CN102372253A - 碳纳米管复合线状结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳纳米管复合线状结构，包括一导电线状结构及一环绕该导电线状结构设置的碳纳米管层，该碳纳米管层为一连续的层状结构，且由若干碳纳米管组成。本发明还提供一种制备上述碳纳米管复合线状结构的方法，该制备方法包括以下步骤：提供一导电线状结构及一碳纳米管结构；以及将所述碳纳米管结构缠绕于所述导电线状结构的表面。

Description

碳纳米管复合线状结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管材料及其制备方法，尤其涉及一种碳纳米管复合线状结构及其制备方法。

背景技术

自九十年代初以来，以碳纳米管为代表的纳米材料以其独特的结构和性质引起了人们极大的关注。近几年来，随着碳纳米管及纳米材料研究的不断深入，其广阔的应用前景不断显现出来。例如，由于碳纳米管所具有的独特的电磁学、光学、力学、化学等性能，大量有关其在场发射电子源、传感器、新型光学材料、软铁磁材料等领域的应用研究不断被报道。

特别地，碳纳米管与其他材料例如金属、半导体或者聚合物等的复合可以实现材料的优势互补或加强。碳纳米管具有较大的长径比和中空的结构，具有优异的力学性能、电学性能、光学性能等，其在复合材料中，可以对复合材料起到增强作用，使得复合材料具有更好的性能。碳纳米管复合材料的研究已经成为一个极为重要的领域。

现有技术中的碳纳米管金属复合材料一般包括金属颗粒及碳纳米管，所述金属颗粒与碳纳米管均匀混合分散；或者金属颗粒均匀分散于碳纳米管膜或碳纳米管线中。上述碳纳米管金属复合材料通常采用蒸镀法将金属沉积在碳纳米管材料上或采用化学法将金属颗粒分散在碳纳米管材料中制备的。现有技术中没有提供一种包含金属丝的碳纳米管复合线状结构、该碳纳米管复合线状结构的制备方法，以及制备该碳纳米管复合线状结构的装置。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种具有较好的机械性能和韧性的碳纳米管复合线状结构及一种方法比较简单的制备该碳纳米管复合线状结构的方法。

一种碳纳米管复合线状结构，包括一导电线状结构及一环绕该导电线状结构设置的碳纳米管层，该碳纳米管层为一连续的层状结构，且由若干碳纳米管组成。

一种碳纳米管复合线状结构，其包括若干碳纳米管，其中，进一步包括一导电线状结构，该若干碳纳米管通过范德华力紧密相连环绕该导电线状结构设置。

一种碳纳米管复合线状结构，其包括：一导电线状结构以及一碳纳米管结构，该碳纳米管结构为一自支撑结构，且缠绕包覆于所述导电线状结构的整个表面。

一种碳纳米管复合线状结构的制备方法，其包括以下步骤：提供一导电线状结构及一碳纳米管结构；以及将所述碳纳米管结构缠绕于所述导电线状结构的表面。

与现有技术相比较，本发明提供的碳纳米管复合线状结构及其制备方法具有以下优点：第一，由于碳纳米管具有较好的机械性能及韧性，且具有能增强与其复合的材料的性能的作用，所以，所述碳纳米管复合线状结构中的碳纳米管均匀分布在所述导电线状结构的表面，使得该碳纳米管复合线状结构具有较好的机械性能和韧性。第二，本发明提供的碳纳米管复合线状结构通过将碳纳米管结构缠绕在所述导电线状结构的表面来制备，使得该制备方法比较简单，易于实现。

附图说明

图1是本发明实施例提供的碳纳米管拉膜的扫描电镜照片。

图2是本发明实施例提供的碳纳米管复合线状结构的扫描电镜照片。

图3是图2中的碳纳米管复合线状结构横截面的示意图。

图4是本发明实施提供的碳纳米管复合线状结构的制备装置的主视局部剖面图。

图5是图4中碳纳米管复合线状结构的制备装置的俯视局部剖面图。

图6是图4中碳纳米管复合线状结构的制备装置的花盘的立体结构示意图。

图7是利用图4提供的制备装置制备图2所示的碳纳米管复合线状结构的示意图。

主要元件符号说明

碳纳米管复合线状结构      10

制备装置                  100

金丝                      12

碳纳米管层                14

碳纳米管                  142

碳纳米管膜                15

线轴                      16

碳纳米管阵列              18

供给单元                  20

支柱                      22

导向轴                    24

固定环                    26

包覆单元                  30

驱动机构                  32

传动机构                  320

第一带轮                  322

第二带轮                  324

传动带                    326

电机                      328；42

轴承                      33

空心旋转轴                34

防松动轴承螺帽            342

中心轴                    344；442

支撑座                    35

花盘                      36

支撑台                    362

遮蔽元件                  38

容腔                      382

收集单元                  40

收集轴                    44

底座                      50

凹槽               52

定位元件           60

定位孔             62

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例，对本发明提供的碳纳米管复合线状结构、该碳纳米管复合线状结构的制备方法及制备该碳纳米管复合线状结构的装置作进一步的详细说明。

本发明提供一种碳纳米管复合线状结构，该碳纳米管复合线状结构包括一导电线状结构以及一环绕该导电线状结构设置的碳纳米管层。该碳纳米管层是连续的层状结构，且由若干碳纳米管组成，该若干碳纳米管通过范德华力紧密相连，且沿该导电线状结构的轴向环绕该导电线状结构均匀地分布。

所述导电线状结构具有支撑所述若干碳纳米管的作用，所以该导电线状结构应具有一定的强度及韧性。所述导电线状结构可以为金属，该金属为单质金属线或单质金属丝。所述单质金属材料可以为金、银、铜或铝等金属材料。所述导电线状结构的材料也可以为合金材料，如铜锡合金。所述导电线状结构还可以为具有一导电层的复合线状结构，如在铜锡合金表面进一步涂覆一层铝膜；还可以在一纤维丝的表面镀金膜。所述导电线状结构的直径不限，只要该导电线状结构具有一定强度即可，当该导电线状结构为金丝，该金丝的直径可以为18微米；当导电线状结构为铝丝，该铝丝的直径可以为25微米。

所述碳纳米管层是由一碳纳米管结构沿所述导电线状结构的轴向紧密缠绕而形成的。该碳纳米管结构为一自支撑结构，且缠绕包覆于该导电线状结构的整个表面；优选地，该碳纳米管结构沿该导电线状结构的轴向螺旋缠绕并包覆于该导电线状结构的表面。因此，也可以说，所述碳纳米管复合线状结构由所述导电线状结构及缠绕包覆于该导电线状结构整个表面的碳纳米管结构组成。

其中，所述碳纳米管结构由若干碳纳米管组成，该若干碳纳米管无序或有序排列。所谓无序排列是指碳纳米管的排列方向无规则。所谓有序排列是指碳纳米管的排列方向有规则。具体地，当碳纳米管结构包括无序排列的碳纳米管时，碳纳米管相互缠绕或者各向同性排列；当碳纳米管结构包括有序排列的碳纳米管时，碳纳米管沿一个方向或者多个方向择优取向排列。所谓“择优取向”是指所述碳纳米管结构中的大多数碳纳米管在一个方向上具有较大的取向几率；即，该碳纳米管结构中的大多数碳纳米管的轴向基本沿同一方向延伸。其中，所述碳纳米管结构为至少一个碳纳米管膜、至少一个碳纳米管线或其组合。

所述碳纳米管膜可以为碳纳米管拉膜、碳纳米管碾压膜和碳纳米管絮化膜。

请参阅图1，所述碳纳米管拉膜是由若干碳纳米管组成的自支撑结构。所述若干碳纳米管沿同一方向择优取向排列。该碳纳米管拉膜中大多数碳纳米管的整体延伸方向基本朝同一方向。而且，所述大多数碳纳米管的整体延伸方向基本平行于碳纳米管拉膜的表面。进一步地，所述碳纳米管拉膜中多数碳纳米管是通过范德华力首尾相连。具体地，所述碳纳米管拉膜中基本朝同一方向延伸的大多数碳纳米管中每一碳纳米管与在延伸方向上相邻的碳纳米管通过范德华力首尾相连。当然，所述碳纳米管拉膜中存在少数随机排列的碳纳米管，这些碳纳米管不会对碳纳米管拉膜中大多数碳纳米管的整体取向排列构成明显影响。所述碳纳米管拉膜不需要大面积的载体支撑，而只要相对两边提供支撑力即能整体上悬空而保持自身膜状状态，即将该碳纳米管膜置于(或固定于)间隔设置的两个支撑体上时，位于两个支撑体之间的碳纳米管膜能够悬空保持自身膜状状态。

具体地，所述碳纳米管拉膜中基本朝同一方向延伸的多数碳纳米管，并非绝对的直线状，可以适当的弯曲；或者并非完全按照延伸方向上排列，可以适当的偏离延伸方向。因此，不能排除碳纳米管拉膜的基本朝同一方向延伸的多数碳纳米管中并列的碳纳米管之间可能存在部分接触。

具体地，所述碳纳米管拉膜包括多个连续且定向排列的碳纳米管片段。该若干碳纳米管片段通过范德华力首尾相连。每一碳纳米管片段包括多个相互平行的碳纳米管，该多个相互平行的碳纳米管通过范德华力紧密结合。该碳纳米管片段具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。该碳纳米管拉膜中的碳纳米管沿同一方向择优取向排列。

所述碳纳米管拉膜可通过从碳纳米管阵列直接拉取获得。从碳纳米管阵列中拉取获得所述碳纳米管拉膜的具体方法包括：(a)从所述碳纳米管阵列中选定一碳纳米管片段，本实施例优选为采用具有一定宽度的胶带或粘性基条接触该碳纳米管阵列以选定具有一定宽度的一碳纳米管片段；(b)通过移动该拉伸工具，以一定速度拉取该选定的碳纳米管片段，从而首尾相连的拉出若干碳纳米管片段，进而形成一连续的碳纳米管拉膜。该若干碳纳米管相互并排使该碳纳米管片段具有一定宽度。当该被选定的碳纳米管片段在拉力作用下沿拉取方向逐渐脱离碳纳米管阵列的生长基底的同时，由于范德华力作用，与该选定的碳纳米管片段相邻的其它碳纳米管片段首尾相连地相继地被拉出，从而形成一连续、均匀且具有一定宽度和择优取向的碳纳米管拉膜。

可以理解，通过将若干碳纳米管拉膜平行且无间隙共面铺设或/和层叠铺设，可以制备不同面积与厚度的碳纳米管膜。每个碳纳米管拉膜的厚度可为0.5纳米～100微米。当碳纳米管膜包括多个层叠设置的碳纳米管拉膜时，相邻的碳纳米管拉膜中的碳纳米管的排列方向形成一夹角α，0°≤α≤90°。所述碳纳米管拉膜的结构及其制备方法请参见2010年5月26日公开的，公开号为CN101239712B的中国发明专利说明书。

所述碳纳米管碾压膜包括均匀分布的若干碳纳米管，该若干碳纳米管无序、沿同一方向或不同方向择优取向排列，该若干碳纳米管的轴向沿同一方向或不同方向延伸。所述碳纳米管碾压膜中的碳纳米管相互部分交叠，并通过范德华力相互吸引，紧密结合。所述碳纳米管碾压膜可通过碾压一碳纳米管阵列获得。该碳纳米管阵列形成在一基体表面，所制备的碳纳米管碾压膜中的碳纳米管与该碳纳米管阵列的基体的表面成一夹角β，其中，β大于等于0度且小于等于15度(0°≤β≤15°)。优选地，所述碳纳米管碾压膜中的碳纳米管的轴向基本平行于该碳纳米管碾压膜的表面。依据碾压的方式不同，该碳纳米管碾压膜中的碳纳米管具有不同的排列形式。该碳纳米管碾压膜的面积和厚度不限，可根据实际需要选择。该碳纳米管碾压膜的面积与碳纳米管阵列的尺寸基本相同。该碳纳米管碾压膜厚度与碳纳米管阵列的高度以及碾压的压力有关，可为1微米～100微米。所述碳纳米管碾压膜及其制备方法请参见2008年12月3日公开的，公开号为CN101314464A的中国发明专利申请公开说明书。

所述碳纳米管絮化膜包括相互缠绕的碳纳米管，该碳纳米管长度可大于10厘米。所述碳纳米管之间通过范德华力相互吸引、缠绕，形成网络状结构。所述碳纳米管絮化膜各向同性。所述碳纳米管絮化膜中的碳纳米管为均匀分布，无规则排列，形成大量的微孔结构。可以理解，所述碳纳米管絮化膜的长度、宽度和厚度不限，可根据实际需要选择，厚度可为1微米～100微米。所述碳纳米管絮化膜及其制备方法请参见2010年5月15日公开的，公开号为CN101284662B的中国发明专利说明书。

所述碳纳米管线可为一非扭转的碳纳米管线或扭转的碳纳米管线。

所述非扭转的碳纳米管线可包括多个沿该非扭转的碳纳米管线轴向方向排列的碳纳米管。非扭转的碳纳米管线可通过将碳纳米管拉膜通过有机溶剂处理得到。具体地，该碳纳米管拉膜包括多个碳纳米管片段，该多个碳纳米管片段通过范德华力首尾相连，每一碳纳米管片段包括多个相互平行并通过范德华力紧密结合的碳纳米管。该碳纳米管片段具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。该非扭转的碳纳米管线长度不限，直径为0.5纳米-1毫米。具体地，可将有机溶剂浸润所述碳纳米管拉膜的整个表面，在挥发性有机溶剂挥发时产生的表面张力的作用下，碳纳米管拉膜中的相互平行的多个碳纳米管通过范德华力紧密结合，从而使碳纳米管拉膜收缩为一非扭转的碳纳米管线。该有机溶剂为挥发性有机溶剂，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本实施例中采用乙醇。通过有机溶剂处理的非扭转碳纳米管线与未经有机溶剂处理的碳纳米管膜相比，比表面积减小，粘性降低。

所述扭转的碳纳米管线包括多个绕该扭转的碳纳米管线轴向螺旋排列的碳纳米管。该碳纳米管线可采用一机械力将所述碳纳米管拉膜两端沿相反方向扭转获得。进一步地，可采用一挥发性有机溶剂处理该扭转的碳纳米管线。在挥发性有机溶剂挥发时产生的表面张力的作用下，处理后的扭转的碳纳米管线中相邻的碳纳米管通过范德华力紧密结合，使扭转的碳纳米管线的比表面积减小，密度及强度增大。

所述碳纳米管线及其制备方法请参见范守善等人于2002年9月16日申请的，2008年8月20日公告的，公告号为CN100411979C的中国发明专利说明书；以及于2005年12月16日申请的，2009年6月17日公告的，公告号为CN100500556C的中国发明专利说明书。

需要说明的是，当所述碳纳米管层由碳纳米管拉膜或非扭转的碳纳米管线组成时，所述碳纳米管复合线状结构由所述导电线状结构及紧密缠绕在该导电线状结构表面的碳纳米管拉膜或非扭转的碳纳米管线组成，所述碳纳米管层由所述若干碳纳米管组成，该若干碳纳米管中的大多数碳纳米管沿该导电线状结构的轴向缠绕于该导电线状结构的表面，且该大多数碳纳米管与其延伸方向上的相邻碳纳米管通过范德华力首尾相连。进一步地，所述碳纳米管层中的大多数碳纳米管基本沿所述导电线状结构的轴向螺旋延伸。具体地，所述碳纳米管层中大多数碳纳米管均首尾相连地沿着导电线状结构的轴向螺旋延伸，该大多数碳纳米管中每一碳纳米管的延伸方向与所述导电线状结构的轴向形成一定的交叉角α，0°＜α≤90°。所述碳纳米管拉膜或非扭转的碳纳米管线中的大多数碳纳米管沿基本同一方向延伸，所以该碳纳米管复合线状结构中基本具有同一延伸方向上的碳纳米管与所述导电线状结构的轴向具有基本相同的交叉角。

当所述碳纳米管层由碳纳米管絮化膜组成时，所述碳纳米管复合线状结构由所述导电线状结构及紧密缠绕在该导电线状结构表面的碳纳米管絮化膜组成，所述碳纳米管絮化膜由若干碳纳米管组成，该若干碳纳米管形成网络状，且沿所述导电线状结构的轴向紧密地、均匀地环绕设置在该导电线状结构的表面。

当所述碳纳米管层由所述碳纳米管碾压膜组成时，所述碳纳米管复合线状结构由所述导电线状结构及紧密缠绕在该导电线状结构表面的碳纳米管碾压膜组成。若所述碳纳米管碾压膜中的碳纳米管无序排列，则所述碳纳米管沿所述导电线状结构的轴向无序地、均匀地、紧密地环绕在该导电线状结构。若所述碳纳米管碾压膜中的碳纳米管沿同一方向或多个方向择优延伸时，沿同一个方向择优取向延伸的碳纳米管与所述导电线状结构的轴向形成相同的交叉角，且该夹角大于0°且小于等于90°；另外，该沿多个方向择优取向延伸的碳纳米管环绕该导电线状结构紧密排列，且同一个延伸方向上的碳纳米管与所述导电线状结构的轴向基本具有相同的夹角。

当所述碳纳米管层由扭转的碳纳米管线组成时，所述碳纳米管复合线状结构由所述导电线状结构及紧密无间隙缠绕在该导电线状结构表面的扭转的碳纳米管线组成。该扭转的碳纳米管线中的碳纳米管紧密无间隙地沿该导电线状结构的轴向环绕该导电线状结构均匀分布。

由于碳纳米管具有较好的机械性能及韧性，且具有能增强与其复合的材料的性能的作用，所以，所述碳纳米管复合线状结构中的碳纳米管均匀地缠绕在所述导电线状结构表面，使得该碳纳米管复合线状结构具有较好的机械性能和韧性。这主要是由于所述碳纳米管缠绕于导电线状结构的表面，当向该碳纳米管复合线状结构施加一拉力时，该碳纳米管复合线状结构中的碳纳米管与导电线状结构之间产生一摩擦力。所述碳纳米管复合线状结构中的导电线状结构在拉力的方向上被拉伸，由于所述碳纳米管与所述导电线状结构之间存在摩擦力，该摩擦力有阻止该导电线状结构被拉断的作用，因此，该碳纳米管复合线状结构中的导电线状结构被拉断时的长度大于该纯的导电线状结构被拉断时的长度；即，在相同拉力的情况下，所述碳纳米管复合线状结构不容易被拉断。所述碳纳米管复合线状结构的性能不但与位于其中的导电线状结构的性能有关，还与缠绕于所述导电线状结构表面的碳纳米管膜的缠绕方式、质量等有关。

本发明还提供一种上述碳纳米管复合线状结构的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

a.提供导电线状结构及碳纳米管结构；以及

b.将所述碳纳米管结构缠绕于所述导电线状结构的表面。

其中，步骤a中的导电线状结构一般为金属线或金属丝。该导电线状结构的具有一定的强度，可以起到支撑所述碳纳米管结构的作用。所述碳纳米管结构为至少一碳纳米管膜、至少一碳纳米管线状结构或其组合。所述碳纳米管膜可以为碳纳米管拉膜、碳纳米管絮化膜、碳纳米管碾压膜等。所述碳纳米管线状结构可以为非扭转的碳纳米管线或扭转的碳纳米管线。所述碳纳米管拉膜或非扭转的碳纳米管线可以从一碳纳米管阵列中直接拉取获得。

步骤b可以通过下述方法实现：

第一种方法，将所述碳纳米管结构粘附于所述导电线状结构，旋转所述导电线状结构，同时控制该导电线状结构做直线运动或控制所述碳纳米管结构做直线运动，使得所述碳纳米管结构缠绕于该导电线状结构，进而实现连续制备碳纳米管复合线状结构。其中，所述碳纳米管结构可以不旋转，也可以与该导电线状结构反向旋转。

第二种方法，将所述碳纳米管结构粘附于所述导电线状结构，围绕该导电线状结构旋转所述碳纳米管结构，同时控制该导电线状结构沿其轴向做直线运动或控制所述碳纳米管结构沿所述导电线状结构的轴向做直线运动，从而使得该碳纳米管结构连续不断地缠绕于该导电线状结构的表面，进而实现连续制备碳纳米管复合线状结构。

所述步骤b进一步包括收集所述碳纳米管复合线状结构的步骤。

当所述碳纳米管结构为碳纳米管拉膜或非扭转的碳纳米管线时，提供至少一个碳纳米管阵列；采用一拉伸工具从每个碳纳米管阵列中拉伸出一个碳纳米管膜或一个非扭转的碳纳米管线，以形成所述碳纳米管结构。将所述碳纳米管结构粘附于所述导电线状结构；旋转所述导电线状结构或旋转所述碳纳米管结构，使所述碳纳米管结构缠绕于该导电线状结构的表面。在所述碳纳米管结构缠绕于该导电线状结构的表面的过程中，该碳纳米管结构不断从所述至少一个碳纳米管阵列中被连续地拉出。

请参阅图4至图6，本发明还提供一碳纳米管复合线状结构的制备装置100。该制备装置100包括一供给单元20、一包覆单元30、一收集单元40以及一底座50。所述供给单元20用于提供一线状结构，其中该线状结构不仅包括导电线状结构，还包括非导电线状结构，如，碳纤维、Kevlar等人造纤维结构；蜘蛛丝、蚕丝等天然纤维结构。所述包覆单元30用于放置一碳纳米管阵列，该碳纳米管阵列可以制备一碳纳米管结构；该包覆单元30还可以旋转该碳纳米管结构使该碳纳米管结构缠绕于所述线状结构的表面。所述收集单元40用于牵引所述线状结构做直线运动，并收集所述碳纳米管复合线状结构。所述底座50用于承载所述供给单元20、包覆单元30及收集单元40。其中，该制备装置100所述的碳纳米管结构为至少一碳纳米管拉膜、至少一非扭转的碳纳米管线或其组合。

所述底座50为一平板结构。所述供给单元20、包覆单元30及收集单元40固定于该底座50。该底座50一般为金属材质，如钢铁、硬铝。

所述供给单元20包括一支柱22、一导向轴24、一线轴16以及两个固定环26。所述支柱22的一端固定于所述底座50，使该支柱22垂直于所述底座50设置。所述导向轴24的一端固定于所述支柱22，并与该支柱22垂直设置，另一端悬空设置。所述线轴16设置于所述导向轴24，该线轴16可以在该导向轴24上自由旋转。所述线轴16用于缠绕所述导电线状结构。所述两个固定环26设置于所述导向轴24且分别位于所述线轴16的两侧，用于限制所述线轴16在所述导向轴24上的位置，防止该线轴16从所述导向轴24脱落。可以理解，所述固定环26的数量不限，可以为一个，三个或更多，只要其能够限制所述线轴16在所述导向轴24上的位置即可。

所述包覆单元30包括一载体，该载体可以放置生长有一碳纳米管阵列的基底。具体地，该包覆单元30包括一驱动机构32、一空心旋转轴34、两个轴承33、两个支撑座35、一花盘36及一遮蔽元件38。所述驱动机构32设置于所述空心旋转轴34靠近所述供给单元20的一端，所述花盘36设置于所述空心旋转轴34的另一端。每个支撑座35设置一个所述轴承33，所述空心旋转轴34通过所述轴承33设置于每个支撑座35并通过该两个支撑座35支撑。所述驱动机构32用于驱动所述空心旋转轴34旋转并带动所述花盘36旋转。所述遮蔽元件38用于包容所述花盘36。

所述驱动机构32包括一传动机构320及一第一电机328。所述传动机构320设置于所述第一电机328，并通过该第一电机328驱动。所述传动机构320包括一第一带轮322、一第二带轮324及一传动带326。其中，所述第一带轮322固定于所述第一电机328的旋转轴。所述第二带轮324与所述第一带轮322间隔设置且固定于所述空心旋转轴34。所述传动带326套设于所述第二带轮324与第一带轮322。通过控制所述第一电机328运转使第一带轮322旋转，该第一带轮322通过套设其上的传动带326带动该第二带轮324旋转。从而该第二带轮324驱动所述空心旋转轴34旋转。这也就是说，所述第一电机328的运转速度可以决定该空心旋转轴34的旋转速度。可以理解，所述驱动机构32的具体结构不限，只要其能够驱动所述空心旋转轴34旋转即可。

所述空心旋转轴34平行于所述底座50设置。所述空心旋转轴34设置有第二带轮324的一侧设置有一防松动轴承螺帽342，该防松动轴承螺帽342设置于该空心旋转轴34靠近所述供给单元20的一端，用于防止所述第二带轮324在工作时从该空心旋转轴34上脱落。该空心旋转轴34具有一中心轴344，该中心轴344与所述供给单元20的导向轴24的最高点基本上位于同一平面内。该空心旋转轴34在所述驱动机构32的驱动下可以围绕该空心旋转轴34的中心轴344做顺时针或逆时针旋转。

所述两个支撑座35固定于所述底座50，用于固定并支撑所述空心旋转轴34。该两个支撑座35间隔设置于所述驱动机构32与所述花盘36之间。其中，所述驱动机构32的第二带轮324设置于其中一个支撑座35与所述防松动轴承螺帽342之间，以防止所述第二带轮324在工作时沿所述空心旋转轴34的延伸方向移动，甚至从该空心旋转轴34上脱落。可以理解，所述支撑座35的数量不限，也可以为一个、三个等，只要其能够起到支撑所述空心旋转轴34即可。

所述花盘36套设并固定于所述空心旋转轴34，并悬空设置于所述底座50。所以当该空心旋转轴34旋转时，该花盘36随着该空心旋转轴34一起围绕该空心旋转轴34的中心轴344旋转。由于该空心旋转轴34的旋转是由驱动机构32的第一电机328控制的，所以，该花盘36的旋转速度是由第一电机328的运转速度来控制的。具体地，所述花盘36的形状类似多棱台，如三棱台、四棱台、五棱台、六棱台、七棱台等。该花盘36具有多个侧面，每个侧面上设置一支撑台362，因此，该花盘36具有多个支撑台362，每个支撑台362与所述空心旋转轴34的中心轴344形成一定夹角，且朝向所述收集单元40设置。所述多个支撑台362围绕所述空心旋转轴34的中心轴344均匀分布。该多个支撑台362用于放置可以拉伸出碳纳米管膜的碳纳米管阵列。本实施例中，所述花盘36的形状类似六棱台，该六棱台具有六个侧面，即该花盘36具有六个支撑面，各个支撑面设置有支撑台362，每个支撑台362朝向所述收集单元40并与所述空心旋转轴34的中心轴344的夹角为45°。

所述遮蔽元件38具有一收容腔382，并将所述花盘36悬空包容于该收容腔382中。当所述包覆单元30工作时，该遮蔽元件38可以防止设置于所述花盘36的碳纳米管阵列在该花盘36高速运转下从该花盘36上甩出，伤害到该包覆单元30周围的人或物。另外，该遮蔽元件38还可以防止灰尘等杂质落到设置于所述花盘36的碳纳米管阵列，污染碳纳米管阵列。可以理解，该遮蔽元件38是可选择结构。

所述收集单元40固定于所述底座50靠近所述包覆单元30的花盘36的一侧。该收集单元40包括一第二电机42及一收集轴44。该收集轴44固定于该第二电机42的旋转轴，并与所述底座50悬空设置。该收集轴44的中心轴442与所述空心旋转轴34的中心轴344垂直设置。该收集轴44的最高点与所述空心旋转轴34的中心轴344基本上位于同一平面内。该收集轴44在该第二电机42的驱动下可以围绕其中心轴442旋转，可以牵引所述线状结构做直线运动并将制备的碳纳米管复合线状结构收集在该收集轴44上。因此，该收集轴44的旋转速度可以根据该第二电机42的运转速度来控制，即，通过控制该第二电机42的运转速度，可以控制该收集轴44对线状结构的牵引速度及该碳纳米管复合线状结构的收集速度。

所述制备装置100还可以包括两个定位元件60，该两个定位元件60分别具有一定位孔62，该定位孔62的中心基本与所述包覆单元30的空心旋转轴34的中心轴344处于同一平面内。该两个定位元件60可以确保所述线状结构基本处于同一平面内，且不会碰到所述空心旋转轴34的内壁。具体地，其中一个定位元件60设置于所述供给单元20与所述包覆单元30之间，其主要是为了确保所述供给单元20提供的线状结构能够悬空穿过所述包覆单元30的空心旋转轴34。另一个定位元件60设置于所述包覆单元30与所述收集单元40之间，以确保通过该制备装置100制备的碳纳米管复合线状结构能够与所述收集轴44的最高点基本处于同一平面内，并能较好的缠绕在该收集轴44上。显然，所述定位元件60为可选择结构，该定位元件60的数量不限。

使用上述制备装置100制备碳纳米管复合线状结构的方法包括以下步骤：

S10通过所述供给单元20提供一线状结构；

S20将所述线状结构穿过所述包覆单元30的空心旋转轴34固定于所述收集单元40；

S30通过所述包覆单元30提供碳纳米管结构，并将该碳纳米管结构粘附于所述线状结构；以及

S40控制所述包覆单元30的驱动机构32使所述花盘36旋转同时控制收集单元40牵引所述线状结构做直线运动，使得所述碳纳米管结构螺旋缠绕于所述线状结构。

所述步骤S10可以通过以下步骤实现：提供一缠绕有所述线状结构的线轴16；将该缠绕有线状结构的线轴16固定于所述供给单元20的导向轴24。其中，该缠绕有线状结构的线轴16能够围绕所述导向轴24旋转。

所述步骤S20具体为：使所述缠绕有线状结构的线轴16的自由端悬空穿过所述空心旋转轴34；然后，将该线状结构缠绕于所述收集单元40的收集轴44的表面。可以理解，当所述制备装置100包括所述两个定位元件60时，所述线状结构应当依次穿过所述两个定位元件60的定位孔62，再缠绕于所述收集轴44的表面。

所述步骤S30包括以下分步骤：

S31提供至少一碳纳米管阵列，每个碳纳米管阵列生长于一基底；

S32将所述生长有碳纳米管阵列的基底固定于该包覆单元30的花盘36；以及

S33采用一拉伸工具分别从所述至少一碳纳米管阵列中拉伸出一碳纳米管膜或非扭转的碳纳米管线，并将该碳纳米管膜或非扭转的碳纳米管线粘附于所述线状结构。

其中，步骤S31中的碳纳米管阵列优选地为超顺排碳纳米管阵列。该超顺排碳纳米管阵列的制备方法采用化学气相沉积法，其具体步骤包括：提供一平整基底，该基底可选用P型或N型硅基底，或选用形成有氧化层的硅基底，本实施例优选为采用4英寸的硅基底；在基底表面均匀形成一催化剂层，该催化剂层材料可选用铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)或其任意组合的合金之一；将上述形成有催化剂层的基底在700℃～900℃的空气中退火约30分钟～90分钟；将处理过的基底置于反应炉中，在保护气体环境下加热到500℃～740℃，然后通入碳源气体反应约5～30分钟，生长得到超顺排碳纳米管阵列，其高度为50微米～5毫米。该超顺排碳纳米管阵列为多个彼此平行且垂直于基底生长的碳纳米管形成的纯碳纳米管阵列。通过上述控制生长条件，该超顺排碳纳米管阵列中基本不含有杂质，如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等。该碳纳米管阵列中的碳纳米管彼此通过范德华力紧密接触形成阵列。该碳纳米管阵列与上述基底面积基本相同。本实施例中碳源气可选用乙炔、乙烯、甲烷等化学性质较活泼的碳氢化合物，本实施例优选的碳源气为乙炔；保护气体为氮气或惰性气体，本实施例优选的保护气体为氩气。

步骤S32将所述至少一碳纳米管阵列的基底通过粘胶、机械方式或真空吸附固定于所述花盘36的多个支撑台362上。其中，每个支撑台362上可以固定一个碳纳米管阵列。

步骤S33采用所述拉伸工具依次从每个碳纳米管阵列中拉出一碳纳米管膜或非扭转的碳纳米管线，并依靠该碳纳米管膜或非扭转的碳纳米管线的粘性将该碳纳米管膜或非扭转的碳纳米管线粘附于所述线状结构的表面。

其中，采用一拉伸工具从一个碳纳米管阵列中拉取获得一个碳纳米管膜或一个非扭转的碳纳米管线。包括以下步骤：从所述碳纳米管阵列中选定部分碳纳米管；以一定速度沿基本垂直于该碳纳米管阵列生长方向拉伸该部分碳纳米管，以形成一连续的碳纳米管膜。在该拉伸过程中，该部分碳纳米管在拉力作用下沿拉伸方向逐渐脱离基底的同时，由于范德华力作用，该选定的部分碳纳米管分别与碳纳米管阵列中的其他碳纳米管首尾相连地连续地被拉出，从而形成一碳纳米管膜或非扭转的碳纳米管线。所述拉伸工具可以为镊子、尺子或胶带。

其中，在该步骤S32及步骤S33中，所述遮蔽元件38处于打开状态，使得所述花盘36暴露于周围环境中。

步骤S40为：当启动所述收集单元40及包覆单元30时，所述供给单元20不断提供所述线状结构，该线状结构在该收集单元40的作用下不断从所述供给单元20中抽出并朝向该收集单元40运动，同时带动所述碳纳米管结构不断从所述至少一碳纳米管阵列中拉出，同时，所述驱动机构32驱动所述空心旋转轴34围绕该空心旋转轴34的中心轴344旋转。该空心旋转轴34的旋转带动所述花盘36及设置于该花盘36的至少一碳纳米管阵列围绕该空心旋转轴34的中心轴344旋转，也使得从每个碳纳米管阵列中拉伸出的碳纳米管膜螺旋缠绕于所述线状结构的表面，从而形成所述碳纳米管复合线状结构。所述收集轴44在该收集单元40的第二电机42的驱动下，自动将该碳纳米管复合线状结构缠绕于该收集轴44上。因此，所述碳纳米管复合线状结构将连续地被制备出来，并自动被收集。其中，该步骤S40实施之前，尤其是开启该包覆单元30之前，最好先确保所述遮蔽元件38处于闭合状态，使所述花盘36包容于该遮蔽元件38中。

另，当所述花盘36的旋转速度一定的情况下，当所述收集轴44的旋转速度越大，该收集轴44对所述线状结构的牵引速度就越大，所述线状结构的移动速度就越大，那么所述碳纳米管复合线状结构中的碳纳米管层的厚度就越薄；当所述收集轴44的旋转速度越小，该收集轴44对所述线状结构的牵引速度就越小，所述线状结构的移动速度就越小，那么所述碳纳米管层的厚度就越厚。当所述收集轴44的旋转速度一定的情况下，所述花盘36的旋转速度越大，所述碳纳米管结构缠绕在所述线状结构的速度就越快，那么所述碳纳米管层的厚度就越厚；所述该花盘36的旋转速度越小，所述碳纳米管结构缠绕在所述线状结构的速度就越慢，那么所述碳纳米管层的厚度就越薄。由此可见，所述收集轴44的旋转速度及花盘36的旋转速度共同影响所述碳纳米管复合线状结构中的碳纳米管层的厚度；即，通过控制第二电机42的运转速度及第一电机328的运转速度可以控制所述碳纳米管层的厚度。

故，所述制备装置100可以实现连续的生产碳纳米管复合线状结构，有利工业化的应用。

下面将以碳纳米管金丝复合线状结构为例阐述本发明。

请参阅图2及图3，本发明实施例提供一种碳纳米管复合线状结构10。该碳纳米管复合线状结构10的直径大约为40微米，且由一直径大约为18微米的金丝12及环绕该金丝12的碳纳米管层14构成，该碳纳米管层14由若干碳纳米管142组成。该若干碳纳米管142紧密地、均匀分布于该金丝12的表面。其中，该碳纳米管复合线状结构10是由六个碳纳米管拉膜沿该金丝12轴向螺旋缠绕于该金丝12的表面而形成的。所述若干碳纳米管142中的大多数碳纳米管142沿该金丝12的轴向螺旋状缠绕于该金丝12的表面，且该大多数碳纳米管142与其延伸方向上的相邻碳纳米管142通过范德华力首尾相连。进一步地，该大多数碳纳米管142的延伸方向与其延伸方向上的相邻碳纳米管142的延伸方向沿所述金丝12螺旋延伸。该大多数碳纳米管142中每一碳纳米管142的延伸方向与所述金丝12的轴向所形成的交叉角大于0°且小于90°。另外，基本具有同一延伸方向上的碳纳米管142与所述金丝12的轴向具有基本相同的交叉角。所述直径大约为40微米的碳纳米管复合线状结构10具有较好的机械性及韧性，且该直径大约为40微米的碳纳米管复合线状结构10的伸长量可以从所述直径大约为18微米的金丝12的5％提高到10％。其中，所述“伸长量”一般指在拉力的作用下，所述碳纳米管复合线状结构10拉伸后的长度与拉伸前的差值。

请参阅图7，本发明实施例提供一种上述碳纳米管复合线状结构10的制备方法，该制备方法可以使用所述制备装置100。所述碳纳米管复合线状结构10的方法包括以下步骤：a、提供一金丝12及碳纳米管结构；b、将所述碳纳米管结构缠绕于所述金丝12的表面。其中，步骤a中的金丝12可以通过所述供给单元20提供。所述碳纳米管结构可以通过所述包覆单元30提供。步骤b可以通过启动所述制备装置100实现。

具体地，所述碳纳米管复合线状结构10的制备方法包括以下步骤：

W10通过所述供给单元20提供一金丝12；

W20将所述金丝12穿过所述包覆单元30的空心旋转轴34固定于所述收集单元40；

W30通过所述包覆单元30提供六个碳纳米管膜15，并将该六个碳纳米管膜15粘附于所述金丝12；以及

W40控制所述包覆单元30的驱动机构32使所述花盘36旋转同时控制收集单元40牵引所述金丝12做直线运动，使得所述六个碳纳米管膜15螺旋缠绕于所述金丝12。

所述步骤W10为提供一线轴16，该线轴16缠绕有所述金丝12；将该线轴16悬挂于所述供给单元20的导向轴24上，并用所述两个固定环26将该线轴16固定在该导向轴24。

所述步骤W20为从所述线轴16上抽取一段所述金丝12，将该金丝12依次穿过所述定位元件60的定位孔62及所述空心旋转轴34；然后将该金丝12缠绕于所述收集轴44上。

所述步骤W30为提供六个生长于基底的超顺排碳纳米管阵列18；打开所述遮蔽元件38，分别将该六个生长有超顺排碳纳米管阵列18的基底通过双面胶固定到所述花盘36的支撑台362上；然后，采用一胶带依次从所述六个超顺排碳纳米管阵列18中拉出碳纳米管膜15，并将每个碳纳米管膜15粘附到所述金丝12的表面；接下来，关闭所述遮蔽元件38，使得所述花盘36包容于该遮蔽元件38的收容腔382中。

在步骤W40中，启动所述收集单元40的第二电机42与所述包覆单元30的驱动机构32的第一电机328，该第二电机42驱动所述收集轴44围绕该收集轴44的中心轴442做顺时针旋转，此时，所述金丝12不断从所述线轴16上拉出并朝向该收集轴44运动，且六个碳纳米管膜15不断从所述六个超顺排碳纳米管阵列18中拉出。同时，所述第一电机328驱动所述传动机构320运转。该传动机构320使得所述空心旋转轴34围绕其中心轴344旋转，从而带动所述花盘36旋转。该花盘36的旋转使得所述六个超顺排碳纳米管阵列18及从该六个碳纳米管阵列18中拉出的碳纳米管膜15一起跟随该花盘36旋转。由于该六个碳纳米管膜15的旋转方向与所述金丝12的运动方向垂直，所以该六个碳纳米管膜15螺旋缠绕在该金丝12的表面，从而形成所述碳纳米管复合线状结构10。由于所述收集轴44的旋转，使得所述碳纳米管复合线状结构10缠绕在该收集轴44。随着所述收集单元40及包覆单元30的运行，金丝12不断被拉出，所碳纳米管膜15不断从所述碳纳米管阵列18中拉出并被缠绕在不断运动的金丝12上，从而实现自动生成碳纳米管复合线状结构10。

可以理解，本发明提供的碳纳米管复合线状结构还可以为直径大约50微米的碳纳米管铝线复合结构，该碳纳米管铝线复合结构由一个直径大约为25微米的铝线及沿该铝线长度方向螺旋排列的若干碳纳米管组成。

本发明实施例提供的碳纳米管复合线状结构、其制备装置以及制备方法，具有以下优点：第一，由于碳纳米管具有较好的机械性能及韧性，且具有能增强与其复合的材料的性能的作用，所以，所述碳纳米管复合线状结构中的碳纳米管均匀分布在所述导电线状结构的表面，使得该碳纳米管复合线状结构10具有较好的机械性能和韧性。如，可以使其伸长量从导电线状结构的伸长量的5％增加到10％。因此，本发明提供的碳纳米管复合线状结构具有广泛的应用，如可以用到线缆中，可以作为导线等。第二，本发明实施例提供的碳纳米管复合线状结构通过将碳纳米管结构缠绕在所述导电线状结构的表面来制备，使得该制备方法比较简单，易于实现。第三，本发明实施例提供的制备装置可以使得所述线状结构穿过所述包覆单元固定于所述收集单元，而所述包覆单元中的花盘可以旋转，从而使得设置于该花盘上的碳纳米管阵列也可以旋转，从而使得从碳纳米管阵列中获得的碳纳米管结构可以自动缠绕在所述线状结构上；另外，所述收集单元可以自动牵引所述线状结构及缠绕所述碳纳米管复合线状结构，因此，本发明实施例提供碳纳米管复合线状结构的制备装置可以实现自动制备并收集碳纳米管复合线状结构，使得碳纳米管复合线状结构的制备比较简单，可以实现连续的生产，有利于工业应用。

另外，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其它变化，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (18)

1.一种碳纳米管复合线状结构，其特征在于，包括一导电线状结构及一环绕该导电线状结构设置的碳纳米管层，该碳纳米管层为一连续的层状结构，且由若干碳纳米管组成。

2.如权利要求1所述的碳纳米管复合线状结构，其特征在于，所述若干碳纳米管沿该导电线状结构轴向环绕该导电线状结构均匀地分布。

3.如权利要求1所述的碳纳米管复合线状结构，其特征在于，所述导电线状结构的材料为金属，该金属包括单质金属或合金。

4.如权利要求1所述的碳纳米管复合线状结构，其特征在于，所述导电线状结构为具有一金属层的复合线状结构。

5.如权利要求1所述的碳纳米管复合线状结构，其特征在于，所述碳纳米管层中的大多数碳纳米管沿所述导电线状结构的轴向环绕设置于该导电线状结构的表面。

6.如权利要求5所述的碳纳米管复合线状结构，其特征在于，所述碳纳米管层中的大多数碳纳米管基本沿所述导电线状结构的轴向螺旋状延伸。

7.如权利要求6所述的碳纳米管复合线状结构，其特征在于，所述大多数碳纳米管与其延伸方向上的相邻碳纳米管通过范德华力首尾相连。

8.如权利要求6所述的碳纳米管复合线状结构，其特征在于，该大多数碳纳米管中每一碳纳米管的延伸方向与所述导电线状结构的轴向形成交叉角α，0°＜α≤90°。

9.如权利要求1所述的碳纳米管复合线状结构，其特征在于，所述碳纳米管层中的大多数碳纳米管形成网络状，且环绕设置于该导电线状结构的表面。

10.一种碳纳米管复合线状结构，其包括若干碳纳米管，其特征在于，进一步包括一导电线状结构，该若干碳纳米管通过范德华力紧密相连环绕该导电线状结构设置。

11.如权利要求10所述的碳纳米管复合线状结构，其特征在于，所述若干碳纳米管中的大多数碳纳米管环绕于该导电线状结构的表面，且该大多数碳纳米管与其延伸方向上的相邻碳纳米管通过范德华力首尾相连。

12.一种碳纳米管复合线状结构，其特征在于，包括：一导电线状结构以及一碳纳米管结构，该碳纳米管结构为一自支撑结构，且缠绕包覆于所述导电线状结构的整个表面。

13.如权利要求12所述的碳纳米管复合线状结构，其特征在于，所述碳纳米管结构沿所述导电线状结构的轴向螺旋缠绕包覆于该导电线状结构的表面。

14.如权利要求12所述的碳纳米管复合线状结构，其特征在于，所述碳纳米管结构为至少一个碳纳米管膜、至少一个碳纳米管线或其组合。

15.一种碳纳米管复合线状结构的制备方法，其包括以下步骤：

提供一导电线状结构及一碳纳米管结构；以及

将所述碳纳米管结构缠绕于所述导电线状结构的表面。

16.如权利要求15所述的碳纳米管复合线状结构的制备方法，其特征在于，

所述提供碳纳米管结构的步骤为：提供至少一碳纳米管阵列，以及采用一拉伸工具从每个碳纳米管阵列中拉伸一个碳纳米管膜或一个非扭转的碳纳米管线。

17.如权利要求15所述的碳纳米管复合线状结构的制备方法，其特征在于，

将所述碳纳米管结构缠绕于所述导电线状结构的表面的方法包括以下步骤：将所述碳纳米管结构粘附于所述导电线状结构，旋转所述导电线状结构，同时控制该导电线状结构做直线运动或控制所述碳纳米管结构做直线运动，使所述碳纳米管结构缠绕于所述导电线状结构的表面，形成所述碳纳米管复合线状结构。

18.如权利要求15所述的碳纳米管复合线状结构的制备方法，其特征在于，

将所述碳纳米管结构缠绕于所述导电线状结构的表面的方法包括以下步骤：将所述碳纳米管结构粘附于所述导电线状结构，围绕该导电线状结构旋转所述碳纳米管结构，同时控制该导电线状结构沿其轴向做直线运动或控制所述碳纳米管结构沿所述导电线状结构的轴向做直线运动，使所述碳纳米管结构缠绕于所述导电线状结构的表面，形成所述碳纳米管复合线状结构。

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