[发明专利]水平定向碳纳米管阵列及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料制备技术领域，特别是涉及水平定向碳纳米管阵列及其制备方法。

背景技术

水平定向碳纳米管（CNT）阵列易于碳纳米管定位，由于其消除了因碳纳米管之间交叉的影响，特别适合器件的构成与集成，在碳纳米管电子器件等方面具有潜在的应用。

目前，制备水平定向碳纳米管主要有直接法和间接法两种。直接法包括：气流定向法，外加电磁场法以及基底晶格定向法等。气流定向法和外加电磁场法合成的水平定向碳纳米管阵列中碳纳米管种类不纯，含有很多的多壁碳纳米管，而且碳纳米管密度低，定向程度较差。并且直接制备水平定向单壁碳纳米管阵列的方法均需要在高温下进行，制备过程复杂，制备条件苛刻。

间接法主要有超顺排阵列纺丝法。清华大学范守善等人从超顺排多壁碳纳米管（MWCNT）垂直阵列利用纺丝技术纺出了平行排列的单层多壁碳纳米管（束）的水平阵列，进而制备出碳纳米管薄膜扬声器等。该方法的缺陷在于必须提供超顺排碳纳米管垂直阵列才能够实现制备单层多壁碳纳米管（束）的水平阵列。此外，相比于多壁碳纳米管，单壁碳纳米管（SWCNT）的导电属性较为单一，其在电子器件中有更重要的应用。由于目前还不能制备出超顺排单壁碳纳米管阵列，因此，该方法尚不能用来制备水平定向的单壁碳纳米管阵列。

发明内容

本发明的一个目的在于针对现有技术中存在的上述缺陷，提供一种新的水平定向碳纳米管阵列的制备方法。本发明的另一个目的是提供一种简单的水平定向碳纳米管阵列的制备方法。本发明还提供了一种水平定向碳纳米管阵列。

为了实现上述目的，本发明提供了一种水平定向碳纳米管阵列的制备方法，包括：

向由碳纳米管组成的集合体施加一拉伸力，在所述拉伸力的拉伸作用下，在所述集合体的表面的至少部分区域中形成定向排列的碳纳米管阵列；

将所述集合体置于一基底上，使所述定向排列的碳纳米管阵列与所述基底直接接触，朝着所述基底向所述集合体施加一压力，使得所述定向排列的碳纳米管阵列中的至少一部分附着在所述基底上；

从所述基底上移除所述集合体，从而在所述基底上得到水平定向单层碳纳米管阵列。

在一种实施方式中，所述集合体可以为具有一长度方向的绳或束状。优选地，所述集合体可以由自支撑的碳纳米管纤维形成，所述拉伸力包括沿所述长度方向施加的轴向拉伸力。在一种实施方式中，所述集合体可以由自支撑的碳纳米管薄膜卷制或拧制而成；所述拉伸力可以包括围绕所述长度方向施加的周向扭转力。优选地，所述碳纳米管薄膜可以具有取向方向，并且所述集合体的所述长度方向与所述碳纳米管薄膜的所述取向方向基本相同。

在一种实施方式中，在向所述集合体施加所述压力的同时还可以向所述集合体施加推力，以使得所述集合体在所述基底上滚动。

在一种实施方式中，所述集合体可以为具有平面表面的薄膜状或条带状，所述拉伸力可以包括沿着所述平面表面施加的拉力。所述集合体可以由自支撑的碳纳米管薄膜形成；优选地，所述碳纳米管薄膜可以具有取向方向，并且所述拉伸力与所述碳纳米管薄膜的所述取向方向基本相同。在一种实施方式中，所述拉伸力可以包括通过在所述集合体的所述平面表面上进行定向梳理或刷操作来提供的摩擦力。

在一种实施方式中，前述方法还可以包括：去除所述碳纳米管薄膜的自吸附性。可以将所述碳纳米管薄膜浸泡在易挥发性溶液中以去除其自吸附性。

本发明还提供了一种水平定向碳纳米管阵列，由前述的制备方法制成，其中，所述水平定向碳纳米管阵列可以为并行排列的单层碳纳米管或碳纳米管束，其排列密度至少为5根/μm。

本发明实施例至少存在以下技术效果：

1）与现有技术中采用直接法或间接法制备水平定向碳纳米管阵列相比，本发明的方法简单，易于推广，且制备过程快速高效，成品率高。

2）实施本发明方法所需的条件简易，在室温常规条件下进行即可。制备过程属于物理方法，无后续化学修饰影响，成本低廉，绿色环保。

3）本发明制备的碳纳米管阵列由单层碳管或管束构成，水平定向程度高，碳管密度较高，而且可以制备在任意（刚性或者柔性）基底上。

4）对于按照本发明的方法获得的水平定向碳纳米管阵列，其碳纳米管的壁层数量仅与所使用的原料有关。因此，可以用单壁碳纳米管的集合体来制备水平定向单壁碳纳米管阵列，这特别有利于在纳电子器件、能量存储器件、结构和功能复合材料等诸多领域的应用。