CN105776173B - 一种在基片上生长碳纳米管阵列的方法 - Google Patents

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Abstract

一种在基片上生长碳纳米管阵列的方法，步骤为：(1)采用表面微纳电化学工艺制备基片；(2)将基片置入碳纳米管反应炉中，往反应炉中通入氩气，并在氩气保护下将碳纳米管反应炉内部加热至碳纳米管生长所需温度；(3)当氩气充满碳纳米管反应炉后，调整氩气流量，同时向碳纳米管反应炉内通入氢气；(4)当氢气的流量稳定并充满碳纳米管反应炉后，向碳纳米管反应炉内通入液态碳源及催化剂；(5)根据碳纳米管阵列所需高度设定反应时间，反应完毕后，停止通入液态碳源及催化剂，并切断氢气；(6)将碳纳米管反应炉的生长区继续加热，通过热处理重融基片表面；(7)停止加热，并调小氩气的流量，待冷却至室温后从碳纳米管反应炉内取出基片样件。

Description

一种在基片上生长碳纳米管阵列的方法
技术领域
本发明涉及一种碳纳米管涂层的生成方法，可用于在基片上生长碳纳米管阵列。
背景技术
太空光学仪器需要最大限度地降低反射并增强光感应能力，同时需要具有良好的热稳定性和结构稳定性。尤其是望远镜，具备良好的遮光罩衬里，意味着可能获得令人难以置信的灵敏度，可以从宇宙的光污染中获得有效光子。目前，遮光罩主要通过制备吸光涂层的方式来降低光反射，但吸收率仅为97％左右。相比之下，碳纳米管涂层的光吸收能力超强，可达到99.5％以上，是目前国际上公认的最黑的材料。因此，如果能够在遮光罩的内壁或者挡光环面构建合适的碳纳米管吸光层，就可以大大提高遮光罩的吸收效率。而且可以利用简化小巧结构的遮光罩实现以往同等的消杂光能力，因此可以大幅度降低遮光罩的尺寸和重量。
尽管研究者对碳纳米管的超强光吸收能力已达成共识，但在不同基底上如何构建合适形态的碳纳米管则鲜有公开的文献或专利。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种在基片上生长碳纳米管阵列的方法，可以解决碳纳米管在金属基片上难于生长的问题，并增强界面结合强度。
本发明的技术解决方案是：一种在基片上生长碳纳米管阵列的方法，包括如下步骤：
(1)采用表面微纳电化学工艺制备用于碳纳米管阵列生长的基片；
(2)将所述基片置入碳纳米管反应炉中，往碳纳米管反应炉中通入100～200mL/min的氩气，并在氩气保护下将碳纳米管反应炉内部加热至碳纳米管生长所需温度；所述的碳纳米管反应炉包括生长区和蒸发区，其中生长区加热至780～860℃温度范围，蒸发区加热至250～300℃温度范围；
(3)当氩气充满碳纳米管反应炉后，调整氩气流量到1000～2000mL/min，同时向碳纳米管反应炉内通入300～500mL/min的氢气；
(4)当氢气的流量稳定并充满碳纳米管反应炉后，向碳纳米管反应炉内通入1～100mg/mL的液态碳源和催化剂混合溶液，所述的液态碳源和催化剂混合溶液首先经过碳纳米管反应炉的蒸发区变成气态后再进入碳纳米管反应炉的生长区；
(5)在碳纳米管反应炉的生长区内，根据碳纳米管阵列所需高度设定反应时间，反应完毕后，停止通入液态碳源和催化剂混合溶液，并切断氢气；
(6)将碳纳米管反应炉的生长区加热至900～1000℃，通过热处理重融基片表面，提高碳纳米管阵列与基片的结合力；
(7)停止加热，并调小氩气的流量至100～200mL/min，待冷却至室温后从碳纳米管反应炉内取出基片样件。
所述的液态碳源和催化剂混合溶液为二茂铁溶于二甲苯后的1～100mg/mL的溶液。所述混合溶液的浓度为20mg/mL。
所述基片的材料为石英，钛，金，或者钼。所述的基片表面上蒸镀有铝镍双金属缓冲层。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明方法采用表面微纳电化学工艺制备用于碳纳米管阵列生长的基片，采用化学气相沉积方法，通过合理控制氩气和氢气的流量(分压)，实现了碳纳米管在基片上生长的最佳反应条件，从而获得高度可控的碳纳米管阵列。反应结束后，通过热处理重融基片表面，提高碳纳米管阵列与基片的结合强度。本发明方法实现了碳纳米管阵列在多种金属及合金基片上的生长，并具有高结合强度。通过本工艺方法制备的碳纳米管阵列的钛合金遮光片吸光度最好可以达到99.2％。
附图说明
图1为本发明方法的流程框图。
具体实施方式
如图1所示，为本发明方法的流程框图，主要步骤如下：
(1)制备符合工艺要求的碳纳米管生长基片；
用于生长碳纳米管阵列的基片材料可以选择石英、钛、金、钼等多种。其中石英片和钛片作为基底可以获得定向性好且平直的碳纳米管阵列。钛片作为基底材料可以制备出符合要求的遮光罩，石英片作为基底材料可以用于试验参数的调试和优化。
对于基片，可以采用在表面进行表面微纳化的方法显著提高的碳纳米管阵列与钛基片的结合力。
(2)将步骤(1)中获得的基片置于碳纳米管阵列生长装置中；
这里使用的生长装置为化学气相沉积反应装置。用化学气相沉积法(CVD)制备定向碳纳米管阵列的装置，其关键在于实现碳纳米管生长的连续性。本发明采用精密流量泵代替传统注射器作为液体碳源供给装置，其精度可达到0.006mL/min，显著提高了碳纳米管阵列的品质。
化学气相沉积反应装置分为两个加热区，液体碳源蒸发区和碳纳米管生长区，其中蒸发区温度控制在250～300℃之间。碳纳米管生长区的温度控制在780～860℃之间。
蒸发区温度250～300℃可使液态碳源和催化剂混合溶液充分挥发气化，并保持适中的浓度；生长区的温度780～860℃可使碳源充分裂解并使催化剂达到最佳的活性。
(3)利用化学气相沉积法，在严格控制温度、气氛以及催化剂浓度等生长条件下，制备定向碳纳米管阵列薄膜；
这里需要将基片搭载于石英舟上置于化学气相沉积反应装置内部。在100～200mL/min的氩气保护下加热至反应温度，调整氩气流量为1000～2000mL/min，并通入300～500mL/min的氢气，利用精密流量泵供给液态碳源及催化剂进入蒸发区，进行碳纳米管阵列的生长。当氢气的流量稳定并充满碳纳米管反应炉后，向碳纳米管反应炉内通入1～100mg/mL的液态碳源和催化剂混合溶液。其中，100～200mL/min的氩气：用于排空反应炉中的空气，获得惰性气氛环境。1000～2000mL/min的氩气：用于保持反应炉中足够的氩气分压，促进碳纳米管的生长。300～500mL/min的氢气：用于保持反应炉中足够的氢气分压，延长催化剂的活性。
碳源采用二甲苯，催化剂采用二茂铁。将二茂铁按照1～100mg/mL的浓度配比溶于二甲苯中，采用超声的方法使二茂铁充分溶解并静止一段时间获得溶液。试验证明，催化剂二茂铁的浓度可以显著形象碳纳米管阵列的生长速度及品质，浓度为20mg/mL时可以获得比较纯净的碳纳米管阵列，并且可以保持较高的生长速度。
溶液浓度过高，碳源过多，会生长过多的非晶碳；浓度过低，碳源无法满足碳纳米管生长的需求，无法形成定向的阵列。
液态碳源及催化剂首先经过化学气相沉积反应装置的蒸发区变成气态后再进入碳纳米管反应炉的生长区；
根据碳纳米管阵列所需长度设定反应时间，反应完毕后，停止通入液态碳源及催化剂，并切断氢气。
碳纳米管阵列薄膜的生长速度和厚度随着生长时间的变化而变化。生长30min可以获得100μm左右厚度的阵列薄膜，平均生长速度为3μm/min。
例如，在石英片上生长温度为800℃，氩气流量为1500mL/min，氢气流量为400mL/min，催化剂浓度为20mg/mL，碳源给进速率为0.38mL/min的实验条件下可以获得定向碳纳米管长度在400～500μm，直径是30～50nm，定向性良好，表面洁净碳纳米管阵列薄膜。
(4)将制备的样片进行热处理，增强碳纳米管阵列与基地的结合力。
经过表面微纳电化学工艺处理的基片采用后续高温处理(碳纳米管生长后停止氢气，并继续升温至900～1000℃)重融钛基片表面，可以实现碳纳米管阵列与基片的“焊合”提高结合力。
900～1000℃可以使表面微纳结构重融实现“焊合”。温度过低，无法熔化；温度过高，熔化过度，表面形貌改变，会影响碳纳米管阵列的结构。
(5)热处理完毕后，停止加热，并调小氩气的流量至100～200mL/min，待冷却至室温后从碳纳米管反应炉内取出基片样件。
实施例1
称取3g二茂铁，溶于150mL二甲苯中，置于超声锅中超声溶解30min，于通风厨中静置30～60min备用。将二氧化硅基片置于CVD管式炉反应区，密封管端并通入200mL/min的氩气加热至800℃。将蒸发区加热至280℃，调整氩气流量为1500mL/min，通入400mL/min的氢气，利用精密流量泵以0.38mL/min的速度将溶有二茂铁的二甲苯溶液通入到蒸发区进行反应。反应30min后，停止碳源供给，关闭氢气，调整氩气流量为200mL/min，关闭反应装置电源，冷却至150℃以下，取出样品，测试。
采用上述工艺参数获得的样品对400～1100nm的光漫反射比为0.0080，吸光度为99.2％。
实施例2
称取2g二茂铁，溶于150mL二甲苯中，置于超声锅中超声溶解30min，于通风厨中静置30～60min备用。将二氧化硅基片置于CVD管式炉反应区，密封管端并通入200mL/min的氩气加热至830℃。将蒸发区加热至280℃，调整氩气流量为1500mL/min，通入400mL/min的氢气，利用精密流量泵以0.23mL/min的速度将溶有二茂铁的二甲苯溶液通入到蒸发区进行反应。反应30min后，停止碳源供给，关闭氢气，调整氩气流量为200mL/min，关闭反应装置电源，冷却至150℃以下，取出样品，测试。
采用上述工艺参数获得的样品对400～1100nm的光漫反射比为0.0105，吸光度为98.95％。
实施例3
称取4g二茂铁，溶于150mL二甲苯中，置于超声锅中超声溶解30min，于通风厨中静置30～60min备用。将钛基片置于CVD管式炉反应区，密封管端并通入200mL/min的氩气加热至800℃。将蒸发区加热至280℃，调整氩气流量为1500mL/min，通入400mL/min的氢气，利用精密流量泵以0.38mL/min的速度将溶有二茂铁的二甲苯溶液通入到蒸发区进行反应。反应30min后，停止碳源供给，关闭氢气，调整氩气流量为200mL/min，关闭反应装置电源，冷却至150℃以下，取出样品，测试。
获得样品对400～1100nm的光漫反射比为0.0106，吸光度为98.96％。
实施例4
称取3g二茂铁，溶于150mL二甲苯中，置于超声锅中超声溶解30min，于通风厨中静置30-60min备用。将电化学处理后的钛基片置于CVD管式炉反应区，密封管端并通入200mL/min的氩气加热至810℃。将蒸发区加热至280℃，调整氩气流量为1500mL/min，通入350mL/min的氢气，利用精密流量泵以0.38mL/min的速度将溶有二茂铁的二甲苯溶液通入到蒸发区进行反应。反应30min后，停止碳源供给，关闭氢气，调整氩气流量为200mL/min，关闭反应装置电源，冷却至150℃以下，取出样品，测试。
获得样品对400～1100nm的光漫反射比为0.0100，吸光度为99％。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种在基片上生长碳纳米管阵列的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)采用表面微纳电化学工艺制备用于碳纳米管阵列生长的基片；
(2)将所述基片置入碳纳米管反应炉中，往碳纳米管反应炉中通入100～200mL/min的氩气，并在氩气保护下将碳纳米管反应炉内部加热至碳纳米管生长所需温度；所述的碳纳米管反应炉包括生长区和蒸发区，其中生长区加热至780～860℃温度范围，蒸发区加热至250～300℃温度范围；
(3)当氩气充满碳纳米管反应炉后，调整氩气流量到1000～2000mL/min，同时向碳纳米管反应炉内通入300～500mL/min的氢气；
(4)当氢气的流量稳定并充满碳纳米管反应炉后，向碳纳米管反应炉内通入1～100mg/mL的液态碳源和催化剂混合溶液，所述的液态碳源和催化剂混合溶液首先经过碳纳米管反应炉的蒸发区变成气态后再进入碳纳米管反应炉的生长区；所述的液态碳源和催化剂混合溶液为二茂铁溶于二甲苯后的1～100mg/mL的溶液；
(5)在碳纳米管反应炉的生长区内，根据碳纳米管阵列所需高度设定反应时间，反应完毕后，停止通入液态碳源和催化剂混合溶液，并切断氢气；
(6)将碳纳米管反应炉的生长区加热至900～1000℃，通过热处理重融基片表面，提高碳纳米管阵列与基片的结合力；
(7)停止加热，并调小氩气的流量至100～200mL/min，待冷却至室温后从碳纳米管反应炉内取出基片样件。
2.根据权利要求1所述的一种在基片上生长碳纳米管阵列的方法，其特征在于：所述基片的材料为石英，钛，金，或者钼。
3.根据权利要求1所述的一种在基片上生长碳纳米管阵列的方法，其特征在于：所述的基片表面上蒸镀有铝镍双金属缓冲层。
4.根据权利要求1所述的一种在基片上生长碳纳米管阵列的方法，其特征在于：所述的液态碳源和催化剂混合溶液的浓度为20mg/mL。
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106517147B (zh) * 2016-12-09 2018-07-27 北京科技大学 制备高纯度高导热碳纳米管阵列热界面材料的方法及装置
CN109205589B (zh) * 2017-07-07 2022-04-01 天津大学 多孔肋骨状碳材料的制备方法
CN107400928B (zh) * 2017-07-25 2019-08-06 东北石油大学 一种在金属上直接生长碳纳米管阵列的简易方法及应用
CN109455694B (zh) * 2018-12-10 2020-11-03 深圳烯湾科技有限公司 改性碳纳米管阵列、碳纳米管纤维及其制备方法和应用
WO2022252708A1 (zh) * 2021-06-01 2022-12-08 浙江求是半导体设备有限公司 外延生长装置的加热体
CN113307252B (zh) * 2021-06-18 2023-06-20 常州大学 一种制备可纺丝超顺排碳纳米管阵列的方法
CN115611268A (zh) * 2022-11-02 2023-01-17 清华大学 一种超长碳纳米管的超高产率制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1678523A (zh) * 2002-06-24 2005-10-05 原子能委员会 热解法沉积碳纳米管或氮掺杂碳纳米管的方法及设备
CN1757595A (zh) * 2005-10-29 2006-04-12 大连理工大学 多壁碳纳米管原位自组装制备定向微米管的方法
CN104726844A (zh) * 2015-02-06 2015-06-24 北京控制工程研究所 一种在钛合金基底生长超强光吸收碳纳米管涂层的方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130028829A1 (en) * 2011-07-28 2013-01-31 Hagopian John G System and method for growth of enhanced adhesion carbon nanotubes on substrates

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1678523A (zh) * 2002-06-24 2005-10-05 原子能委员会 热解法沉积碳纳米管或氮掺杂碳纳米管的方法及设备
CN1757595A (zh) * 2005-10-29 2006-04-12 大连理工大学 多壁碳纳米管原位自组装制备定向微米管的方法
CN104726844A (zh) * 2015-02-06 2015-06-24 北京控制工程研究所 一种在钛合金基底生长超强光吸收碳纳米管涂层的方法

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