具有碳纳米管成长于其上的碳纤维基板及其制造方法技术

本文涉及了用于在碳纤维基板上成长碳纳米管的方法。该方法包含：于碳纤维基板上沉积触媒前驱物，可选地在所述碳纤维基板上沉积非触媒材料，且在沉积触媒前驱物与可选的非触媒材料之后，使所述碳纤维基板暴露于碳纳米管成长条件，于碳纤维基板上成长碳纳米管。该碳纳米管成长条件可使所述触媒前驱物转化为一种可运作用于成长碳纳米管的触媒。当碳纳米管正在成长时，碳纤维基板可保持为静止或是可被运送。可选地，所述碳纤维基板上可包含阻障涂层和/或不含上浆剂。本文还提供了具有碳纳米管成长于其上的碳纤维基板。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交互参照本申请基于35。5丄119主张在2010年9月22日所申请之美国临时申请案序号61/385，532的优先权，其通过引用形式而整体并入本文。本申请也与2009年11月2日申请的美国专利申请序号12/611，101号有关，其也通过引用形式而整体并入本文。关于联邦资助研究或发展的声明不适用。本专利技术的领域本专利技术一般涉及碳纳米管，且更具体地，涉及碳纳米管成长。背景碳纳米管因其大的有效表面积、机械强度、以及导热性与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碳纤维基板上的碳纳米管。当成长于碳纤维基板上时，碳纤维基板的特性可通过碳纳米管而提升。例如，当碳纳米管成长于其上时，碳纤维基板的机械强度可被提升，且碳纤维基板可变为具导电性。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，触媒为金属纳米粒子，特别是零价过渡金属纳米粒子。本领域中现有数种合成碳纳米管的方法，包括:例如微腔式、热或电浆增强之化学气相沉积(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，这类用于合成碳纳米管的方法包含在适合碳纳米管成长的条件下产生反应性的气相碳物种。碳纳米管在固体基板上的合成可使用许多这种技术来实施。然而，在所述领域中要在碳纤维基板上成长碳纳米管是非常困难的。对于此努力的一项主要阻碍为要在金属纳米粒子前驱物中溶解足够大量的反应性气相碳物种以支持碳纳米管成长的困难性。不同于其它类型的基板(例如金属、玻璃等)，碳纤维基板与反应性气相碳物种都是由碳组成的，这大幅增加了其彼此之间的交互作用，并且使得反应性气相碳物种较不能溶解于金属纳米粒子中而促进碳纳米管成长。此外，在金属纳米粒子与碳纤维基板之间不需要的交互作用会进一步限制反应性气相碳物种扩散至金属纳米粒子中的能力，进而妨碍碳纳米管成长。鉴于前述，在所述领域中用于在碳纤维基板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:于碳纤维基板上沉积触媒前驱物；于所述碳纤维基板上沉积非触媒材料；以及在沉积所述触媒前驱物与所述非触媒材料之后，使所述碳纤维基板暴露于碳纳米管成长条件，以于所述碳纤维基板上成长碳纳米管。碳纳米管成长条件使所述触媒前驱物转化为一种可运作用于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碳纤维基板上沉积触媒前驱物，所述碳纤维基板不含上浆剂；于所述碳纤维基板上沉积非触媒材料；在沉积所述触媒前驱物与所述非触媒材料之后，使所述碳纤维基板暴露于碳纳米管成长条件，以于碳纤维基板上成长碳纳米管；以及在所述碳纳米管正在成长时运送所述碳纤维基板。所述非触媒材料是在所述触媒前驱物之前、之后或与其同时沉积。碳纳米管成长条件系使所述触媒前驱物转化为一种可运作用于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:提供碳纤维基板，所述碳纤维基板为不含上浆剂且具有沉积于其上的阻障涂层；于所述阻障涂层上沉积触媒前驱物；在沉积所述触媒前驱物之后，使所述碳纤维基板暴露于碳纳米管成长条件，以于所述碳纤维基板上成长碳纳米管；以及在所述碳纳米管正在成长时运送所述碳纤维基板。所述阻障涂层是选自由烷氧基硅烷、烷基硅氧、铝氧烷、铝纳米粒子、旋涂玻璃、玻璃纳米粒子及其组合所组成的组；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用于成长碳纳米管的触媒。根据本专利技术的具体实施例，本文说明了一种具有成长于其上的碳纳米管的碳纤维基板，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IB显示碳纤维基板的示例性SEM影像，所述碳纤维基板与非触媒硝酸铝材料一起沉积在非触媒玻璃材料的中间层上的醋酸铁触媒前驱物涂布；图1C显示碳纳米管的示例性SEM影像，所述碳纳米管在温度为650摄氏度、直线速度为2ft/min的连续化学气相沉积条件下使用醋酸铁触媒前驱物在碳纤维基板上成长，其中所述醋酸铁触媒前驱物是与非触媒硝酸铝材料一起沉 积在非触媒玻璃材料的中间层上；图1D显示在温度为750摄氏度、直线速度为2ft/min的连续化学气相沉积条件下使用醋酸铁触媒前驱物在碳纤维基板上成长的碳纳米管的示例性SEM影像，其中所述醋酸铁触媒前驱物是与非触媒硝酸铝材料一起沉积在非触媒玻璃材料的中间层上；图2A与2B显示在温度为650摄氏度、直线速度为2ft/min的连续化学气相沉积条件下，使用醋酸铁触媒前驱物在碳纤维基板上成长碳纳米管的示例性SEM影像，其中醋酸铁触媒前驱物是沉积在非触媒玻璃材料的中间层上；图3显示在温度为750摄氏度、直线速度为2ft/min的连续化学气相沉积条件下，使用醋酸铁触媒前驱物在碳纤维基板上成长碳纳米管的示例性SEM影像，其中醋酸铁触媒前驱物是与非触媒硝酸招材料一起沉积在一层非触媒玻璃材料下方；图4显示在温度为675摄氏度、直线速度为2ft/min的连续化学气相沉积条件下，使用醋酸铁触媒前驱物在碳纤维基板上成长碳纳米管的示例性SEM影像，其中醋酸铁触媒前驱物是与非触媒硝酸铝材料及非触媒玻璃材料一起沉积；以及图5显示在温度为750摄氏度、直线速度为2ft/min的连续化学气相沉积条件下，使用硝酸铁触媒前驱物在碳纤维基板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硝酸招材料一起沉积在一层非触媒玻璃材料下方。具体实施例方式本专利技术一方面提供了一种用于在碳纤维基板上成长碳纳米管的方法。本专利技术另一方面提供了一种具有通过本专利技术的碳纳米管成长方法所产生的成长逾其上的碳纳米管的碳纤维基板。碳纳米管已经被证实在利用其独特结构与特性的优点(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。当成长于碳纤维基板上时，碳纳米管与碳纤维基板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碳纤维基板。可使用这类碳纤维的应用包括例如:复合材料、电池和超级电容器等。尽管通过在碳纤维基板上成长碳纳米管可以实现可能的效益，但是已经证实这类成长在所述领域中是特别困难的。如前所述，且不受理论或机制所限制，相信此困难性可起因于因反应性气相碳物种与碳纤维基板之间、或是金属纳米粒子与碳纤维基板之间的不想要的交互作用。不想要的基板交互作用会使反应性气相碳物种无法用于碳纳米管成长，或是会严重限制成长速率。这种低成长速率可能不适合用于碳纤维基板上的碳纳米管的商业生产，特别是在碳纳米管成长期间运送碳纤维基板以增进产量的情况中。为了支持碳纤维基板上的碳纳米管高产量合成所需的快速成长速率，已经发现到可通过结合触媒材料使用非触媒材料和/或可选地阻障涂层来明显减少与碳纤维基板的交互作用。此外，已经发现到可于暴露于碳纳米管成长条件期间从简单金属盐类触媒前驱物原位形成活性触媒。根据本专利技术的具体实施例，成长于碳纤维基板上的碳纳米管可化学地或机械本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

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