碳納米管與Ag金屬相結(jié)合的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及新材料技術(shù)領(lǐng)域，具體的說(shuō)，是碳納米管與Ag金屬相結(jié)合的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳納米管，又名巴基管，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)(徑向尺寸為納米量級(jí)，軸向尺寸為微米量級(jí)，管子兩端基本上都封口)的一維量子材料。碳納米管(Carbon nanotube)的簡(jiǎn)稱(chēng)(復(fù)數(shù)為CNTs)，主要由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管。層與層之間保持固定的距離，約0.34nm，直徑一般為2~20 nm。并且根據(jù)碳六邊形沿軸向的不同取向可以將其分成鋸齒形、扶手椅型和螺旋型三種。其中螺旋型的碳納米管具有手性，而鋸齒形和扶手椅型碳納米管沒(méi)有手性。
[0003]碳納米管中碳原子以sp2雜化為主，同時(shí)六角型網(wǎng)格結(jié)構(gòu)存在一定程度的彎曲，形成空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中可形成一定的sp3雜化鍵，即形成的化學(xué)鍵同時(shí)具有sp2和sp3混合雜化狀態(tài)，而這些P軌道彼此交疊在碳納米管石墨烯片層外形成高度離域化的大鍵，碳納米管外表面的大鍵是碳納米管與一些具有共軛性能的大分子以非共價(jià)鍵復(fù)合的化學(xué)基礎(chǔ)。
[0004]由于碳納米管中碳原子采取sp2雜化，相比sp3雜化，sp2雜化中s軌道成分比較大，使碳納米管具有高模量和高強(qiáng)度。
[0005]碳納米管具有良好的力學(xué)性能，CNTs抗拉強(qiáng)度達(dá)到50?200GPa，是鋼的100倍，密度卻只有鋼的1/6，至少比常規(guī)石墨纖維高一個(gè)數(shù)量級(jí)；它的彈性模量可達(dá)lTPa，與金剛石的彈性模量相當(dāng)，約為鋼的5倍。對(duì)于具有理想結(jié)構(gòu)的單層壁的碳納米管，其抗拉強(qiáng)度約800GPa?碳納米管的結(jié)構(gòu)雖然與高分子材料的結(jié)構(gòu)相似，但其結(jié)構(gòu)卻比高分子材料穩(wěn)定得多。碳納米管是目前可制備出的具有最高比強(qiáng)度的材料。若將以其他工程材料為基體與碳納米管制成復(fù)合材料，可使復(fù)合材料表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度、彈性、抗疲勞性及各向同性，給復(fù)合材料的性能帶來(lái)極大的改善。
[0006]碳納米管的硬度與金剛石相當(dāng)，卻擁有良好的柔韌性，可以拉伸。在工業(yè)上常用的增強(qiáng)型纖維中，決定強(qiáng)度的一個(gè)關(guān)鍵因素是長(zhǎng)徑比，即長(zhǎng)度和直徑之比。材料工程師希望得到的長(zhǎng)徑比至少是20:1，而碳納米管的長(zhǎng)徑比一般在1000:1以上，是理想的高強(qiáng)度纖維材料。2000年10月，美國(guó)賓州州立大學(xué)的研宄人員稱(chēng)，碳納米管的強(qiáng)度比同體積鋼的強(qiáng)度高100倍，重量卻只有后者的1/6到1/7。碳納米管因而被稱(chēng)“超級(jí)纖維”。
[0007]碳納米管上碳原子的P電子形成大范圍的離域π鍵，由于共軛效應(yīng)顯著，碳納米管具有一些特殊的電學(xué)性質(zhì)。
[0008]碳納米管具有良好的導(dǎo)電性能，由于碳納米管的結(jié)構(gòu)與石墨的片層結(jié)構(gòu)相同，所以具有很好的電學(xué)性能。理論預(yù)測(cè)其導(dǎo)電性能取決于其管徑和管壁的螺旋角。當(dāng)CNTs的管徑大于6nm時(shí)，導(dǎo)電性能下降；當(dāng)管徑小于6nm時(shí)，CNTs可以被看成具有良好導(dǎo)電性能的一維量子導(dǎo)線。有報(bào)道說(shuō)Huang通過(guò)計(jì)算認(rèn)為直徑為0.7nm的碳納米管具有超導(dǎo)性，盡管其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度只有1.5X10_4K，但是預(yù)示著碳納米管在超導(dǎo)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。
[0009]常用矢量Ch表示碳納米管上原子排列的方向，其中Ch=nal+ma2，記為(n，m)。al和a2分別表示兩個(gè)基矢。(n，m)與碳納米管的導(dǎo)電性能密切相關(guān)。對(duì)于一個(gè)給定(n，m)的碳納米管，如果有2n+m=3q (q為整數(shù))，則這個(gè)方向上表現(xiàn)出金屬性，是良好的導(dǎo)體，否則表現(xiàn)為半導(dǎo)體。對(duì)于n=m的方向，碳納米管表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性，電導(dǎo)率通?？蛇_(dá)銅的I萬(wàn)倍。
[0010]碳納米管具有良好的傳熱性能，CNTs具有非常大的長(zhǎng)徑比，因而其沿著長(zhǎng)度方向的熱交換性能很高，相對(duì)的其垂直方向的熱交換性能較低，通過(guò)合適的取向，碳納米管可以合成高各向異性的熱傳導(dǎo)材料。另外，碳納米管有著較高的熱導(dǎo)率，只要在復(fù)合材料中摻雜微量的碳納米管，該復(fù)合材料的熱導(dǎo)率將會(huì)可能得到很大的改善。
[0011 ] 碳納米管還具有光學(xué)等其他良好的性能。
[0012]在應(yīng)用過(guò)程中首先要解決的就是碳納米管與其他材料互相連接的問(wèn)題。因?yàn)樘技{米管是一維納米材料，所以普通宏觀焊接的方法很難在碳納米管的連接上得到應(yīng)用。又由于材料性質(zhì)之間的巨大差異，使得碳納米管與金屬材料連接較難進(jìn)行。
[0013]現(xiàn)有的碳納米管與金屬連接的方法:或使碳納米管“受控吸附”在經(jīng)過(guò)化學(xué)改性處理的金屬電極表面，然而化學(xué)改性的方法主要靠范德華力或者靠氨基與羧基的縮合反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)碳納米管與其他材料的連接，這種連接結(jié)合力弱，而且容易受到環(huán)境的影響，在潮濕或者弱酸弱堿環(huán)境中化學(xué)鍵容易斷裂，不能可靠連地接納米裝置；二是利用聚焦電子束將碳納米管與金屬進(jìn)行連接，例如用掃描電鏡內(nèi)部的聚焦電子束把少量碳?xì)潆s質(zhì)沉積在碳納米管上，這種被沉積雜質(zhì)的碳納米管可以粘附在原子力顯微鏡的探針上，然后在通過(guò)探針操作將碳納米管和多晶硅進(jìn)行連接；還有一種方法是通過(guò)聚焦電子束系統(tǒng)將一種具有良好導(dǎo)電性的Au-C復(fù)合物沉積到金屬電極表面的碳納米管上，該方法原位地將碳納米管粘附在金屬電極上，使碳納米管具有較高的導(dǎo)電性。盡管利用聚焦電子束可以獲得碳納米管與金屬材料之間一定程度的接觸，但聚焦電子束的方法操作復(fù)雜，設(shè)備昂貴，加工面積小，這種小尺寸點(diǎn)處理不能在較大范圍得到應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的目的在于為了解決現(xiàn)有的采用化學(xué)改性的方法進(jìn)行碳納米管與金屬(特別是Ag金屬)連接的方法結(jié)合力弱和利用聚焦電子束將碳納米管與金屬(特別是Ag金屬)進(jìn)行連接的方法操作復(fù)雜，設(shè)備昂貴，加工面積小的問(wèn)題，而設(shè)計(jì)出碳納米管與Ag金屬相結(jié)合的方法。
[0015]本發(fā)明通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):碳納米管與Ag金屬相結(jié)合的方法，所述碳納米管與Ag金屬相結(jié)合的方法包括以下步驟:
1)基體待連接面處理，將基體的待連接面拋光至表面粗糙度<2 μ m，然后再將基體的待連接面用化學(xué)去膜液處理，接著用酒精或丙酮清洗，最后以1500eV?4500eV的Ar離子束為濺射源濺射基體的待連接面，得到處理好的基體；
2)碳納米管懸池液制備，按碳納米管的濃度為0.1 μ g/mL?3 μ g/mL，將碳納米管加入到去離子水或者乙醇中，然后超聲處理1min?40min，得到碳納米管懸濁液；
3)碳納米管定向分布處理，將所述碳納米管懸濁液滴加于處理好的基體的待連接面上，后將整個(gè)基體置于磁場(chǎng)強(qiáng)度為0.8T?1.5T的磁場(chǎng)中，放置Ih?3h后將整個(gè)基體加熱至60°C?80°C，使待連接面上的殘余液體完全蒸發(fā)，完成碳納米管在基體待連接面上的定向分布；
4)完成連接，將完成碳納米管定向分布的基體放入真空擴(kuò)散焊機(jī)中，在真空擴(kuò)散焊接的條件是真空度為0.5 X KT5Torr?2.5 X l(T5Torr、壓力為IMPa?2MPa、溫度為550°C?650°C的條件下保持15min?25min，完成碳納米管與金屬的連接；
所述基體為Ag或者在表面沉積Ag的金屬材料。
[0016]為更好的實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，進(jìn)一步的，所述的化學(xué)去膜液處理是按以下步驟進(jìn)行的:配制體積分?jǐn)?shù)為68.15 %的HNCVK溶液，得到化學(xué)去膜液，將基體的待連接面浸沒(méi)于室溫的化學(xué)去膜液中保持1.5min，完成化學(xué)去膜處理。
[0017]為更好的實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，進(jìn)一步的，所述碳納米管的濃度為0.5 μ g/mL?2.5 μ g/mL，超聲處理時(shí)間為20min?30min。
[0018]為更好的實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，進(jìn)一步的，所述磁場(chǎng)強(qiáng)度為IT?1.3T、放置時(shí)間為1.5h?
2.5h0
[0019]為更好的實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，進(jìn)一步的，所述真空擴(kuò)散焊接的條件為真空度為
0.5 X KT5Torr ?1.5 X l(T5Torr、壓力為 IMPa ?1.5MPa、溫度為 600°C?650°C 的條件下保持 20min ?25min。
[0020]為更好的實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，進(jìn)一步的，所述真空擴(kuò)散焊接的條件是真空度為
1.5 X KT5Torr ?2.5 X l(T5Torr、壓力為 1.5