CN112981398A - 金属-碳纳米管薄膜复合材料及其制备方法 - Google Patents

金属-碳纳米管薄膜复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种金属‑碳纳米管薄膜复合材料，包括至少一层碳纳米管薄膜及至少一层金属基体，所述碳纳米管薄膜与金属基体以固溶体结构连接。本发明利用含铁、钴、镍的金属材料可以与碳材料形成固溶体这一特性，使碳纳米管薄膜与金属基体通过固溶体结合，制得的复合材料具有更为优异的导电、导热及导磁性能。

Description

金属-碳纳米管薄膜复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及纳米复合材料技术领域，尤其涉及一种金属-碳纳米管薄膜复合材料及其制备方法。
背景技术
碳纳米管薄膜是由碳纳米管相互缠绕、重叠，管与管之间以范德华力相互作用而形成，是一种宏观上的二维材料，厚度介于单原子分子与微米毫米级别之间。碳纳米管薄膜保留了碳纳米管自身的微观形状，具有碳纳米管自身所具有的化学稳定性高、质量轻、电导率高、传热性能好、机械性能强、柔韧性高等特性，是碳纳米管研究领域的重要组成部分。在储能、仿生、防火、发热、电磁屏蔽、航空航天等方面都具有巨大的应用潜力。
将碳纳米管薄膜与传统的金属材料复合，使复合材料具有两种或多种材料特性，可实现各材料组分之间的互补和关联，达到单一组分材料所不能实现的性能。例如，金属与碳纳米管薄膜复合后得到的新型复合材料，一方面可以降低传统金属材料的质量，实现产品的轻质化；另一方面，金属优异的导电、导热特性与碳纳米管薄膜产生协同效应，使复合材料具有更为优异的性能。
中国专利CN103921520A公开了一种碳纳米管薄膜复合材料，碳纳米管薄膜为片状，在其上沉积功能性材料功能材料，然后在沉积有功能性材料的上面叠放一层碳纳米管薄膜，也可以叠放多层碳纳米管薄膜，再沉积上一层功能性材料。最后再在功能性材料上叠放碳纳米管薄膜，层间可以使用少量粘结剂再做压实处理，最终形成碳纳米管薄膜复合结构的材料。该方法在将金属材料沉淀到碳纳米管表面的时候需要控制金属材料的沉积量及沉积速度，否则容易发生金属纳米材料的团聚、沉积不均匀，工艺控制难度大，操作复杂。且各层之间需要通过高分子粘结剂粘结，高分子粘结剂的存在降低了复合材料的导电、导热、导磁性能。
发明内容
本发明的一个目的在于提出一种金属-碳纳米管薄膜复合材料及其制备方法，利用含铁、钴、镍的金属材料可以与碳材料形成固溶体这一特性，使碳纳米管薄膜与金属基体通过固溶体结合，制得的复合材料具有更为优异的导电、导热及导磁性能。
本发明采用的技术方案是：
一种金属-碳纳米管薄膜复合材料，包括至少一层碳纳米管薄膜及至少一层金属基体，所述碳纳米管薄膜与金属基体以固溶体结构连接。
进一步地，所述碳纳米管薄膜的厚度为10～100μm。碳纳米管薄膜的厚度也可大于100μm，10～100μm是现有制备方法所能实现的厚度范围。
进一步地，所述金属基体为金属铁、金属钴、金属镍、及以铁或钴或镍为主体的合金材料。
更进一步地，所述金属基体可以为板材、片材、带材、管材、线材或丝网。管材也可与碳纳米管薄膜复合，只是加压方式与板材、片材、带材、管材、线材或丝网不同。
一种如上述任意一项技术方案所述金属-碳纳米管薄膜复合材料的制备方法，包括依次连接的以下步骤：
(1)制备碳纳米管薄膜；
(2)通过高压处理使碳纳米管薄膜紧密贴合在金属基体的表面；
(3)将高压处理所得复合材料通过高温处理，使碳纳米管薄膜与金属基体的接触面形成固溶体，既得金属-碳纳米管薄膜复合材料。
进一步地，在步骤(1)中，碳纳米管薄膜由化学气相沉积法、浮动催化法或碳纳米管分散液制得。
进一步地，高压处理的方法为：将碳纳米管薄膜平铺在金属基体的表面，使用辊压机辊压。
更进一步地，辊压压力为0.15～0.25MPa。辊压压力根据材料形状选择，一般在0.15～0.25MPa范围内。
进一步地，高温处理的方法为：将辊压过复合材料置于高温炉内，通入惰性保护气体，升温至设定温度后恒温保持一段时间，使碳纳米管薄膜与金属基体接触面形成固溶体。
更进一步地，设定温度为500～600℃，恒温保持时间为：1～3小时。高温处理的温度及恒温保持的时间根据金属材料与碳纳米管薄膜形成固溶体的条件选择，一般在500～600℃、1～3小时范围内。
本发明的有益效果：本发明利用含铁、钴、镍的金属材料可以与碳材料形成固溶体这一特性，使碳纳米管薄膜与金属基体通过固溶体结合，在原子层面实现了紧密结合，层间不存在粘结剂，从而使复合材料具有更为优异的导电、导热、导磁以及电磁波吸收能力；本发明的制备方法，工艺简单、过程可控，不引入额外杂质，制造成本低。
附图说明
图1是本发明提出的金属材料与碳纳米管薄膜复合的示意图；
图2是实施例1铁箔与碳纳米管薄膜复合材料的放大175倍的扫描电镜图；
图3是实施例1铁箔与碳纳米管薄膜复合材料的X射线能谱分析图谱；
图4是实施例2镍箔与碳纳米管薄膜复合材料的放大4215倍下的扫描电镜图；
图5是实施例2镍箔与碳纳米管薄膜复合材料的X射线能谱分析图谱；
图6是实施例3镍网与碳纳米管薄膜复合材料的放大809倍的扫描电镜图；
图7是实施例3镍网与碳纳米管薄膜复合材料的X射线能谱分析图谱。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部。
参阅图1，本发明提供一种金属-碳纳米管薄膜复合材料，包括一层碳纳米管薄膜及两层金属基体，所述碳纳米管薄膜夹在两层金属基体之间，与金属基体以固溶体结构连接。本发明还提供另一种金属-碳纳米管薄膜复合材料，包括；两层碳纳米管薄膜及一层金属基体，所述金属基体夹在两层碳纳米管薄膜之间，与碳纳米管薄膜以固溶体结构连接。
需要说明是，本发明的金属-碳纳米管薄膜复合材料可以按上述两种方法叠设更多层的碳纳米管薄膜层和金属层。
下面以一层碳纳米管薄膜和一层金属层结合为例，说明本发明的金属-碳纳米管薄膜复合材料的制备方法。
实施例1
S1：利用气相浮动催化法制备出的厚度为30μm的碳纳米管薄膜；
S2：将碳纳米管薄膜平铺在铁箔表面，使用辊压机在0.15MPa的压力下对其进行辊压，使碳纳米管薄膜与铁箔紧密接触；
S3：将辊压过的复合材料放置于高温炉内，通入惰性保护气体，将高温炉升温至500℃并保持2小时，即可得到铁箔与碳纳米管薄膜复合材料A1。
对所得复合材料A1的横截面进行电镜扫描，结果如图2所示，从图2中可以看出铁箔与碳纳米管薄膜牢固地结合在一起。对所得复合材料A1的横截面进行元素线性能谱分析，结果见图3，通过图3可以看出在99～130μm的范围内两种材料以固溶体结构结合在一起。
实施例2
S1：利用气相浮动催化法制备出的厚度为40μm的碳纳米管薄膜；
S2：将碳纳米管薄膜平铺在镍箔表面，使用辊压机在0.20MPa的压力下对其进行辊压，使碳纳米管薄膜与镍箔紧密接触；
S3：将辊压过的复合材料放置于高温炉内，通入惰性保护气体，将高温炉升温至550℃并保持1.5小时，即可得到镍箔与碳纳米管薄膜新型复合材料A2。
对所得复合材料A2的横截面进行电镜扫描，结果如图4所示，从图4中可以看出镍箔与碳纳米管薄膜牢固地结合在一起。对所得复合材料A2的横截面进行元素线性能谱分析，结果见图5，通过图5可以看出在40～70μm的范围内两种材料以固溶体结构结合在一起。
实施例3
S1：利用气相浮动催化法制备出的厚度为40μm的碳纳米管薄膜；
S2：将碳纳米管薄膜平铺在镍网表面，使用辊压机在0.25MPa的压力下对其进行辊压，使碳纳米管薄膜与镍网紧密接触；
S3：将辊压过的复合材料放置于高温炉内，通入惰性保护气体，将高温炉升温至550℃并保持2小时，即可得到镍网与碳纳米管薄膜新型复合材料A3。
对所得复合材料A3的横截面进行电镜扫描，结果如图6所示，从图6中可以看出镍网与碳纳米管薄膜牢固地结合在一起。对所得复合材料A3的横截面进行元素线性能谱分析，结果见图7，通过图7可以看出在120～140μm的范围内两种材料以固溶体结构结合在一起。
实施例4
S1：利用气相浮动催化法制备出的厚度为60μm的碳纳米管薄膜；
S2：将碳纳米管薄膜平铺在钴带表面，使用辊压机在0.20MPa的压力下对其进行辊压，使碳纳米管薄膜与钴带紧密接触；
S3：将辊压过的复合材料放置于高温炉内，通入惰性保护气体，将高温炉升温至580℃并保持1.2小时，即可得到钴带与碳纳米管薄膜新型复合材料A4。碳纳米管薄膜和钴带之间形成铬碳固溶体。
实施例5
S1：利用气相浮动催化法制备出的厚度为80μm的碳纳米管薄膜；
S2：将碳纳米管薄膜平铺在304不锈钢板表面，使用辊压机在0.18MPa的压力下对其进行辊压，使碳纳米管薄膜与不锈钢板材紧密接触；
S3：将辊压过的复合材料放置于高温炉内，通入惰性保护气体，将高温炉升温至500℃并保持2小时，即可得到钴带与碳纳米管薄膜新型复合材料A5。碳纳米管薄膜和304不锈钢板材之间形成了铁碳、镍碳、铬碳固溶体。
实施例6
S1：利用气相浮动催化法制备出的厚度为100μm的碳纳米管薄膜；
S2：将碳纳米管薄膜平铺在304不锈钢板表面，使用辊压机在0.25MPa的压力下对其进行辊压，使碳纳米管薄膜与不锈钢丝网紧密接触；
S3：将辊压过的复合材料放置于高温炉内，通入惰性保护气体，将高温炉升温至560℃并保持2.5小时，即可得到钴带与碳纳米管薄膜新型复合材料A6。碳纳米管薄膜和304不锈钢板材之间形成了铁碳、镍碳、铬碳固溶体。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属-碳纳米管薄膜复合材料，其特征在于，包括至少一层碳纳米管薄膜及至少一层金属基体，所述碳纳米管薄膜与金属基体以固溶体结构连接。
2.根据权利要求1所述的金属-碳纳米管薄膜复合材料，其特征在于，所述碳纳米管薄膜的厚度为10～100μm。
3.根据权利要求1所述的金属-碳纳米管薄膜复合材料，其特征在于，所述金属基体为金属铁、金属钴、金属镍、及以铁或钴或镍为主体的合金材料。
4.根据权利要求4所述的金属-碳纳米管薄膜复合材料，其特征在于，所述金属基体可以为板材、片材、带材或丝网。
5.如权利要求1～4任意一项所述金属-碳纳米管薄膜复合材料的制备方法，其特征在于，包括依次连接的以下步骤：
(1)制备碳纳米管薄膜；
(2)通过高压处理使碳纳米管薄膜紧密贴合在金属基体的表面；
(3)将高压处理所得复合材料通过高温处理，使碳纳米管薄膜与金属基体的接触面形成固溶体，既得金属-碳纳米管薄膜复合材料。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，碳纳米管薄膜由化学气相沉积法、浮动催化法或碳纳米管分散液制得。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，高压处理的方法为：将碳纳米管薄膜平铺在金属基体的表面，使用辊压机辊压。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，辊压压力为0.15～0.25MPa。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，高温处理的方法为：将辊压过复合材料置于高温炉内，通入惰性保护气体，升温至设定温度后恒温保持一段时间，使碳纳米管薄膜与金属基体接触面形成固溶体。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，设定温度为500～600℃，恒温保持时间为：1～3小时。
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