碳纖維膜及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種碳纖維膜及其制備方法，尤其涉及一種氣相生長(zhǎng)碳纖維膜及其制 備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 氣相生長(zhǎng)碳纖維（VaporGrownCarbonFibers,VGCFs)具有較高的比強(qiáng)度、比模 量和結(jié)晶取向度，而且具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱等性能，有著一般有機(jī)系碳纖維所達(dá)不到的性 能和用途。
[0003] 氣相生長(zhǎng)碳纖維一般通過(guò)催化裂解烴類(lèi)化合物，氣相沉積在過(guò)渡金屬如鐵、鈷、鎳 和其合金的超細(xì)微粒上而形成。氣相生長(zhǎng)碳纖維主要的制備方法是基體法?；w法是高溫 下把烴類(lèi)和氫的混合氣送入熱解爐反應(yīng)管中，管中預(yù)先放置了噴涂有催化劑金屬顆粒的基 板，CVD過(guò)程中基板上析出碳纖維。但是，基體法生產(chǎn)效率較低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)碳纖維的連續(xù)、批 量化生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，確有必要提供一種可以連續(xù)、批量化生長(zhǎng)碳纖維膜的制備方法及其碳 纖維膜。
[0005] -種碳纖維膜的制備方法，包括以下步驟：提供至少一碳納米管陣列；從所述至 少一碳納米管陣列中拉取獲得至少一碳納米管膜；提供一第一反應(yīng)室和一第二反應(yīng)室，將 所述至少一碳納米管膜依次穿過(guò)該第一反應(yīng)室和第二反應(yīng)室；向第一反應(yīng)室內(nèi)通入載氣和 碳源氣體，使第一反應(yīng)室內(nèi)的至少一碳納米管膜表面形成一碳層；以及將所述形成碳層的 至少一碳納米管膜導(dǎo)入所述第二反應(yīng)室內(nèi)，控制第二反應(yīng)室內(nèi)的溫度，使第二反應(yīng)室內(nèi)的 至少一碳納米管膜上的碳層石墨化，形成至少一碳纖維膜。
[0006] -種碳纖維膜的制備方法，包括以下步驟：提供至少一碳納米管陣列；從所述至 少一碳納米管陣列中拉取獲得至少一碳納米管膜；通過(guò)裂解一碳源氣體，在所述至少一碳 納米管膜上形成一碳層；以及加熱所述形成碳層的至少一碳納米管膜，使所述碳層石墨化， 形成至少一碳纖維膜。
[0007] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所提供的碳纖維膜的制備方法是先從一碳納米管陣列中 拉取一碳納米管膜，在該碳納米管膜上生長(zhǎng)碳層，然后使該碳層石墨化，獲得一碳纖維膜。 本發(fā)明可以一邊從碳納米管陣列中拉取碳納米管膜，一邊在該碳納米管膜上生長(zhǎng)碳層并石 墨化該碳層，實(shí)現(xiàn)碳纖維膜的連續(xù)、批量化生產(chǎn)。利用所述制備方法所制備的碳纖維膜具有 良好的導(dǎo)電性能和機(jī)械性能。
【附圖說(shuō)明】
[0008] 圖1為本發(fā)明第一實(shí)施例提供的碳纖維膜的制備方法的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0009] 圖2為本發(fā)明第一實(shí)施例提供的碳納米管膜的掃描電鏡照片。
[0010] 圖3為本發(fā)明第二實(shí)施例提供的碳纖維膜的制備方法的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011] 圖4為本發(fā)明第三實(shí)施例提供的碳纖維膜的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012] 主要元件符號(hào)說(shuō)明
如下【具體實(shí)施方式】將結(jié)合上述附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
【具體實(shí)施方式】
[0013] 下面將結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提供的碳纖維膜的制備方法作進(jìn)一步的 詳細(xì)說(shuō)明。
[0014] 請(qǐng)一參見(jiàn)圖1，本發(fā)明第一實(shí)施例提供一種碳纖維膜50的制備方法，包括以下步 驟： S10,提供一碳納米管陣列10 ; S20,從所述碳納米管陣列10中拉取獲得一碳納米管膜20,將該碳納米管膜20依次穿 過(guò)一第一反應(yīng)室30和一第二反應(yīng)室40 ; S30,向第一反應(yīng)室30內(nèi)通入載氣和碳源氣體，并控制溫度，使第一反應(yīng)室30內(nèi)的碳納 米管膜20上形成一碳層52,獲得一碳納米管復(fù)合膜； S40,將所述碳納米管復(fù)合膜導(dǎo)入所述第二反應(yīng)室40內(nèi)，控制溫度，使第二反應(yīng)室40內(nèi) 的碳納米管膜20上的碳層52石墨化，獲得一碳纖維膜50。
[0015] 步驟S10中，所述碳納米管陣列10優(yōu)選為超順排碳納米管陣列10,該超順排的碳 納米管陣列10的制備方法采用化學(xué)氣相沉積法，其具體包括以下步驟：（a)提供一平整生 長(zhǎng)基底12,該生長(zhǎng)基底12可選用P型或N型硅生長(zhǎng)基底12,或選用形成有氧化層的硅生長(zhǎng) 基底12,本發(fā)明實(shí)施例優(yōu)選為采用4英寸的硅生長(zhǎng)基底12 ; (b)在生長(zhǎng)基底12表面均勻形 成一催化劑層，該催化劑層材料可選用鐵（Fe)、鈷（Co)、鎳（Ni)或其任意組合的合金之一； (c)將上述形成有催化劑層的生長(zhǎng)基底12在700°C~900°C的空氣中退火約30分鐘~90分 鐘；（d)將處理過(guò)的生長(zhǎng)基底12置于一反應(yīng)爐中，在保護(hù)氣體環(huán)境下加熱到500°C~740°C， 然后通入碳源氣體反應(yīng)約5分鐘~30分鐘，生長(zhǎng)得到碳納米管陣列10。該碳納米管陣列10 為多個(gè)彼此平行且垂直于生長(zhǎng)基底12生長(zhǎng)的碳納米管形成的純碳納米管陣列10。通過(guò)上 述控制生長(zhǎng)條件，該定向排列的碳納米管陣列10中基本不含有雜質(zhì)，如無(wú)定型碳或殘留的 催化劑金屬顆粒等。本實(shí)施例中碳源氣可選用乙炔等化學(xué)性質(zhì)較活潑的碳?xì)浠衔铮Ｗo(hù) 氣體可選用氮?dú)?、氨氣或惰性氣體。
[0016] 步驟S20中，采用一拉伸工具從所述碳納米管陣列10中拉取碳納米管獲得一碳納 米管膜20,其具體包括以下步驟：（a)從所述碳納米管陣列10中選定一個(gè)或多個(gè)碳納米管， 優(yōu)選為采用具有一定寬度的膠帶、鑷子或夾子接觸碳納米管陣列10以選定一個(gè)或多個(gè)碳 納米管；（b)以一定速度拉伸該選定的碳納米管，從而形成首尾相連的多個(gè)碳納米管片段， 進(jìn)而形成一連續(xù)的碳納米管膜20。該拉伸方向沿基本垂直于碳納米管陣列10的生長(zhǎng)方向。
[0017] 在上述拉伸過(guò)程中，該多個(gè)碳納米管片段在拉力作用下沿拉伸方向逐漸脫離生長(zhǎng) 基底12的同時(shí)，由于范德華力作用，該選定的多個(gè)碳納米管片段分別與其它碳納米管片段 首尾相連地連續(xù)地被拉出，從而形成一連續(xù)、均勻且具有一定寬度的碳納米管膜20。
[0018] 該碳納米管膜20的寬度與碳納米管陣列10的尺寸有關(guān)，該碳納米管膜20的長(zhǎng)度 不限，可根據(jù)實(shí)際需求制得。當(dāng)該碳納米管陣列10的面積為4英寸時(shí)，該碳納米管膜20的 寬度為〇. 5納米~10厘米，該碳納米管膜20的厚度為0. 5納米~10微米。
[0019] 請(qǐng)參見(jiàn)圖2,所述碳納米管膜20包括多個(gè)均勻分布且通過(guò)范德華力首尾相連的碳 納米管，該多個(gè)碳納米管沿同一方向擇優(yōu)取向排列，且平行于碳納米管膜20的表面。該多 個(gè)碳納米管包括單壁碳納米管、雙壁碳納米管及多壁碳納米管中的一種或多種。所述單壁 碳納米管的直徑為〇. 5納米至50納米，所述雙壁碳納米管的直徑為1. 0納米至50納米，所 述多壁碳納米管的直徑為1. 5納米至50納米。所述碳納米管膜20還可以為由碳納米管組 成的純結(jié)構(gòu)。
[0020] 所述碳納米管膜20為一自支撐結(jié)構(gòu)。所述自支撐為碳納米管膜20不需要大面積 的載體支撐，而只要相對(duì)兩邊提供支撐力即能整體上懸空而保持自身層狀狀態(tài)，即將該碳 納米管膜20置于(或固定于)間隔一固定距離設(shè)置的兩個(gè)支撐體上時(shí)，位于兩個(gè)支撐體之間 的碳納米管膜20能夠保持自身層狀狀態(tài)。
[0021] 所述第一反應(yīng)室30具有相對(duì)設(shè)置的一第一進(jìn)口 32和一第一出口 34,所述第二反 應(yīng)室40具有相對(duì)設(shè)置的一第二進(jìn)口 42和一第二出口 44。將所述碳納米管膜20利用拉伸 工具依次穿過(guò)第一反應(yīng)室30和第二反應(yīng)室40,并固定于一支撐軸60上?？梢岳斫猓鎏?納米管膜20的一端固定于所述支撐軸60,另一端連接于所述碳納米管陣列10,且該碳納米 管膜20穿過(guò)整個(gè)第一反應(yīng)室30和第二反應(yīng)室40,如圖1所示。所述支撐軸60具有一軸 心，支撐軸60可繞其軸心自轉(zhuǎn)，該支撐軸60轉(zhuǎn)動(dòng)可以將碳納米管膜20卷繞在該支撐軸60 上。可以理解，所述支撐軸60也可以和一電機(jī)連接，以便所述支撐軸60實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0022] 步驟S30中，第一反應(yīng)室30內(nèi)的碳納米管膜20上生長(zhǎng)一碳層52的具體過(guò)程為： S31，向第一反應(yīng)室30內(nèi)通入載氣； 532, 向第一反應(yīng)室30內(nèi)通入碳源氣體；以及 533, 加熱所述第一反應(yīng)室30,使該第一反應(yīng)室30內(nèi)的溫度達(dá)到800°C~1000°C，所述碳 源氣體發(fā)生裂解形成碳，并沉積在所述碳納米管膜20上形成碳層52。
[0023] 步驟S31中，所述載氣的作用是凈化第一反應(yīng)室30,使第一反應(yīng)室30具有一個(gè) 純凈的環(huán)境。所述載氣包括氮?dú)?、氨氣或惰性氣體，比如氬氣等。所述載氣的體積流量為 50sccm(標(biāo)況毫升每分）~100sccm。
[0024] 步驟S32中，所述碳源氣體為碳?xì)浠衔?，比如烴、炔等，所述碳源氣體的體積流 量為 20