[发明专利]一种在钛合金基底上控制碳纳米管生长定向性的方法

说明书

一种在钛合金基底上控制碳纳米管生长定向性的方法，包括在钛合金基底表面镀上适当厚度的氧化物层，然后再镀上过渡金属层。通过氧化物层的厚度来控制钛合金表面的平整性，通过过渡金属层厚度来控制生成碳纳米管的金属颗粒的密度以及生成碳纳米管的密度，从而达到钛合金基底上控制良好碳纳米管定向性的目的。本方法可适用于平面、曲面或者平面与曲面组合的各种复杂形状的钛合金器件，生长长度0.01～0.5cm，曲折因子1.1～1.001的定向碳纳米管束，具有操作成本低，器件质量高，吸光率高的优点。

技术领域

本发明涉及一种在钛合金基底上定向生长碳纳米管阵列的方法。

背景技术

碳纳米管是一种直径为0.6～100nm，长度1微米至50厘米的具有超大长径比、优异导电、导热及优良机械性能的材料，是未来纳米基件，化学传感器，催化剂载体，高分子的导电增强填加剂，具有非常广泛的用途。特别地，当大量细而长的碳纳米管沿轴向平行排列时，可形成碳纳米管阵列。不同碳纳米管之间的距离为数十纳米至1微米，从而在轴向形成规则的孔道。这种黑体材料具有了优异的吸光性质，从而发展出聚光吸热或特殊环境下隐形的特性。

碳纳米管可以由化学气相沉积的方法，在高温下裂解碳源制得。长期以来使用的载体或模板多为金属氧化物(如氧化铝，氧化硅，氧化镁)与硅基等材料，生成的碳纳米管结构包括非常整齐的垂直阵列与毛线团状结构。由碳析出的结晶温度决定，大部分碳纳米管生长环境的温度需要控制在600～1000℃。同时生长碳纳米管阵列又难于毛线团状结构，因为其需要非常平整的模板表面。普通机械加工的金属表面都有微米级高度的沟槽，很难满足生长碳纳米管阵列的要求。

含钛材料(钛含量大于70％)时，具有超轻、超延展性与防腐蚀等优点，在许多对重量有严格要求的飞行器与机动车等领域具有不可替代的功能。如果可以其表面实现碳纳米材料层，可以构成导热，导电，吸光，吸波，极端化学环境下的微量检测与压力传感等多功能用途。因此，具有非常大的应用空间与领域拓展可能性。但钛材料由于熔点低，金属价键态与碳的浸润性不好等本质问题，一直是国际学术界与产业界认为的生长碳纳米管的禁区，不但没有直接生长定向性很好的碳纳米管阵列的公开报道，甚至连生长倒伏状以及聚团状的碳纳米管的报道也没有。曾有报道针对低熔点金属制造碳纳米管的难题，开发了电镀法，将纳米铁颗粒镀在20cm长的铝箔上，将其卷绕，于2008年制得大面积的阵列，同时与基底具有很好的结合力。但由于钛表面无法直接利用电镀法镀铝，该技术也不能直接适用于钛合金基底生长定向性很好的碳纳米管。同时，常规方法加工的钛合金基底粗糙度大，也远远达不到生长定向好碳纳米管的要求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种在钛合金基底上控制碳纳米管生长定向性的方法，通过在含钛材料表面利用各类蒸镀技术形成隔离层，通过隔离层的厚度控制，既可以改变沉积碳的界面性质，也可以降低钛合金基底粗糙度。然后再沉积金属生长出直径均匀，长度一致以及不同位置空隙率相同的碳纳米管阵列。

本发明的技术解决方案是：一种在钛合金基底上控制碳纳米管生长定向性的方法，包括如下步骤：

(1)在钛合金基底表面上镀金属氧化物层；所述的金属氧化物包括氧化铝、氧化镁或者氧化硅；

(2)在含金属氧化物层的钛合金基底上负载金属催化剂；所述的金属催化剂包括铁、钴、镍、铜、锰或者钼；

(3)将步骤(2)得到的钛合金基底放入反应器中，通入含氢气体，在250～600℃下热处理1～8小时；

(4)将含氢气体切换为含碳源的气体，在500～700℃下反应0.5～10小时；

(5)关闭含碳源气体，通入惰性气体，将钛合金器件冷却至室温后取出。

所述步骤(1)中在钛合金基底表面上镀金属氧化物层的方法为：如果钛合金基底为纯平面结构，则采用步骤(21)～(23)，如果钛合金基底为曲面或者为平面与曲面结合的结构，则采用步骤(24)～(26)，