[发明专利]一种在钛合金遮光罩内部生长碳纳米管的均匀性控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在钛合金遮光罩内部生长碳纳米管阵列的方法。

背景技术

碳纳米管是一种长径比巨大的纳米材料，多壁碳纳米管本身呈现黑色。当碳纳米管形成规则的阵列结构，其间的纳米级孔道就具有了良好的吸光性能。即光子在远大于其运动自由程的碳纳米管阵列会被无数次反射，但无法从阵列中逸出。因此，将碳纳米管阵列均匀地生长在钛合金遮光罩的内部，含钛材料在钛含量大于70％时，这类超轻、超延展性与防腐蚀材料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。而其上面的碳纳米材料可以构成导热、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。

目前已经有多种方法进行碳纳米管阵列的生长，可以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，在其表面生成的碳纳米管结构包括非常整齐的垂直阵列结构。由于碳析出的结晶由温度决定，因此大部分碳纳米管的生长环境温度需要控制在600～1000℃。同时由于生长碳纳米管阵列需要非常平整的模板表面，其难度又高于生长聚团状碳纳米管结构的难度。一般来说，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。

同时，目前制备出的最大的碳纳米管阵列是在4～8英寸的平整硅片上，没有更大尺寸以及弯曲或复杂表面上的报道。主要难度在于制备炉中的气流场与温度场不均匀，颗粒浓度不可控。虽然有文献报道了可将20cm长铝箔卷曲为筒状，放在反应器内部生长碳纳米管阵列。但结构确定的钛合金材料结构不能任意弯曲，无法用此技术进行生长。

特别地，钛合金遮光罩是一个体积大，结构复杂的结构件，且而钛材料由于熔点低，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，几乎没有公开文献报道。

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遮光罩内部生长碳纳米管的均匀性控制方法，特别适用于在内腔大、金属壁薄、高温下易变形的钛合金遮光罩上进行碳纳米管沉积，从而获取具有良好吸光性能的碳纳米管遮光罩。

本发明的技术解决方案是：一种在钛合金遮光罩内部生长碳纳米管的均匀性控制方法，包括如下步骤：

(1)将钛合金遮光罩在500～700℃及工艺气存在条件下，热处理0.5～3小时，在钛合金遮光罩表面形成规则的含碳-钛化合物的突起，然后再在氧气或空气环境下300～500℃热处理0.5～5小时；所述的工艺气体，是乙醇与氢，氮，氩中的一种或以上的混合物，其中乙醇体积分数不低于50％；

(2)将步骤(1)得到的钛合金遮光罩浸入正硅酸乙酯或者钛酸乙酯纯液体中0.5～2小时后取出，然后向钛合金遮光罩内腔定向通入水或水蒸汽，并加热至100～150℃，在钛合金遮光罩内腔表面形成厚度为0.1～5微米的氧化硅或氧化钛层；

(3)将步骤(2)得到的钛合金遮光罩放入具有进料管的空腔反应器中，钛合金遮光罩四周均悬空支放，进料管伸入钛合金遮光罩内部，然后将空腔反应器加热至400～600℃；

(4)通过进料管将碳源与金属前驱体同时通入空腔反应器，在钛合金遮光罩内腔的不同部位分解并沉积碳纳米管阵列；所述的金属前驱体为铁、钴、镍的茂金属化合物、氯化物、硝酸盐或者羰基化合物；

(5)在反应器外侧同时施加等离子体场，反应0.2～20小时后停止通碳源，关闭升温系统，通入惰性气体，待降至室温后取出均匀生长碳纳米管后的钛合金遮光罩。

所述的碳源，是C1-C3的有机物、氢、惰性气体的混合物，其中C1-C3的有机物的质量分数为20～90％，氢的质量分数为10～20％，惰性气体的质量分数为0～70％，惰性气体包括氩，氮，氦。

所述步骤(1)中的突起的直径为0.01～0.5微米，高度为0.3～10微米，密度为100～200个/平方微米。

所述的空腔反应器直径是钛合金遮光罩直径的3～5倍。

所述空腔反应器的进料管的气体出口与钛合金遮光罩的距离为20～100毫米。