[发明专利]自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧及其制法与应用

说明书

本发明公开了一种自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧及其制法与应用。所述制法包括：将碳纳米管纤维均匀有序的缠绕于具有螺纹结构的模板上；以及，采用化学气相沉积法对所获缠绕于模板上的螺旋状的碳纳米管纤维进行无定型石墨碳的沉积，从而获得具有螺旋弹簧结构的自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧。本发明利用化学气相沉积的方法，通过模板诱导构型，成功制备了具有自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧，本发明制备的复合弹簧具备很好的结构稳定性；同时本发明所提供的制备方法操作简单，可重复性强，并且可以实现轻质全碳弹簧螺旋结构的尺寸调控。

技术领域

本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧及其制法与应用。

背景技术

可穿戴器件是未来电子设备的重要发展趋势。近年来，随着电子皮肤、柔性手机等概念的相继提出和研究的不断深入，新型(如柔性，可拉伸，可弯折等)能量储存和供给单元以及与生物体具有兼容性的应变传感器迅速被人们重视。碳纳米管(CNT)具有准一维特性和优良的导电、导热和力学性质，其宏观聚集体---纤维天生具有轻质、柔性、可拉伸、可弯折的性能，是制备可穿戴功能器件的理想材料，其在能源储能领域、功能材料以及纳米器件领域等领域具有广阔的应用前景。但是CNT纤维由于其本身的柔性，多是以稳定的直线结构存在，这种直线结构极大的限制了其在三维空间的变形能力，故而对其在可穿戴器件领域的进一步发展造成了很大的限制。

目前有技术提出将螺旋结构引入到碳纳米管纤维中，从而改变了直纤维的结构，制备出了螺旋均匀致密分布的螺旋纤维。独特的螺旋结构在力学性能上与直纤维完全不同，这种螺旋的嵌入，可以改变纤维的拉伸以及弹性性能(如专利CN110485162A和CN107805865A)，但就目前的技术而言，单纯物理加捻得到的CNT螺旋结构，须在外力作用下才能保持螺旋结构的稳定性，如在重物的作用下，防止CNT纤维解捻，这种外力干涉下的稳定会对于其应用场景造成很大限制。另有一些方法中，为得到稳定存在的自支撑螺旋结构，引入其他物质，如高分子等，这对于碳纳米管纤维的本征属性，会起到很大的削减效果，如导电率下降，热稳定性下降等。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧及其制法与应用，以克服现有技术的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧的制备方法，其包括：

提供碳纳米管纤维；

将所述碳纳米管纤维缠绕于具有螺纹结构的模板上；

以及，采用化学气相沉积法对所获缠绕于模板上的螺旋状的碳纳米管纤维进行无定型石墨碳的沉积，从而获得具有螺旋弹簧结构的自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧。

本发明实施例还提供了由前述方法制备的自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧，所述自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧包括碳纳米管纤维以及无序石墨碳颗粒和/或无序石墨碳层，所述无序石墨碳颗粒和/或无序石墨碳层分布于所述碳纳米管纤维的表面，所述自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧具有螺旋结构。

本发明实施例还提供了前述的自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧于可穿戴领域中的用途。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明提供一种新的自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧的制备方法，利用化学气相沉积的方法，通过模板诱导构型，成功制备了具有自支撑无序石墨碳/碳纳米管复合弹簧；

(2)本发明所获得的全碳弹簧，相比于传统金属弹簧，具有减重、耐腐蚀的优势；

(3)本发明所提供的制备方法操作简单，可重复性强；