MX2011003316A

MX2011003316A - Recubrimiento de compuesto de metal/cnt y/o fulerenos en materiales en tiras.

Info

Publication number: MX2011003316A
Application number: MX2011003316A
Authority: MX
Inventors: Dirk Rode; Helge Schmidt; Isabell Buresch; Udo Adler; Sonja Priggemeyer
Original assignee: Kme Germany Ag & Co Kg
Priority date: 2008-10-24
Filing date: 2009-09-03
Publication date: 2011-04-27
Also published as: US20110203831A1; WO2010045904A2; EP2342366B1; CA2731922A1; MX344640B; RU2485214C2; RU2011108261A; CN102099506B; WO2010045904A3; JP5551173B2; KR101318536B1; KR20110069820A; DE102008053030A1; EP2342366A2; CN102099506A; JP2012506356A; BRPI0919567A2

Abstract

La invención se refiere a un recubrimiento compuesto de metal/nanotubo de carbono (CNT) y/o fulerenos en tiras de metal o tiras de metal pre-estampadas, que tienen un coeficiente de fricción mejorado y/o una buena resistencia de transición de contacto y/o una buena resistencia a la corrosión por fricción y/o buena resistencia al desgaste y/o buena deformabilidad. La invención se refiere además a un método para la producción de una tira de metal recubierta de conformidad con la invención.

Description

RECUBRIMIENTO DE COMPUESTO DE METAL/CNT Y/O FULERENOS EN MATERIALES EN TIRAS La invención se refiere a un recubrimiento de compuesto de metal/nanotubos de carbono (CNT) y/o fulerenos en tiras de metal que presenta un mejor coeficiente de fricción, una buena resistencia de transición de contacto, una buena resistencia a la corrosión por fricción, una buena resistencia al desgaste y una buena deformabilidad . La invención se refiere además a un procedimiento para la fabricación de una tira de metal recubierta de conformidad con la presente invención.

Los nanotubos de carbono (CNTs) fueron descubiertos por Sumió Iijama en el año de 1991 (véase S. Iijama, Nature, 1991, 354, 56) . Iijama encontró en el hollín de un generador de fulerenos, en determinadas condiciones de reacción, estructuras de tipo tubo de solamente algunas decenas de nm de diámetro, pero de hasta algunos micrómetros de longitud. Los compuestos encontrados por él consistían de varios tubos de grafito concéntricos por lo que recibieron la designación de nanotubos de carbono de paredes múltiples (multi-wall carbón nanotubes, M CNTs por sus siglas en inglés). Poco después Iijama e Ichihashi descubrieron CNTs de una sola pared de solamente aproximadamente 1 nm de diámetro que recibieron la denominación de nanotubos de carbono de una sola pared (SWCNTs, por sus siglas en inglés) (véase S.

Iijama, T. Ichihashi, Nature, 1993, 363, 6430) .

Entre las propiedades sobresalientes de los CNTs se puede mencionar, por ejemplo, su resistencia a la tracción mecánica y su rigidez de aproximadamente 40 GPa y 1 TPa, respectivamente (20 veces y 5 veces más altas, respectivamente, que las propiedades correspondientes del acero) .

En el caso de los CNTs existen materiales conductores así como materiales semiconductores. Los nanotubos de carbono pertenecen a la familia de los fulerenos y poseen un diámetro desde 1 nm hasta algunas centenas de nm. Los nanotubos de carbono son, a nivel pequeñas estructuras microscópicas en forma de tubos (nanotubos moleculares) de carbono. Sus paredes consisten, como en el caso de los fulerenos, o bien como en el caso de los planos del grafito, solamente de carbono, en donde los átomos de carbono asumen una estructura de tipo panal con seis esquinas cada una presentando tres socios de unión (predeterminado a través de hibridación sp2) . El diámetro se encuentra principalmente en el rango de 1 a 50 nm, pero se fabricaron también tubos con solamente 0.4 nm de diámetro. Se alcanzaron longitudes desde varios milímetros en el caso de tubos individuales hasta 20 cm en el caso de grupos de tubos.

La síntesis de los nanotubos de carbono se efectúa habitualmente a través de la separación del carbono a partir de la fase, gaseosa o bien de un plasma. Para la industria electrónica las características de conducción eléctrica y conducción térmica sobre todo son interesantes. La capacidad de conducción eléctrica se encuentra según las estimaciones a un nivel 1000 veces mayor gue en el caso de los alambres de cobre, la conducción térmica, a temperatura ambiente se establece en 6000 W/m*K lo gue es casi el doble de lo gue se obtiene con el diamante gue es el mejor conductor térmico gue se encuentra en la naturaleza.

Como se mencionó arriba, los nanotubos de carbono pertenecen al grupo de los fulerenos. Los fulerenos son moléculas esféricas de átomos de carbono con mayor simetría, gue representan el tercer alótropo del carbono (además del diamante y del grafito) . La fabricación de los fulerenos se efectúa habitualmente mediante la vaporización del grafito bajo presión reducida y bajo una atmósfera de gas protector (por ejemplo, argón) con calefacción por resistencia o bien en arco voltaico. Como subproducto se producen frecuentemente los nanotubos de carbono mencionados arriba. Los fulerenos tienen propiedades semiconductoras hasta súper conductoras.

En el estado de la técnica se sabe mezclar los nanotubos de carbono con plásticos habituales. De esta manera se mejoran en forma importante las propiedades mecánicas de los plásticos. Además es posible fabricar plásticos conductores de la electricidad; por ejemplo se utilizan ya nanotubos para la formación de hojas antiestáticas conductoras.

Componentes electromecánicos como, por ejemplo, conectores, interruptores, relevadores, tarjetas de conexión enchufables presentan actualmente un recubrimiento de estaño o plata o Ni, lo que representa frecuentemente el problema de un bajo coeficiente de fricción y/o una baja resistencia de transición de contacto, una resistencia baja al desgaste y/o una deformabilidad limitada. La utilización de nanotubos de carbono y/o fulerenos para mejorar estas propiedades no se conoce en el estado de la técnica actual.

El objeto de la presente invención es proporcionar un componente ¦ electromecánico que supera los inconvenientes mencionados arriba, es decir que presenta un coeficiente de fricción mejorado y/o una buena resistencia de transición de contacto y/o una buena resistencia al desgaste y/o una buena deformabilidad .

El objeto se logra a través de una tira de metal que comprende un recubrimiento de nanotubos de carbono y/o fulerenos y metal.

Como tira de metal dentro del marco de la presente invención se entiende preferentemente una tira de metal o un componente electromecánico que consiste preferentemente de cobre y/o aleaciones de cobre, aluminio y/o aleaciones de aluminio o hierro y/o aleaciones de hierro.

Preferentemente la tira de metal comprende una capa de barrera a la difusión que se aplica preferentemente en ambos lados de la tira de metal. La tira de metal debe ser no aislante. Preferentemente la capa de barrera a la dispersión comprende un metal de transición o consiste de . un metal de transición. Metales de transición preferidos son, por ejemplo, Mo, B, Co, Fe/Ni, Cr, Ti, W ó Ce.

Los nanotubos de carbono están arreglados en forma de columnas sobre la tira de metal, lo que se puede lograr a través del procedimiento de conformidad con la presente invención descrito abajo. Los nanotubos de carbono pueden ser nanotubos de carbono de una sola pared o bien de paredes múltiples, lo que puede ser controlado también a través del procedimiento de conformidad con la presente invención. Los fulerenos están arreglados preferentemente en forma de esferas sobre la tira de metal.

Preferentemente, el recubrimiento puede contener también grafenos .

Por grátenos se entienden capas monoatómicas de átomos de carbono con hibridación sp2. Los grafenos presentan una muy buena conducción eléctrica y térmica a lo largo de su plano. La elaboración del grafeno se efectúa mediante la disociación del grafito en sus planos de base. Para esto se intercala primer oxigeno. El oxigeno reacciona parcialmente con el carbono y lleva a una repulsión reciproca de las capas. Finalmente, los grátenos son suspendidos e integrados según el propósito de empleo, por ejemplo, en polímeros o bien como en el caso de la presente invención como componentes de recubrimiento para una tira de metal.

Una posibilidad adicional de formación de las capas individuales de grafeno es el calentamiento de las superficies de carburo de silicio hexagonales a temperaturas superiores a 1400°C. Con base en la presión de vapor más elevada del silicio, los átomos de silicio se evaporan más rápidamente que los átomos de carbono. En la superficie se forman entonces capas delgadas de grafito cristalino que consisten de algunas monocapas de grafeno.

En una modalidad preferida los grafenos y/o los nanotubos de carbono y/o los fulerenos forman un compuesto. Esto significa que los grafenos con los nanotubos de carbono, los grafenos con los fulerenos, los fulerenos con los nanotubos de carbono o bien todos los componentes juntos pueden formar un compuesto. De manera especialmente preferida, los grafenos están arreglados ortogonalmente en los nanotubos de carbono y/o fulerenos, y de esta manera forman, por ejemplo, el extremo de un tubo en dirección axial, o bien los grafenos y los fulerenos están arreglados ortogonalmente en los nanotubos de carbono. Un arreglo ortogonal de grafenos y fulerenos significa casi un arreglo tangencial de los grafenos en los fulerenos. Un arreglo ortogonal de los fulerenos en los nanotubos de carbono puede considerarse como teniendo la forma de un cetro en donde los fulerenos se asientan en un extremo de un nanotubo de carbono.

La tira de metal presenta preferentemente un espesor de 0.06 hasta 3 mm, de manera especialmente preferida de 0.08 a 2.7 m .

El objeto de la presente invención es también un procedimiento para la fabricación de una tira de metal recubierta con nanotubos de carbono y/o fulerenos y metal, que comprende los pasos siguientes: a) recubrir una tira de metal con una capa de barrera a la difusión, b) aplicar una capa de nucleación sobre la capa de barrera a la difusión, c) someter la tira de metal tratada de conformidad con los pasos a) y b) a una atmósfera que contiene compuestos orgánicos, gaseosos, d) formar nanotubos de carbono y/o fulerenos en la tira de metal a una temperatura comprendida dentro de un rango de 200°C a 1500°C, e) impregnar los nanotubos de carbono y/o fulerenos con un metal.

En el procedimiento de conformidad con la presente invención se prefiere que la tira de metal esté recubierta en ambos lados con la capa de barrera a la difusión. Sobre la capa de barrera a la difusión se aplica preferentemente una capa de nucleación, la cual fomenta el crecimiento los nanotubos de carbono en forma de columna o la aparición de los fulerenos . La capa de nucleación que se utiliza en el procedimiento comprende preferentemente una sal de metal seleccionado entre los metales del grupo Fe, de los subgrupos 8, 9 y 10 de la Tabla Periódica de los Elementos.

La tira de metal tratada de esta manera será sometida después a una atmósfera que es preferentemente una atmósfera de hidrocarburo. De manera especialmente preferida, la atmósfera de hidrocarburo es una atmósfera de metano, en donde además se agrega a la atmósfera o atmósfera de hidrocarburo un gas portador. Como gas portador se puede utilizar, por ejemplo, el argón.

La formación de los nanotubos de carbono y/o fulerenos sobre la tira de metal se efectúa habitualmente a una temperatura dentro de un rango de 200°C hasta 1500°C. A una temperatura dentro de un rango de 200°C hasta 900°C se forman principalmente nanotubos de carbono de paredes múltiples (M CNTs, por sus siglas en inglés) . A una temperatura mayor que 900°C hasta aproximadamente 1500°C se forman preferentemente nanotubos de carbono de una sola pared (SWCNTs, por sus siglas en inglés) . La calidad de los nanotubos de carbono puede ser mejorada cuando el crecimiento se efectúa en un entorno húmedo. La formación de los nanotubos de carbono en la tira de metal se efectúa en forma de columna lo que es fomentado por la capa de nucleación. Los fulerenos tienen preferentemente una forma de esfera en la tira de metal.

Finalmente se efectúa una impregnación de los nanotubos de carbono y/o fulerenos con un metal. Como metales se pueden utilizar los metales mencionados arriba Sn, Ni, Ag, Au, Pd, Cu ó W, así como' sus aleaciones.

La impregnación de los nanotubos de carbono y/o fulerenos con el metal se efectúa preferentemente en un procedimiento en vacio, por ejemplo CVD (depósito químico en fase vapor, por sus siglas en inglés) o PVD (depósito físico en fase vapor, por sus siglas en inglés), electrolítico, a través de un procedimiento reductor sin corriente, o a través de derretimiento/infiltración .

Preferentemente se introducen también grafenos en el recubrimiento. Preferentemente los grafenos y/o nanotubos de carbono y/o fulerenos forman un compuesto. Esto significa que los grafenos con los nanotubos de carbono, los grafenos con los fulerenos, los fulerenos con los nanotubos de carbono o bien los tres componentes juntos pueden formar un compuesto. De manera particularmente preferida, los grafenos están arreglados ortogonalmente en los nanotubos de carbono y/o fulerenos por lo que, por ejemplo, representan el extremo de un tubo en dirección axial, o bien los grafenos y los fulerenos están arreglados ortogonalmente en los nanotubos de carbono. Un arreglo ortogonal de los grafenos sobre los fulerenos significa casi un arreglo tangencial de los grafenos sobre los fulerenos. Un arreglo ortogonal de los fulerenos sobre los nanotubos de carbono puede representarse en forma de un cetro en donde el fulereno se asienta en un extremo de un nanotubo de carbono.

Una tira de metal recubierta con metal y nanotubos de carbono y/o fulerenos (y grafenos) fabricado de esta manera presenta un coeficiente de fricción mejorado, una buena resistencia de transición de contacto, una buena resistencia al desgaste y una buena deformabilidad y es por consiguiente sobresaliente como parte electromecánica, por ejemplo para conectores, interruptores, reveladores o similares. Especialmente en combinación con grafenos en forma del compuesto descrito arriba se puede proporcionar una conductividad eléctrica o térmica en dirección horizontal o vertical, lo gue es particularmente provechoso.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una tira de metal que comprende un recubrimiento de nanotubos de carbono y/o fulerenos y metal .

2. La tira de metal de conformidad con la reivindicación 1, que comprende además una capa de barrera a la difusión en ambos lados de la tira de metal.

3. La tira de metal de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada porque la capa de barrera a la difusión no es un aislante.

4. La tira de metal de conformidad con la reivindicación 2 ó 3, caracterizada porque la capa de barrera a la difusión comprende un metal de transición.

5. La tira de metal de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que se caracteriza porque el metal del recubrimiento se selecciona dentro del grupo que consiste de Sn, Ni, Ag, Au, Pd, Cu, W o sus aleaciones.

6. La tira de metal de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los nanotubos de carbono están arreglados en forma de columna en la tira de metal.

7. La tira de metal de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los nanotubos de carbono son nanotubos de carbono de una sola pared o bien de paredes múltiples.

8. La tira de metal de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la tira de metal presenta un espesor de 0.06 a 3 mm.

9. La tira de metal de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el recubrimiento contiene grátenos.

10. La tira de metal de conformidad con la reivindicación 9, caracterizada porque los grátenos y/o nanotubos de carbono y/o fulerenos forman un compuesto.

11. La tira de metal de conformidad con la reivindicación 9, caracterizada porque los grátenos y/o fulerenos están arreglados ortogonalmente en los nanotubos de carbono o bien porque los grafenos están colocados ortogonalmente en los nanotubos de carbono y/o fulerenos.

12. La tira de metal de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizada porque la tira de metal es pre-estampada .

13. Un procedimiento para la fabricación de una tira de metal recubierta con nanotubos de carbono y/o fulerenos y metal, que comprende los pasos de: a) cubrir una tira de metal con una capa de barrera a la difusión, b) aplicar una capa de nucleación sobre la capa de barrera a la difusión, c) someter la tira de metal tratada de conformidad con los pasos a) y b) a una atmósfera que contiene compuestos orgánicos, gaseosos, d) formar nanotubos de carbono y/o fulerenos en la tira de metal a una temperatura comprendida dentro de un rango de 200°C a 1500°C, e) impregnar los nanotubos de carbono y/o fulerenos con un metal .

14. El procedimiento de conformidad con la reivindicación 13, caracterizado porque la tira de metal está recubierta en ambos lados con la capa de barrera a la difusión.

15. El procedimiento de conformidad con la reivindicación 13 ó 14, caracterizado porque como capa de nucleación se utiliza una sal de metal seleccionada entre metales del grupo Fe, del subgrupo 8, 9 ó 10 de la Tabla Periódica de los Elementos.

16. El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 13 a 15, caracterizado porque la capa de nucleación es aplicada parcialmente (recubrimiento parcial).

17. El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 13 a 16, caracterizado porque la tira de metal es sometida a una atmósfera de hidrocarburo.

18. El procedimiento de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque, aparte de la atmósfera de hidrocarburo, se emplea un gas portador.

19. El procedimiento de conformidad, con cualquiera de las reivindicaciones 13 a 18, caracterizado porque la tira de metal es sometida a una atmósfera que contiene un compuesto orgánico, gaseoso, con un contenido de humedad de 50 a 90%.

20. El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 16, caracterizado porque la temperatura para la formación de los nanotubos de carbono y/o fulerenos alcanza un rango de 200°C a 900°C.

21. El procedimiento de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado porque se forman nanotubos de carbono de paredes múltiples (M CNTs, por sus siglas en inglés).

22. El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 13 a 19, caracterizado porque la temperatura para la formación de los nanotubos de carbono y/o fulerenos es mayor que 900°C hasta 1500°C.

23. El procedimiento de conformidad con la reivindicación 22, caracterizado porque se forman nanotubos de carbono de una sola pared (SWCNTs, por sus siglas en inglés) .

24. El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 13 a 23, caracterizado porque la formación de los nanotubos de carbono se efectúa en forma de columna en la tira de metal.

25. El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 13 a 24, caracterizado porque la impregnación de los nanotubos de carbono y/o fulerenos con el metal se efectúa a través de un procedimiento en vacio, electrolítico, reductor sin corriente o bien a través de derretimiento/infiltración.

26. El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 13 a 25, caracterizado porque se introducen .grafenos en el recubrimiento.

27. El procedimiento de conformidad con la reivindicación 26, caracterizado porque los grafenos son arreglados ortogonalmente en los nanotubos de carbono y/o fulerenos, o porque los grafenos y/o fulerenos se arreglan ortogonalmente en los nanotubos de carbono.

28. El procedimiento de conformidad con la reivindicación 26 ó 27, caracterizado porque los grafenos y/o los nanotubos de carbono y/o fulerenos forman un compuesto.

29. La utilización de una tira de metal de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12 o fabricada por un procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 13 a 28 como componente electromecánico o tarjeta de conexión.