MX2011003398A - Metodo para la produccion de un recubrimiento que contiene nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos. - Google Patents
Metodo para la produccion de un recubrimiento que contiene nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos.Info
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Abstract
La invención se refiere a un método para la producción de un recubrimiento que contiene nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos en un sustrato, dicho método comprende los pasos de aplicar nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos en un recubrimiento que contiene estaño e introducir nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos en el recubrimiento mediante tratamiento mecánico y/o térmico. La invención se refiere además al sustrato recubierto producido por el método de conformidad con la presente invención y al uso del sustrato recubierto como componente electromecánico o tarjeta de conexión.
Description
MÉTODO PARA LA PRODUCCIÓN DE UN RECUBRIMIENTO QUE CONTIENE
NANOTUBOS DE CARBONO, FULERENOS Y/O GRAFENOS La invención se refiere a un procedimiento para la fabricación de un recubrimiento que contiene nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos en un sustrato, que comprende la aplicación de nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos en el recubrimiento que contiene estaño y la introducción de los nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos en el recubrimiento mediante tratamiento mecánico o térmico. La invención se refiere además al sustrato recubierto fabricado mediante la utilización del procedimiento de la presente invención asi como al empleo del sustrato recubierto como componente electromecánico.
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, MWCNTs 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 asi 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 que en el caso de los alambres de cobre, la conducción térmica, a temperatura ambiente se establece en 6000 W/m*K lo que es casi el doble de lo que se obtiene con el diamante que es el mejor conductor térmico que se encuentra en la naturaleza.
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.
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, que 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. Por grafenos 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 de los grafenos 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 grafenos son suspendidos e integrados según el propósito de empleo, por ejemplo, en polímeros.
Una posibilidad adicional de formación de las capas individuales de grafenos 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 grafenos.
Se utilizan habitualmente estaño o aleaciones de estaño para soldar contactos eléctricos, por ejemplo para unir alambres de cobre entre ellos. Asimismo se aplican frecuentemente estaño o aleaciones de estaño sobre conexiones con el objeto de mejorar el coeficiente de fricción, para proteger contra la corrosión y también para mejorar la conducción. El problema en el caso del estaño o de las aleaciones de estaño es especialmente la suavidad del metal o de la aleación por lo que, especialmente en el caso de la conexión y separación frecuentes de los conectores y en el caso de vibraciones, la capa que contiene estaño se desgasta y por consiguiente se pierden las ventajas ofrecidas por la capa que contiene estaño .
El objeto de la presente invención consiste en proporcionar un recubrimiento de un material que contiene estaño que presenta una tendencia menor al desgaste por el uso y/o un comportamiento de corrosión por fricción mejorado conservando o mejorando las propiedades relacionadas con el coeficiente de fricción, la conducción y similares.
El objeto de la presente invención se logra a través de un procedimiento para la fabricación de un recubrimiento que contiene nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos, que comprende la aplicación de nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos sobre un recubrimiento que contiene estaño y la introducción de los nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos en el recubrimiento mediante un tratamiento mecánico o térmico.
El sustrato sobre el cual se encuentra el recubrimiento que contiene estaño es preferentemente un metal, prefiriéndose especialmente el cobre y sus aleaciones. Entre el recubrimiento que contiene estaño y el sustrato se puede aplicar de manera provechosa también por lo menos una capa intermedia adicional.
Como recubrimiento que contiene estaño sobre el sustrato se prefiere el estaño o una aleación de estaño. Sobre/dentro de la aleación de estaño se aplican/introducen nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos, en donde el metal de recubrimiento al momento de la aplicación o introducción de nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos puede encontrarse en estado sólido, liquido o viscoso.
Como se presentó arriba, los nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos son introducidos en el recubrimiento que contiene zinc y esto puede efectuarse mediante un tratamiento mecánico o térmico. El tratamiento mecánico comprende el hecho de. ejercer, una presión mecánica sobre los nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos.
Preferentemente, esto ocurre en la medida en que nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos son sometidos a una presión mecánica a través de un rodillo, una matriz de estampado, cepillos mecánicos, mediante rociado o mediante soplado. Dentro del marco de la presente invención, el rociado y el soplado se entenderán como el ejercicio de una presión mecánica .
El recubrimiento que contiene zinc puede encontrarse en estado sólido al momento de la aplicación de los nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos (también en estado agregado sólido), y la introducción de los nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos en el recubrimiento puede efectuarse mediante el hecho de ejercer una presión mecánica sobre los nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos mediante la utilización de un rodillo, una matriz de estampado o bien cepillos mecánicos.
Asimismo, el recubrimiento puede encontrarse en estado liquido o en estado viscoso al momento de la aplicación' de nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos, en donde la introducción de los nanotubos de carbono, fulerenos, y/o grafenos en el recubrimiento/el metal de recubrimiento se efectúa mediante el ejercicio de una presión mecánica sobre los nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos a través de un rodillo, una matriz de estampado, cepillos mecánicos, mediante rociado o mediante soplado. Si el recubrimiento se encuentra en estado liquido, al introducir los nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos, la temperatura puede ser inferior a la temperatura de fusión del recubrimiento de tal manera que los nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos se fijen en la capa.
Como se presentó arriba, la introducción de los nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos en el recubrimiento puede también efectuarse a través de un tratamiento térmico. El tratamiento térmico comprende el calentamiento del recubrimiento a una temperatura por encima o por debajo del punto de fusión del recubrimiento. El calentamiento a una temperatura por debajo del punto de fusión del recubrimiento lleva a un estado viscoso y el calentamiento a una temperatura por encima del punto de fusión del recubrimiento lleva a un estado liquido del recubrimiento.
En una modalidad, el recubrimiento se encuentra en estado sólido al momento de la aplicación de los nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos y es después llevado a una temperatura por encima del punto de fusión del recubrimiento. De esta manera los nanotubos de carbono, fulerenos, y/o grafenos se funden en el material de recubrimiento y pueden fijarse a través del enfriamiento del material de recubrimiento por debajo del punto de fusión.
En una modalidad adicional de la presente invención, el recubrimiento se encuentra en estado liquido al momento de la aplicación de los nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos y es llevado a una temperatura por debajo del punto de fusión del recubrimiento por lo que se fijan los nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos introducidos en el recubrimiento liquido.
En una modalidad adicional, el recubrimiento se encuentra en estado sólido al momento de la aplicación de los nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos y es llevado después a una temperatura inferior al punto de fusión del recubrimiento.
Este procedimiento es equiparable a un templado por lo que de esta manera el recubrimiento alcanza un estado viscoso y los nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos se introducen lentamente en el material de recubrimiento.
En todas las modalidades, es preferible que la aplicación de los nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos en el recubrimiento y/o la introducción de los nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos en el recubrimiento se efectúe bajo una atmósfera normal o bajo un gas protector. Dentro del marco de la presente invención se entiende por atmósfera normal el aire del entorno normal. Como gas de protección se puede utilizar cualquier gas conocido en el estado de la técnica que proporciona una atmósfera libre de oxigeno. Por ejemplo, como se sabe, se puede utilizar el nitrógeno o el argón.
En el procedimiento de conformidad con la presente invención se pueden utilizar nanotubos de carbono de una sola pared o bien nanotubos de carbono de paredes múltiples en forma de polvo o bien dispersados en una suspensión.
En una modalidad preferida adicional, antes de su aplicación sobre el recubrimiento los nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos pueden ser envueltos en metal. La aplicación de la envoltura puede efectuarse mediante un amasado mecánico con un metal. Para el amasado mecánico se puede utilizar por ejemplo un molino de bolas o bien un extrusor. La aplicación de la envoltura sobre los nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos puede también efectuarse a través de medios químicos, por ejemplo mediante la aplicación de una solución de sal de metal que es después reducida o bien a través de la aplicación de un óxido de metal que es después reducido.
Una modalidad adicional preferida de la presente invención es transferir a la tira de metal los nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos en una fusión de (aleación de) Sn dispersada a través de ultrasonido y llevar a un molinete con separación mecánica posterior.
Dentro del marco de la presente invención se prefiere además que los nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos formen juntos un compuesto, es decir que estén unidos entre ellos. Se prefiere especialmente que un grafeno esté arreglado ortogonalmente en un nanotubo de carbono en su extremo axial. De esta manera se puede lograr una conducción eléctrica y térmica en dirección horizontal y en dirección vertical. Asimismo, la capacidad de caga mecánica se eleva en dirección horizontal y en dirección vertical.
El objeto de la presente invención es también un sustrato recubierto que se fabrica de conformidad con el procedimiento de la presente invención. Se prefiere que el sustrato sea cobre o una aleación que contiene cobre o que comprenda cobre o una aleación que contiene cobre o Al o una aleación de Al o Fe o una aleación de Fe. Puede ser provechoso además que entre el recubrimiento que contiene zinc y el sustrato se apliquen capas intermedias.
El sustrato recubierto de conformidad con la presente invención es muy apropiado como componente electromecánico o tarjeta de conexión, especialmente como elemento de interrupción, conector y similares.
Claims (20)
1. Un procedimiento para la fabricación de un recubrimiento que contiene nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos sobre el sustrato, que comprende la aplicación de nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos en un recubrimiento que contiene estaño y la introducción de los nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos en el recubrimiento mediante tratamiento mecánico y/o térmico.
2. El procedimiento de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el recubrimiento que contiene zinc utilizado es zinc o una aleación de zinc.
3. El procedimiento de conformidad con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el recubrimiento se encuentra en estado sólido, liquido o viscoso al momento de la aplicación de los nanotubos, fulerenos y/o grafenos.
4. El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el tratamiento mecánico comprende la aplicación de presión mecánica sobre los nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos.
5. El procedimiento de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado, porque la aplicación de presión mecánica sobre los nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos se efectúa a través de un rodillo, una matriz de estampado, cepillos mecánicos, mediante rociado o mediante soplado.
6. El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, caracterizado porque el recubrimiento se encuentra en estado sólido al momento de la aplicación de los nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos y la introducción de los nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos en el recubrimiento se efectúa mediante el hecho de ejercer una presión mecánica sobre los nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos a través de un rodillo, una matriz de estampado, o cepillos mecánicos.
7. El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 3 a 5, caracterizado porque el recubrimiento se encuentra en estado liquido o viscoso al momento de la aplicación de los nanotubos, fulerenos y/o grafenos y la introducción de los nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos en el recubrimiento se efectúa mediante el hecho de ejercer una presión mecánica sobre los nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos a través de un rodillo, una matriz de estampado, cepillos mecánicos, a través de rociado o a través de soplado.
8. El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el tratamiento térmico comprende el calentamiento del recubrimiento a una temperatura por debajo o por encima del punto de fusión del recubrimiento .
9. El procedimiento de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el recubrimiento se encuentra en estado sólido al momento de la aplicación de los nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos y después se calienta a una temperatura por encima del punto de fusión del recubrimiento.
10. El procedimiento de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el recubrimiento se encuentra en estado liquido al momento de la aplicación de los nanotubos de ' carbono, fulerenos y/o grafenos y después se lleva a una temperatura por debajo del punto de fusión del recubrimiento.
11. El procedimiento de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el recubrimiento se encuentra en estado sólido al momento de la aplicación de los nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos y después se calienta a una temperatura por debajo del punto de fusión del recubrimiento.
12. El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque la aplicación de nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos sobre el recubrimiento y/o la introducción de nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos en el recubrimiento se efectúan bajo una atmósfera normal o bien bajo un gas protector.
13.: El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque como nanotubos de carbono se emplean nanotubos de carbono de una sola pared o de paredes múltiples.
14. El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos son provistos de una envoltura de metal antes de su aplicación sobre el recubrimiento.
15. El procedimiento de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque la envoltura se efectúa mediante amasado mecánico de los nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos con el metal o bien a través de una vía química.
16. El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque los nanotubos de carbono, fulerenos y/o grafenos son dispersados con ultrasonido en una fusión de metal que contiene estaño antes de la aplicación sobre la tira de metal y son llevados a un molinete con separación mecánica posterior para ajustar a un espesor de capa definido.
17. Un sustrato recubierto fabricado a través de un procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16.
18. El sustrato recubierto caracterizado porque el sustrato consiste de cobre o una aleación que contiene cobre, aluminio, o una aleación que contiene aluminio o hierro o una aleación que contiene hierro.
19. El sustrato recubierto de conformidad con la reivindicación 17 ó 18, caracterizado porque el sustrato comprende además por lo menos una capa intermedia, en donde la capa intermedia está colocada entre el sustrato y el recubrimiento que contiene estaño.
20. El empleo del sustrato recubierto de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 17 a 19 o fabricado según un procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16 como componente electromecánico o tarjeta de conexión.
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