[发明专利]复合层、其制造方法及其用途

说明书

通过电沉积形成碳纳米管和诸如铜的金属的复合层。该层的厚度至少为10μm。碳纳米管分布在整个层中，并且以至少0.001vol％且至多65vol％的体积分数存在于该层中。体积分数基于金属和碳纳米管的总体积，并且不包括任何孔体积。碳纳米管基本上均匀地镀有金属。复合层的密度比满足其中ρ_层是厚度至少为10μm的复合层的堆积密度，包括复合层中存在的任何空隙，ρ_金属是金属的体积质量密度材料特性。该复合层在蒸发冷凝设备中用作电化学装置或电铸工艺中的活性材料层。

背景技术

发明领域

本发明涉及复合层、该复合层的制造方法以及该复合层的用途。本发明特别适用于由可电镀的金属和碳纳米管形成的复合材料。

相关技术

已知电镀在集成电路、磁记录设备和其他应用中用于沉积金属、合金、陶瓷和复合膜。改进的工艺条件控制使电镀能够作为许多耐用的微机电系统(MEMS)制造工艺的一部分，以微米级进行电镀，这些工艺通常使用铜、镍或金来镀上光刻图案化的微结构。具体而言，LIGA[Bley(2013)]已用于在具有亚微米结构细节、几微米的横向尺寸、数千微米厚度的大面积上同时制造大量高精度微尺度组件(齿轮、轴承、电动机、涡轮、喷嘴、致动器、传感器等)。在这些规模上，电铸的主要缺点——沉积速率和厚度不受限制。但是，已证明了将LIGA扩展到毫米级的3D制造过程中[Jing et al.(2007)]成本过高且缓慢。

各种电化学添加剂可以进一步改善控制电铸零件的局部沉积和材料性能。具体地，在流平高的区域中，通过流平剂可降低镀覆速率，通过抑制剂可提高沉积均匀性。电化学添加剂也可用于减少残余应力并改善沉积的晶粒结构，从而改善材料性能。各种纳米颗粒还可以充当添加剂，并整合到沉积的薄膜中以形成纳米复合材料。这些已被证明可以提高硬度和抗腐蚀性[Low et al.(2006)]。一般而言，纳米复合材料具有潜在的吸引力，因为它潜在地具有更高的强度、刚度和断裂伸长率[Chai et al.(2008)]。电镀复合材料可以表现出更高的载流能力[Subramaniam et al.(2013)]和导热率[Subramaniam et al.(2014)]。通过将铜电镀到预组装的碳纳米管上来制造这种复合材料。

电铸是采用电镀的首批生产工艺之一，可用于通过电沉积涂覆芯轴或铸模并随后分离沉积金属来生产坚固的3D零件，形成独立零件。电铸因其高保真度和生产各种级别的长度的复杂零件的能力而在工业上得到了广泛的应用。在大规模应用中，电铸避免了加工薄壁零件(例如飞机机翼蒙皮)的成本和困难，而在小规模应用中，由于其较大的尺寸容差和复制亚微米级表面细节的能力，因此可以制造出极其精确的零件(例如CD、DVD和蓝光光盘复制品)。电铸也可应用于连续工艺，并用于生产连续和穿孔的箔和丝网。

Lee等人(2011)公开了一种电泳沉积工艺，其中形成了碳纳米管和铜纳米颗粒的相互连接的类似蚁巢的网络。铜纳米颗粒主要在碳纳米管交叉和边缘接触位置处成核并生长。网络附着在碳纤维上形成。

Arai等人(2004年)公开了一种形成镍沉积的多壁碳纳米管(MWCNT)粉末的方法。镀镍浴中具有均匀分散的MWCNT。所形成的结构被描述为“串状饺子结构”，其中沉积的Ni颗粒被碳纳米管串起。

Arai等人(2010年)公开了通过电沉积形成由Cu和MWCNT形成的复合层。通过CVD使MWCNT气相生长，并在2800°下热处理30分钟。MWCNT分散在硫酸铜电镀路径中——仅通过加入聚丙烯酸分散剂就可以实现均匀分散。沉积层的最终形态是由CNT串起来的相对较大的Cu颗粒。

Manu和Priya(2013)公开了通过电化学沉积法制备密集的MWCNT-Cu膜的方法。证明了从Cu-MWCNT堆叠结构到MWCNT垂直排列的各种表面形态。

Chai等人(2008年)公开了CNT增强的铜纳米复合材料的形成。它们以密集的形式形成，适用于该报道中采用的应力应变测试。