CN103264226A - 一种基于激光空化的碳纳米管植入方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种利用激光诱导空化产生的微射流和冲击波将碳纳米管植入基底材料的方法，所述方法利用激光聚焦在分散液中，并在焦点位置形成空化泡，随着空化泡的生长，分散液中的碳纳米管在表面张力的作用下被拉直。当空化泡生长到一定的程度溃灭时，产生高速微射流和冲击波，被拉直的碳纳米管被快速导向基底材料表面，在瞬间大动量的作用下，碳纳米管被植入到基底材料，依靠塑性变形的机械咬合牢牢粘附在基底材料上，结合牢靠。本发明所述方法工艺简单，操作方便，可将碳纳米管牢牢粘附在基底材料上，具有较强的通用性。

Description

一种基于激光空化的碳纳米管植入方法
技术领域
本发明涉及一种纳米材料技术领域的方法，尤其是一种将碳纳米管植入基底材料的方法。
背景技术
碳纳米管是1991年发现的新型碳材料，可以认为是由碳原子形成的石墨烯片层卷曲而成的无缝、中空的管体，其两端呈开口或封闭状，一般可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。碳纳米管具有极高的长径比和非常小的端部曲率半径，兼有非常优异的力学特性、导电性、导热性和化学稳定性。得益于这些独特的性能，将其植入软金属材料（例如金、银、铜等）及塑料等基体材料，可大大提高基体材料的性能，使其可制备性能优异的各种器件。
现有将碳纳米管植入基体材料的方法主要有以下几种：
直接生长法。现在衬底上用光刻胶做出所需要的图形，再用蒸发、溅射或者液体沉积等方法形成一层催化剂薄膜，然后剥离光刻胶，形成所需要的图形，再利用化学气相沉积或者其他的方法在催化剂图形表面生长碳纳米管薄膜。此种方法对温度敏感，高温容易使基底材料损伤，而低温则使碳纳米管的形态和性能减弱，同时，碳纳米管仅仅通过催化剂粘结在基底材料中，结合强度低，而且此方法的生产成本较高。
丝网印刷法。将碳纳米管分散在特定的浆料中，用丝网印刷的方法将其印制在基底材料中，然后去除溶剂并烧结清除粘合剂，使之与浆料中的金属粉末一起附着在基底材料表面。此方法难以精确控制结构尺寸和厚度，含有难以完全去除的有机残留物，碳纳米管与基底材料结合的具体情况差异很大，碳纳米管随机分布在基底材料中，结合力难以保证。
自组装法。对一维纳米材料进行表面改性，然后通过一定的物理、化学机制自组装到基底材料表面。此方法需要针对具体的基底材料设计开发相应的自组装技术，特异性强，不具备通用性，而且不能确保碳纳米管与基底的结合强度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处而提供一种利用激光诱导空化产生的微射流和冲击波将碳纳米管植入基底材料的方法，所述方法可使碳纳米管在基底材料的结合牢靠。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种基于激光空化的碳纳米管植入方法，包括以下步骤：
（1）将碳纳米管分散在水中，形成分散液，将形成的分散液注入容器中；
（2）将基底固定板和基底材料放置于含有碳纳米管分散液的容器中，所述分散液的液面高于所述基底固定板和基底材料；
（3）在所述分散液的上方设置透镜组，将所述透镜组上方的激光束通过所述透镜组在分散液中聚焦，在焦点位置诱导形成空化泡；
（4）空化泡逐渐生长，在生长的过程中，通过空化泡壁将分散液中的碳纳米管拉直；
（5）空化泡溃灭，形成指向基底材料的高速微射流，并同时产生高强度的冲击波，在所述高速微射流和冲击波的同时作用下，分散液中被拉直的碳纳米管冲击基底材料，并最终植入到基底材料中。
作为本发明所述基于激光空化的碳纳米管植入方法的优选实施方式，所述步骤（1）中通过超声工艺将碳纳米管分散在水中，形成分散液。所述碳纳米管可通过超声等相应工艺手段分散在水中，只要能够将碳纳米管分散在水中形成分散液即可。
作为本发明所述基于激光空化的碳纳米管植入方法的优选实施方式，所述步骤（2）中将基底固定板固定在所述容器的底部，将基底材料固定在所述基底固定板上，所述分散液的液面高于所述基底材料。
作为本发明所述基于激光空化的碳纳米管植入方法的优选实施方式，所述基底材料为软金属材料或塑料。
作为本发明所述基于激光空化的碳纳米管植入方法的优选实施方式，所述软金属材料为金、银、铜、锡或铅。
作为本发明所述基于激光空化的碳纳米管植入方法的优选实施方式，所述方法还包括以下步骤：（6）将基底材料从所述容器中取出，并进行清洁。
本发明所述方法利用激光聚焦在分散液中，并在焦点位置形成空化泡，随着空化泡的生长，分散液中的碳纳米管在表面张力的作用下被拉直。当空化泡生长到一定程度溃灭时，产生高速微射流和冲击波，被拉直的碳纳米管被快速导向基底材料表面，在瞬间大动量的作用下，被拉直的碳纳米管被植入到基底材料，依靠塑性变形的机械咬合粘附在基底材料上，结合牢靠。本发明所述方法与现有的直接生长法相比，本发明在常温下降碳纳米管植入，不存在温度的问题，避免了高温使基底材料损伤、低温使碳纳米管的形态和性能减弱的问题。与丝网印刷法相比，本发明采用激光诱导空化技术，利用空化的一系列效应对碳纳米管进行了拉直和植入基底材料，在该过程中，碳纳米管在气泡生长过程中在微观力的作用下被拉直，而且碳纳米管的植入位置和密度可以通过精密控制激光空化产生的位置保证。与自组装法相比，本发明的方法通用性强，对不同基底材料并不需要做针对性的设计。
附图说明
图1为本发明所述基于激光空化的碳纳米管植入过程示意图。
图2为本发明所述基于激光空化的碳纳米管植入过程中形成的空化泡的结构示意图。
图3为图2所示空化泡生长将其中的碳纳米管拉直的结构示意图。
图4为图3所示空化泡溃灭形成高速微射流和冲击波的结构示意图。
图中，10为容器，12为分散液，20为基底固定板，22为基底材料，30为透镜组，40为激光束，42为空化泡，44为空化泡壁，50为碳纳米管。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明一种基于激光空化的碳纳米管植入方法，所述方法通过基于激光空化的碳纳米管植入装置来实现，如附图1所示，所述装置包括容器10，置于容器10底部的基底固定板20，所述基底固定板20上固定有基底材料22，所述容器10中注入有分散液12，所述分散液12的液面高于所述基底材料22，所述分散液12的上方设有透镜组30，所述透镜组30的上方有激光束40。
一种采用如上所述装置利用激光空化的碳纳米管植入方法，所述方法包括以下步骤：
（1）将碳纳米管分散在水中，形成分散液12，将形成的分散液12注入容器10中；
（2）将基底固定板20和基底材料22放置于含有碳纳米管分散液12的容器10中，所述分散液12的液面高于所述基底固定板20和基底材料22；
（3）在所述分散液12的上方设置透镜组30，将所述透镜组30上方的激光束40通过所述透镜组30在分散液12中聚焦，在焦点位置诱导形成空化泡42；
（4）空化泡42逐渐生长，在生长的过程中，通过空化泡壁44将分散液12中的碳纳米管拉直；
（5）空化泡42溃灭，形成指向基底材料22的高速微射流，并同时产生高强度的冲击波，在所述高速微射流和冲击波的同时作用下，分散液12中被拉直的碳纳米管冲击基底材料22，并最终植入到基底材料22中
采用上述所述装置利用激光空化植入碳纳米管时，首先需要制备附图1中容器10中的分散液12。所述分散液12一般地包括碳纳米管和水，将碳纳米管置于水中，通过超声等相应工艺手段将碳纳米管分散在水中，形成分散液12，然后将所形成的分散液12中注入到容器10中即可。
将分散液12注入到容器10中后，将基底固定板20和基底材料22放置于含有分散液12的容器10中。当然，也可以先将基底固定板20和基底材料22放置于容器10中，然后再向容器10中注入所述分散液12。分散液12的液面需要高于基底材料22，这样才能够在基底材料22上方的分散液12中激光诱导空化。优选地，如附图1所示，所述基底固定板20固定在所述容器10的底部，所述基底材料22固定在所述基底固定板20上。
如附图1所示，所述分散液12的上方设置有透镜组30，将所述透镜组30上方的激光束40通过所述透镜组30在分散液12中聚焦，在焦点位置诱导形成空化泡42，所述空化泡42的结构如附图2所示，所述空化泡42包括空化泡壁44，所述空化泡壁44上有碳纳米管50。空化泡42逐渐生长，如附图3所示，在生长的过程中，通过空化泡壁44将分散液12中的碳纳米管50进行拉直。此过程中，随着空化泡42的生长，分散液12中的碳纳米管50是在表面张力的作用下被拉直的。
当空化泡42生长到一定程度，碳纳米管50被拉直后，空化泡42溃灭，在空化泡42溃灭时，会形成指向基底材料22的高速微射流，并同时产生高强度的冲击波，所述空化泡42溃灭时的结构示意图如附图4所示。在所述高速微射流和冲击波的同时作用下，被拉直的碳纳米管50被快速导向基底材料22表面，在瞬间大动量的情况下，被拉直的碳纳米管50被植入基底材料22中，并依靠塑性变形的机械咬合牢牢粘附在基底材料22上，结合牢靠。
上述所述的基底材料22可为软金属材料或塑料，所述基底材料22需要为软的基底材料，这样碳纳米管被拉直后可顺利的植入到基底材料。所述软金属材料优选地可为金、银、铜、锡或铅等。
进一步地，当被拉直的碳纳米管被植入到基底材料后，可将基底材料从所述容器中取出，并进行清洁。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (6)

1.一种基于激光空化的碳纳米管植入方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将碳纳米管分散在水中，形成分散液，将形成的分散液注入容器中；
（2）将基底固定板和基底材料放置于含有碳纳米管分散液的容器中，所述分散液的液面高于所述基底固定板和基底材料；
（3）在所述分散液的上方设置透镜组，将所述透镜组上方的激光束通过所述透镜组在分散液中聚焦，在焦点位置诱导形成空化泡；
（4）空化泡逐渐生长，在生长的过程中，通过空化泡壁将分散液中的碳纳米管拉直；
（5）空化泡溃灭，形成指向基底材料的高速微射流，并同时产生高强度的冲击波，在所述高速微射流和冲击波的同时作用下，分散液中被拉直的碳纳米管冲击基底材料，并最终植入到基底材料中。
2.如权利要求1所述的基于激光空化的碳纳米管植入方法，其特征在于，所述步骤（1）中通过超声工艺将碳纳米管分散在水中，形成分散液。
3.如权利要求1所述的基于激光空化的碳纳米管植入方法，其特征在于，所述步骤（2）中将基底固定板固定在所述容器的底部，将基底材料固定在所述基底固定板上，所述分散液的液面高于所述基底材料。
4.如权利要求1所述的基于激光空化的碳纳米管植入方法，其特征在于，所述基底材料为软金属材料或塑料。
5.如权利要求4所述的基于激光空化的碳纳米管植入方法，其特征在于，所述软金属材料为金、银、铜、锡或铅。
6.如权利要求1所述的基于激光空化的碳纳米管植入方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：（6）将基底材料从所述容器中取出，并进行清洁。
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