[发明专利]碳纳米管片结构及其制造方法

说明书

包含具有至少0.05mm的中值长度和至少2,500∶1的长宽比的CNT的碳纳米管(CNT)片被布置为随机取向的均匀分布的图案，并且具有至少1gsm的基重和小于1.0的相对密度。CNT片如下制造：通过在过滤材料上的连续池中施加CNT悬浮液至足以防止CNT悬浮液在过滤材料的表面上混凝的深度，并且抽吸分散液体通过过滤材料，以提供均匀的CNT分散体并形成CNT片。CNT片可用于制备用于电磁波吸收，雷击损耗，EMI屏蔽，热界面垫，能量储存和散热的CNT复合材料层压体和结构。

技术领域

本发明一般涉及碳纳米管，更具体地涉及由碳纳米管形成材料和结构的方法。

背景技术

碳纳米管的独特机械性能可以用于开发基于纳米管的、高性能的结构和多功能纳米结构材料和装置。已经制成直径为几纳米且长度为几微米，以及长度达数毫米的碳纳米管。由于范德华力，在纳米管之间发生强的相互作用，这可能需要在由碳纳米管形成的材料和结构中良好的管分散、良好的管接触和高的管负载。

许多应用例如导电、导热和高性能纳米复合材料通过将纳米管预先形成为具有受控的纳米结构(分散、对准和负载)的网络或膜(厚度为5-200μm)而制成。这些膜还将使纳米管材料及其性质能够转移到大尺度材料中以便于处理。这些预成型纳米管网络在文献中也称为巴克纸。巴克纸通过将纳米管分散到悬浮液中并过滤所产生的悬浮液的多步骤过程来制备。所生产的巴克纸可以容易地处理，类似于常规的表面罩或玻璃材料。然而，纳米管膜的所有现有制造技术是不连续或间歇工艺，并且只能产生少量和非常短的膜材料，这对于纳米管膜的未来实际应用是严重的障碍。

目前的不连续或间歇技术只能通过过滤纳米管悬浮液来制备纳米管膜材料，并且尺寸受到过滤器尺寸的限制。在这些技术中，首先通过选择的表面活性剂和超声处理制备良好分散的纳米管悬浮液。然后，使用具有0.1μm至2μm孔径的过滤膜的过滤系统，在真空或压力的帮助下过滤所制备的悬浮液。在过滤期间，纳米管沉积在过滤膜的表面上以形成纳米管网络。过滤后，可以将制得的纳米管膜或巴克纸从过滤膜上剥离。生产大量的巴克纸需要频繁更换过滤器。当前的方法使用许多过滤器来完成过滤并且限于一件一件地制造巴克纸，这是耗时的、昂贵的并且也难以确保一致的产品质量。更重要的是，由于过滤器尺寸的限制，产品膜具有有限的长度(通常小于1英尺)。

美国专利7,459,121描述了连续生产纳米管或其它纳米级纤维的网络的方法，其通过引用整体并入本文。该方法包括制备分散在液体介质中的纳米级纤维的悬浮液，以及通过使过滤膜移动通过悬浮液来过滤悬浮液，使得当流体介质流过过滤膜时，纳米级纤维直接沉积在过滤膜上，从而形成纳米级纤维的连续膜。在一个实施例中，纳米级纤维的沉积发生在过滤膜移动与静态多孔过滤元件接触的时候和地方。在另一实施例中，纳米级纤维的沉积发生在过滤膜移动与动态多孔过滤元件接触的时候和地方。例如，过滤元件可以是旋转元件，其被机械地驱动以旋转并且至少部分地帮助移动过滤元件跨越过滤元件。其中描述的碳纳米管优选是单壁碳纳米管，并且描述为可从诸如Carbon Nanotechnologies，Inc.(Houston，TX，USA)的公司商购获得。尽管在本专利中没有描述这种碳纳米管的长度，但是由Carbon Nanotechnologies，Inc.生产的碳纳米管的长度被理解为在小于0.01mm(小于50微米)的范围内。美国专利7,459,121中描述的设备不被认为是可商购的。

美国专利7,955,535描述了形成小直径SWCNT和较大直径MWCNT(或CNF)的悬浮液并过滤悬浮液以除去液体，其内容通过引用整体并入本文。

美国专利8,351,220描述了一种纳米级纤维膜，其包括具有约20-50gsm的面密度(基重)和约5至100微米的厚度的巴克纸，其内容通过引用整体并入本文。