CN111411382A - 一种金属和碳纳米管纤维之间微连接的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种金属和碳纳米管纤维之间微连接的装置及方法，电解质槽设置在X‑Y向运动系统上，在X‑Y向运动系统和电解质槽之间还设置有导体，电解质槽内填充有电解质溶液，脉冲电源系统的电源输出端与电源输入端通过导线分别与电解质槽内的电解质溶液和导体相连已形成回路，加压系统与毛细管相连，在毛细管上设置Z向运动系统，毛细管内填充有金属盐溶液，碳纳米管纤维固定在电解质槽的底端。不会破坏碳纳米管纤维的结构；可以通过控制毛细管的尺寸等来控制连接点的尺寸；连接过程在电解质溶液中进行，也不会引入其他杂质；由于其沉积在液体环境中进行，增大了沉积时液面的自由度，得到的沉积金属质量更好；能得到低电阻、高强度的可靠接头。
Description
技术领域
本发明涉及焊接装置技术领域，更具体地说涉及一种金属和碳纳米管纤维之间微连接的装置及方法。
背景技术
作为近年来一种新型的高性能材料，碳纳米管纤维具有比碳纤维更加优异的力学、电学及导热等性能，碳纳米管纤维的轻质高导电特性使其在导线与电缆、柔性高性能能源器件以及复合材料等诸多领域有重要应用前景，加上其良好的耐腐蚀性和环境稳定性，有望成为下一代导线材料。这使碳纳米管纤维不可避免地要与电路中其他带电部分(通常是金属)相连，并且要求接头部分长时间保持良好的力学性能和电学性能。传统的碳纳米管纤维的连接方法包括钎焊、绑扎或打结、导电胶、机械压接、超声波焊，这些方法并不能很好的适用于碳纳米管纤维与金属的连接。由于碳材料不易被金属润湿，标准钎焊温度下钎焊过程十分困难，而且钎焊会形成碳化物中间层；绑扎或打结仅适用于碳纳米管纤维之间的连接，而且会影响接头的性能，例如碳纳米管取向和致密度；导电胶连接的接头力学性能差，且容易氧化；机械压接容易压坏碳纳米管纤维，而且压接效果和接头性能很大程度上取决于压接压力；超声波焊接得到的接头比较理想，但这种方法容易造成碳纳米管结构的破坏。
使用电化学沉积的方法将金属沉积在碳纳米管纤维上可以实现金属与碳纳米管纤维的微连接，这种方法既不会破坏碳纳米管纤维的结构，连接点的尺寸也可以受到控制，也不会引入其他杂质，能得到低电阻、高强度的可靠接头。液体局域分配离子电镀(Electroplating of locally dispensed ions in liquid)技术作为一种电化学沉积方法，除具有以上优点外，由于其沉积在液体环境中进行，增大了沉积时液面的自由度，得到的沉积金属质量更好，因而接头质量更好。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，现有的金属和碳纳米管纤维之间的微连接技术存在的技术缺陷，提供了一种金属和碳纳米管纤维之间微连接的装置及方法，使用液体局域分配离子电镀(Electroplating of locally dispensed ions in liquid)技术来实现金属和碳纳米管纤维之间的微连接。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现。
一种金属和碳纳米管纤维之间微连接的装置，包括电解质槽、三维运动系统、脉冲电源系统和加压装置，
所述三维运动系统包括X-Y向运动系统和Z向运动系统，所述电解质槽设置在所述X-Y向运动系统上，在所述X-Y向运动系统和所述电解质槽之间还设置有导体，所述电解质槽内填充有电解质溶液，所述脉冲电源系统的电源输出端与电源输入端通过导线分别与所述电解质槽内的电解质溶液和导体相连已形成回路，所述加压系统与毛细管相连，在所述毛细管上设置所述Z向运动系统，所述毛细管内填充有金属盐溶液，所述碳纳米管纤维固定在所述电解质槽的底端。
所述脉冲电源系统采用波形发生器，波形发生器不仅可以输出上、下沿较快的矩形方波信号，也可以输出正弦波、三角波、梯形波、锯齿波、单次脉冲等任意波形，输出脉冲波形的正、负极性可以任意选择，可以根据实际情况选择波形。
所述毛细管采用纯铜毛细管。
所述毛细管的内径为200-500微米。
所述毛细管的首端打磨呈坡口状，所述毛细管的尾端与所述加压装置相连。
一种金属和碳纳米管纤维之间微连接的方法，按照下述步骤进行：
步骤1，将碳纳米管纤维固定在电解质槽的底部；
步骤2，按照比例配置好电解质溶液和金属盐溶液，将电解质溶液加入到电解质槽内，金属盐溶液填充到毛细管内，并将毛细管的首端浸入电解质溶液的液面以下，毛细管尾端连接加压装置；
步骤3，开启三维运动系统，通过控制X-Y向运动系统和Z向运动系统的运动，调整好整个装置中毛细管与相邻的碳纳米纤维之间的相对位置，调整完毕后，开启加压装置，在加压装置作用下，毛细管内的金属盐溶液在电解质溶液中形成弯液面，当弯液面接触到导体时形成回路，金属从金属盐溶液中被还原出来沉积在相邻的碳纳米管之间，慢慢上移毛细管并持续施加压力，使金属连续沉积并最终包裹碳纳米管。
在步骤1中，所述碳纳米管纤维在使用前需经过超声波清洗方式清洗干净后再固定在电解质槽的底部。
在步骤3中，所述毛细管向上移动的速度为1-5微米/秒。
脉冲电源的峰值电压为800-1000mV、频率为100-1000Hz、占空比为10-30％，铜毛细管阳极的回撤速度为1-2.5μm/min-1以及喷嘴与基体上表面的初始距离为150-250μm。
本发明的有益效果为：不会破坏碳纳米管纤维的结构；可以通过控制毛细管的尺寸等来控制连接点的尺寸；连接过程在电解质溶液中进行，也不会引入其他杂质；由于其沉积在液体环境中进行，增大了沉积时液面的自由度，得到的沉积金属质量更好；能得到低电阻、高强度的可靠接头。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图中：1为电解质槽，2为三维运动系统，3为脉冲电源系统，4为导体，5为毛细管，6为金属盐溶液，7为碳纳米管纤维，8为电解质溶液，9为加压装置。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例一
一种金属和碳纳米管纤维之间微连接的装置，包括电解质槽1、三维运动系统2、脉冲电源系统3和加压装置9，
三维运动系统2包括X-Y向运动系统和Z向运动系统，电解质槽1设置在X-Y向运动系统上，在X-Y向运动系统和电解质槽1之间还设置有导体4，电解质槽1内填充有电解质溶液8，脉冲电源系统3的电源输出端与电源输入端通过导线分别与电解质槽1内的电解质溶液8和导体4相连已形成回路，加压系统9与毛细管5相连，在毛细管5上设置Z向运动系统，毛细管5内填充有金属盐溶液6，碳纳米管纤维7固定在电解质槽1的底端。
脉冲电源系统3采用波形发生器，波形发生器不仅可以输出上、下沿较快的矩形方波信号，也可以输出正弦波、三角波、梯形波、锯齿波、单次脉冲等任意波形，输出脉冲波形的正、负极性可以任意选择，可以根据实际情况选择波形。
实施例二
在实施例一的基础上，毛细管5采用纯铜毛细管，毛细管5的内径为200-500微米，毛细管5的首端打磨呈坡口状，毛细管5的尾端与加压装置相连。
实施例三
一种金属和碳纳米管纤维之间微连接的方法，按照下述步骤进行：
步骤1，将碳纳米管纤维经过超声波清洗方式清洗干净后，再将其固定在电解质槽的底部；
步骤2，按照比例配置好电解质溶液和金属盐溶液，将电解质溶液加入到电解质槽内，金属盐溶液填充到毛细管内，并将毛细管的首端浸入电解质溶液的液面以下，毛细管尾端连接加压装置；
步骤3，开启三维运动系统，通过控制X-Y向运动系统和Z向运动系统的运动，调整好整个装置中毛细管与相邻的碳纳米纤维之间的相对位置，调整完毕后，开启加压装置，在加压装置作用下，毛细管内的金属盐溶液在电解质溶液中形成弯液面，当弯液面接触到导体时形成回路，金属从金属盐溶液中被还原出来沉积在相邻的碳纳米管之间，慢慢上移毛细管并持续施加压力，毛细管向上移动的速度为1-5微米/秒，使金属连续沉积并最终包裹碳纳米管。
其中，脉冲电源的峰值电压或者峰值电流、频率、占空比，铜毛细管阳极的回撤速度以及喷嘴与基体上表面的初始距离(即弯液面的初始高度)，都是会影响装置的连接点形貌、结构甚至性能的重要参数；本实施例中，脉冲电源的峰值电压为800mV、频率为100Hz、占空比为10％，铜毛细管阳极的回撤速度为1μm/min-1以及喷嘴与基体上表面的初始距离为150μm。
实施例四
在实施例三的基础上，脉冲电源的峰值电压为1000mV、频率为1000Hz、占空比为30％，铜毛细管阳极的回撤速度为2.5μm/min-1以及喷嘴与基体上表面的初始距离为250μm。
实施例五
在实施例三的基础上，脉冲电源的峰值电压为900mV、频率为800Hz、占空比为20％，铜毛细管阳极的回撤速度为2.0μm/min-1以及喷嘴与基体上表面的初始距离为200μm。
为了易于说明，实施例中使用了诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。
而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (9)
1.一种金属和碳纳米管纤维之间微连接的装置，其特征在于：包括电解质槽、三维运动系统、脉冲电源系统和加压装置，
所述三维运动系统包括X-Y向运动系统和Z向运动系统，所述电解质槽设置在所述X-Y向运动系统上，在所述X-Y向运动系统和所述电解质槽之间还设置有导体，所述电解质槽内填充有电解质溶液，所述脉冲电源系统的电源输出端与电源输入端通过导线分别与所述电解质槽内的电解质溶液和导体相连已形成回路，所述加压系统与毛细管相连，在所述毛细管上设置所述Z向运动系统，所述毛细管内填充有金属盐溶液，所述碳纳米管纤维固定在所述电解质槽的底端。
2.根据权利要求1所述的一种金属和碳纳米管纤维之间微连接的装置，其特征在于：所述脉冲电源系统采用波形发生器，波形发生器不仅可以输出上、下沿较快的矩形方波信号，也能输出正弦波、三角波、梯形波、锯齿波、单次脉冲等任意波形，输出脉冲波形的正、负极性能够任意选择，能够根据实际情况选择波形。
3.根据权利要求1所述的一种金属和碳纳米管纤维之间微连接的装置，其特征在于：所述毛细管采用纯铜毛细管。
4.根据权利要求3所述的一种金属和碳纳米管纤维之间微连接的装置，其特征在于：所述毛细管的内径为200-500微米。
5.根据权利要求4所述的一种金属和碳纳米管纤维之间微连接的装置，其特征在于：所述毛细管的首端打磨呈坡口状，所述毛细管的尾端与所述加压装置相连。
6.一种金属和碳纳米管纤维之间微连接的方法，其特征在于：按照下述步骤进行：
步骤1，将碳纳米管纤维固定在电解质槽的底部；
步骤2，按照比例配置好电解质溶液和金属盐溶液，将电解质溶液加入到电解质槽内，金属盐溶液填充到毛细管内，并将毛细管的首端浸入电解质溶液的液面以下，毛细管尾端连接加压装置；
步骤3，开启三维运动系统，通过控制X-Y向运动系统和Z向运动系统的运动，调整好整个装置中毛细管与相邻的碳纳米纤维之间的相对位置，调整完毕后，开启加压装置，在加压装置作用下，毛细管内的金属盐溶液在电解质溶液中形成弯液面，当弯液面接触到导体时形成回路，金属从金属盐溶液中被还原出来沉积在相邻的碳纳米管之间，慢慢上移毛细管并持续施加压力，使金属连续沉积并最终包裹碳纳米管。
7.根据权利要求6所述的一种金属和碳纳米管纤维之间微连接的方法，其特征在于：在步骤1中，所述碳纳米管纤维在使用前需经过超声波清洗方式清洗干净后再固定在电解质槽的底部。
8.根据权利要求6所述的一种金属和碳纳米管纤维之间微连接的方法，其特征在于：在步骤3中，所述毛细管向上移动的速度为1-5微米/秒。
9.根据权利要求6所述的一种金属和碳纳米管纤维之间微连接的方法，其特征在于：脉冲电源的峰值电压为800-1000mV、频率为100-1000Hz、占空比为10-30％，铜毛细管阳极的回撤速度为1-2.5μm/min-1以及喷嘴与基体上表面的初始距离为150-250μm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Wang Xiaohua Inventor after: Luo Zhen Inventor after: Lin Wanli Inventor after: Zhang Qian Inventor after: Guo Jing Inventor before: Luo Zhen Inventor before: Lin Wanli Inventor before: Zhang Qian Inventor before: Guo Jing |