属薄膜在长有碳纳米管时可呈现出提升的集电特性。包含长有碳纳米管的金属基材也可作为超级电容器与其它电气组件中的电极使用。碳纳米管不仅可增进电极的导电性，它们也可增加整体电极表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.09.02 US 61/379,7131.一种碳纳米管成长方法，包含: 于金属基材上沉积触媒前驱物； 于所述金属基材上沉积非触媒材料；以及 在沉积所述触媒前驱物与所述非触媒前驱物之后，使所述金属基材暴露于碳纳米管成长条件，以于其上成长碳纳米管； 其中所述碳纳米管条件使所述触媒前驱物转化为可运作以成长碳纳米管的触媒。2.根据权利要求1所述的碳纳米管成长方法，进一步包含: 在所述碳纳米管正在成长时运送所述金属基材。3.根据权利要求1所述的碳纳米管成长方法，其中所述触媒前驱物是在所述非触媒材料之前沉积。4.根据权利要求1所述的碳纳米管成长方法，其中所述触媒前驱物是在所述非触媒材料之后沉积。5.根据权利要求1所述的碳纳米管成长方法，其中所述触媒前驱物是与所述非触媒材料同时沉积。6.根据权利要求1所述的碳纳米管成长方法，其中所述触媒前驱物包含过渡金属盐，所述过渡金属盐是选自由过渡金属硝酸盐、过渡金属醋酸盐、过渡金属柠檬酸盐、过渡金属氯化物、其水合物及其组合所组成的组。7.根据权利要求6所述的碳纳米管成长方法，其中所述过渡金属盐是选自由硝酸亚铁(II)、硝酸铁( III)、硝酸钴(II)、硝酸镍(II)、硝酸铜(II)、醋酸亚铁(II)、醋酸铁(III)、醋酸钴(III)、醋酸镍(II)、醋酸铜(II)、柠檬酸亚铁(II)、柠檬酸铁(III)、柠檬酸铁(III)铵、柠檬酸钴(II)、柠檬酸镍(II)、柠檬酸铜(II)、氯化亚铁(II)、氯化铁(II)、氯化钴(I I)、氯化镍(II)、氯化铜(II)、其水合物以及其组合所组成的组。8.根据权利要求1所述的碳纳米管成长方法，其中所述触媒前驱物是选自由氧化亚铁(FeO),三氧化二铁(Fe2O3)、四氧化三铁(Fe3O4)及其组合所组成的组。9.根据权利要求1所述的碳纳米管成长方法，其中所述非触媒材料是选自由铝盐或其水合物、玻璃、硅酸盐、硅烷及其组合所组成的组。10.根据权利要求9所述的碳纳米管成长方法，其中所述铝盐是选自由硝酸铝、醋酸铝、其水合物以及其组合所组成的组。11.根据权利要求1所述的碳纳米管成长方法，其中所述触媒前驱物与所述非触媒材料的每一个是自至少一种溶液沉积。12.根据权利要求11所述的碳纳米管成长方法，其中所述至少一种溶液包含水作为溶剂。13.根据权利要求11所述的碳纳米管成长方法，其中所述触媒前驱物与所述非触媒材料的每一个具有在所述至少一种溶液中介于约0.1mM及约1.0M间的浓度。14.根据权利要求11所述的碳纳米管成长方法，其中所述触媒前驱物与所述非触媒材料的每一个具有在所述至少一种溶液中介于约50mM及约1.0M间的浓度。15.根据权利要求11所述的碳纳米管成长方法，其中所述触媒前驱物与所述非触媒材料的每一个通过选自由喷涂、浸涂、滚轧涂布及其组合所组成的组中的技术而沉积。16.根据权利要求11所述的碳纳米管成长方法，其中所述非触媒材料对所述触媒前驱物的摩尔比率至多为约6:1。17.根据权利要求11所述的碳纳米管成长方法，其中所述非触媒材料对所述触媒前驱物的摩尔比率至多为约2:1。18.根据权利要求1所述的碳纳米管成长方法，其中所述触媒前驱物与所述非触媒材料包含在所述金属基材上的触媒涂层，所述触媒涂层具有介于约5纳米与约I微米之间的厚度。19.一种碳纳米管成长方法，包含: 沉积触媒前驱物于金属基材上； 其中所述金属基材具有的熔...

【专利技术属性】
技术研发人员：图沙·K·沙赫，布兰登·凯尔·马利特，吉加·M·帕特尔，
申请(专利权)人：应用奈米结构公司，
类型：
国别省市：