CN105913972A - 一种碳纳米管复合导线的制备方法 - Google Patents

一种碳纳米管复合导线的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种碳纳米管复合导线的制备方法，其包括以下步骤：制备碳纳米管纤维；构建电镀装置，所述电镀装置包括位于电镀槽内的阳电极和电镀液；将所述碳纳米管纤维通过一输出轴卷绕并与一导电电极接触后浸入所述电镀液中；使用脉冲电源通电进行电镀，制得碳纳米管复合导线并收集。与现有技术相比，本发明采用脉冲电镀的方法，直接将铜纳米晶粒均匀沉积在碳纳米管纤维的表面以及碳纳米管之间的间隙中，能有效提高碳纳米管与铜层之间的界面结合力，晶界间的相互作用可以有效增加碳纳米管复合导线的强度和电导率，通过该方法可以制备出轻质高导高强度的碳纳米管复合导线。

Description

一种碳纳米管复合导线的制备方法
技术领域
本发明涉及纳米材料制造领域，尤其涉及一种碳纳米管复合导线的制备方法。
背景技术
随着电子信息技术的迅猛发展，人们对电子产品的轻量化和柔性化有着越来越高的要求，与之相关的产品开发也受到业界广泛关注，同时，作为电子产品和智能产品内部不可或缺的传输通道的导电纤维也急需向功能化、智能化、弹性、柔性等方面发展。目前市场上使用的导电纤维主要是各类金属丝，但是金属丝柔性较差，密度大且强度不高，在功能智能应用方面体现出了越来越多的不适应性；另一类具有导电性的碳纤维也存在同样的问题，并且还存在导电性较差，脆性明显等缺点。针对这些问题，近年来，许多研究人员采用各种方法制备了形式多样的复合导电纤维，如将多壁碳纳米管粉末填充到电工铝块上均匀钻好的孔内，经过摩擦减压工艺压制成复合材料，然后拉制出复合导电纤维，该发明的不足之处就是不能制备出微米级的超细纤维；将芳纶作为加强芯，外面包裹碳纳米管纤维层，最外层添加保护套形成柔性高强度导电纤维，但该发明致命的弱点就是只依靠纤维层作为导电媒介，电导率不高。
鉴于以上存在的问题，如何制备出轻质高导高强度的碳纳米管复合导线亟需被开发应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种制备轻质高导高强度的碳纳米管复合导线的方法。
为实现上述发明目的，本发明提供一种碳纳米管复合导线的制备方法，该方法包括以下步骤：
S1、制备碳纳米管纤维；
S2、构建电镀装置，所述电镀装置包括位于电镀槽内的阳电极和电镀液；
S3、将所述碳纳米管纤维通过一输出轴卷绕并与一导电电极接触后浸入所述电镀液中；
S4、使用脉冲电源通电进行电镀，制得碳纳米管复合导线并收集。
作为本发明的进一步改进，所阳电极的材料为纯度达99.999%的高纯度铜板，所述导电电极为高纯度的铜棒。
作为本发明的进一步改进，所述电镀液包括纯度为99.9%的五水硫酸铜、浓硫酸及去离子水。
作为本发明的进一步改进，五水硫酸铜的浓度为60-140g/L，硫酸的浓度为0.1-1mol/L。
作为本发明的进一步改进，所述“制备碳纳米管纤维”步骤具体包括：
通过浮动化学气相沉积制备出套筒状碳纳米管气凝胶，经过致密化，加捻形成碳纳米管纤维，所述碳纳米管纤维的直径为10-100μm。
作为本发明的进一步改进，所述“使用脉冲电源通电进行电镀”时的电流密度范围为0.01-1A/cm2，电流导通时间范围为0.01-1s，电流断开时间范围为1-2s。
作为本发明的进一步改进，电镀时，电镀液的温度为20-30℃。
作为本发明的进一步改进，制得的碳纳米管复合导线通过一收集轴收集。
作为本发明的进一步改进，所述输出轴和所述收集轴分别设置在所述电镀槽的两侧，所述导电电极设置在所述输出轴和所述电镀槽之间。
作为本发明的进一步改进，所述输出轴和所述收集轴的转速相同，转速为0-100r/min。
本发明的有益效果是：本发明采用脉冲电镀的方法，直接将铜纳米晶粒均匀沉积在碳纳米管纤维的表面以及碳纳米管之间的间隙中，能有效提高碳纳米管与铜层之间的界面结合力，晶界间的相互作用可以有效增加碳纳米管复合导线的强度和电导率。通过该方法可以制备出轻质高导高强度的碳纳米管复合导线。本发明还利用双转轴传动，有效降低纤维的内应力，对于提高碳纳米管复合导线的强度有很好的效果。
附图说明
图1是本发明一具体实施方式中制备碳纳米管复合导线方法步骤图；
图2是本发明一具体实施方式中制备碳纳米管复合导线的装置结构示意图；
图3a-c是不同脉宽条件（0.2s、0.4s、0.6s）下晶粒微观形貌对比图；
图4是采用脉冲电源制备出的碳纳米管复合导线断面的扫描电镜照片；
图5是采用直流电源制备出的碳纳米管复合导线断面的扫描电镜照片；
图6a是本发明第一实施例中制备碳纳米管复合导线的脉冲电流密度曲线图；
图6b是本发明第一实施例中制备碳纳米管复合导线断面的扫描电镜照片；
图7a是本发明第二实施例中制备碳纳米管复合导线的脉冲电流密度曲线图；
图7b是本发明第二实施例中制备碳纳米管复合导线断面的扫描电镜照片。
具体实施方式
以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
参图1所示，介绍本发明制备碳纳米管复合导线的一具体实施方式，在本实施方式中，该方法包括以下步骤：
S1、制备碳纳米管纤维。优选地，本发明通过浮动化学气相沉积制备出套筒状碳纳米管气凝胶，经过致密化，加捻形成碳纳米管纤维，碳纳米管纤维的直径为10-100μm。
S2、构建电镀装置，其包括位于电镀槽内的阳电极和电镀液。结合图2所示，为本发明一实施方式中制备碳纳米管复合导线装置的结构示意图，电镀装置1包括电镀槽10和脉冲电源16，在电镀槽10内注入电镀液15，并在电镀槽10内设置有与脉冲电源16正极相连接的阳电极14。在电镀槽10的两侧上方还分别设有一输出轴11和一收集轴12，在输出轴11和电镀槽10之间设有一导电电极13，该导电电极13与脉冲电源16负极相连接。
优选地，使用纯度为99.9%的五水硫酸铜作为主盐，再添加浓硫酸，使用去离子水作为溶剂，配置成电镀液15，无需添加其他有机添加剂。电镀沉积时电镀液的温度保持在20-30℃。阳电极的材料为纯度达99.999%的高纯度铜板，导电电极13为高纯度的铜棒，更进一步地，五水硫酸铜的浓度为60-140g/L，硫酸的浓度为0.1-1mol/L。采用高纯度的阳极板与硫酸铜镀液，能有效减少沉积层中的杂质元素，对于提高沉积层的机械强度和电导率有显著效果。
S3、将碳纳米管纤维通过一输出轴卷绕并与一导电电极接触后浸入所述电镀液中。将S1步骤中制得的碳纳米管纤维17卷绕在输出轴11上，并拉出碳纳米管纤维17的一端，与导电电极13接触后浸入电镀液15。导电电极13起导电作用，碳纳米管纤维17与导电电极13相接触，相当于碳纳米管纤维17作为电镀装置1的阴电极。
S4、使用脉冲电源通电进行电镀，制得碳纳米管复合导线并收集。在电镀过程中，使用脉冲电源将铜纳米晶粒均匀沉积在碳纳米管纤维的表面以及碳纳米管之间的间隙中。具体地，碳纳米管纤维17的一端从输出轴11上释放出来，与导电电极13接触后浸入电镀液15中，在镀液15中沉积上一层颗粒均匀的铜纳米晶粒后通过收集轴12将其从镀液15中拉出并收集在收集轴上，制得碳纳米管复合导线18。优选地，输出轴11和收集轴12的转速相同，转速为0-100r/min。脉冲电流密度范围为0.01-1A/cm2，电流导通时间范围为0.01-1s，电流断开时间范围为1-2s。
本发明采用脉冲电源进行电化学沉积，脉冲电源在脉冲电化学沉积过程中，当电流导通时，脉冲(峰值)电流相当于普通直流电流的几倍甚至几十倍，正是这个瞬时高电流密度使金属铜离子在极高的过电位下还原，从而使铜沉积层晶粒变细，铜晶粒迅速在碳纳米管纤维表面成核，为后续金属晶粒的沉积提供了着力点，有效地提高了碳纳米管与金属的界面结合力；当电流关断时，阴极区附近放电离子又恢复到初始浓度，浓差极化消除，这利于下一个脉冲同期继续使用高的脉冲(峰值)电流密度，同时关断期内还伴有对沉积层有利的重结晶、吸脱附等现象。这样的过程同期性地贯穿整个电镀过程的始末，其中所包含的机理构成了脉冲电镀的最基本原理。
参图3a-3c所示，可以通过改变脉冲的波形(图3a为脉冲时间为0.2s、图3b为脉冲时间为0.4s、图3c为脉冲时间为0.6s)来控制沉积层的晶粒大小。参图4所示，使用脉冲电源作为沉积电源，可以明显看到在制得的碳纳米管复合导线18的纤维断面上有铜晶粒，有效提高碳纳米管与铜的界面结合力。作为对比，参图5所示，使用直流电源作为沉积电源，在制得的碳纳米管复合导线18的纤维断面上没有看到铜晶粒。这充分说明脉冲电源在细化结晶，改善镀层物理化学性能等方面比传统直流电镀有着不可比拟的优越性，脉冲法沉积可将金属纳米晶粒沉积在碳纳米管之间的缝隙中，有效提高了界面结合力。
另外，通过控制输出轴和收集轴的转速保持一致，来减小碳纳米管纤维17在沉积时所受到的拉力，有利于减小碳纳米管复合导线的内应力，从而提高碳纳米管复合导线的拉伸强度。
为了更好的阐述本发明，以下提供一些制备碳纳米管复合导线的具体实施例。
实施例1
选用直径为100微米的碳纳米管纤维，卷绕在输出轴11上，碳纳米管纤维的一端从输出轴11上释放出来，与导电电极13接触后浸入电镀液15中，拉伸碳纳米管纤维并将其收集轴12上，设置收集轴和输出轴的转速均为5r/min。电镀液中五水硫酸铜的浓度为120g/L，硫酸的浓度为0.1mol/L，电镀液的温度保持在25℃，使用脉冲电源通电进行电镀，电流密度0.01A/cm2,脉冲宽度0.25s（图6a）,脉冲间距为2s，电流断开时间为2s，制得碳纳米管复合导线18。其纤维断面如图6b所示，可以明显看见断裂面上的碳纳米管纤维上有铜晶粒。
实施例2
选用直径为30微米的碳纳米管纤维，卷绕在输出轴11上，碳纳米管纤维的一端从输出轴11上释放出来，与导电电极13接触后浸入电镀液15中，拉伸碳纳米管纤维并将其收集轴12上，设置收集轴和输出轴的转速均为5r/min。电镀液中五水硫酸铜的浓度为140g/L，硫酸的浓度为0.1mol/L，电镀液的温度保持在25℃，使用脉冲电源通电进行电镀，电流密度1A/cm2,脉冲宽度0.05s（图7a）,脉冲间距2s，电流断开时间为2s，制得碳纳米管复合导线18。其纤维断面如图7b所示，可以明显看见断裂面上的碳纳米管纤维上有铜晶粒。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碳纳米管复合导线的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、制备碳纳米管纤维；
S2、构建电镀装置，所述电镀装置包括位于电镀槽内的阳电极和电镀液；
S3、将所述碳纳米管纤维通过一输出轴卷绕并与一导电电极接触后浸入所述电镀液中；
S4、使用脉冲电源通电进行电镀，制得碳纳米管复合导线并收集。
2.根据权利要求1所述的碳纳米管复合导线的制备方法，其特征在于，所阳电极的材料为纯度达99.999%的高纯度铜板，所述导电电极为高纯度的铜棒。
3.根据权利要求1所述的碳纳米管复合导线的制备方法，其特征在于，所述电镀液包括纯度为99.9%的五水硫酸铜、浓硫酸及去离子水。
4.根据权利要求3所述的碳纳米管复合导线的制备方法，其特征在于，五水硫酸铜的浓度为60-140g/L，硫酸的浓度为0.1-1mol/L。
5.根据权利要求1所述的碳纳米管复合导线的制备方法，其特征在于，所述“制备碳纳米管纤维”步骤具体包括：
通过浮动化学气相沉积制备出套筒状碳纳米管气凝胶，经过致密化，加捻形成碳纳米管纤维，所述碳纳米管纤维的直径为10-100μm。
6.根据权利要求1所述的碳纳米管复合导线的制备方法，其特征在于，所述“使用脉冲电源通电进行电镀”时的电流密度范围为0.01-1A/cm2，电流导通时间范围为0.01-1s，电流断开时间范围为1-2s。
7.根据权利要求1所述的碳纳米管复合导线的制备方法，其特征在于，电镀时，电镀液的温度为20-30℃。
8.根据权利要求1所述的碳纳米管复合导线的制备方法，其特征在于，制得的碳纳米管复合导线通过一收集轴收集。
9.根据权利要求8所述的碳纳米管复合导线的制备方法，其特征在于，所述输出轴和所述收集轴分别设置在所述电镀槽的两侧，所述导电电极设置在所述输出轴和所述电镀槽之间。
10.根据权利要求9所述的碳纳米管复合导线的制备方法，其特征在于，所述输出轴和所述收集轴的转速相同，转速为0-100r/min。
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