TW200808647A - Carbon nanotube composition and method for making same - Google Patents

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200808647 九、發明說明： ΐ發明所屬之技術領域】 •本發明涉及一種奈米碳管複合材料及其製造方法，尤 其涉及一種具有定向導電導熱性的奈米碳管複合材料及其 製造方法。 ^ t先前技術] 自1991年曰本NEC公司的發明奈米碳管 (CarbonNanoTube，CNT)以來⑴]]黯 s.，，醜， 354^ 56-58) ’奈米碳管引起科學界及産業界的極大重視， 成爲近年來國際科學研究的熱點。奈米碳管具有許多優異 的特性，奈米碳管與聚合物複合可實現材料的優勢互補或 加強。故，利用奈米碳管作爲填充材料與工程材料複合成 爲奈米碳管重要研究方向之—。_地，絲碳管具有優 異的導熱錄，將奈米碳管_聚合物基體材料中结成一 體，然後騎模式謂成―種複合㈣。該方法製成 ^合材料主要細於發熱元件與散熱器之間，利用奈米 碳管的導難缺織合騎具有㈣ 碳管除具有優異的祕性能外，也具妓好的導電性= 碳管絲合_複合神也具有導電性，有著廣 _的景。例如，使用生長於襯底上的奈米碳管陣列 于二成晶片上的金屬管腳引線，將晶片直接扣合 管陣列圖形上，可實現導電的目的。先前的導電、 :、的不未碳管複合材料係將定向生長的奈米碳管陣列直 接，、基體材料複合，使得奈㈣請触奈米碳管生長方 200808647 向的縱向定向排列被固定。奈米碳管複合物膜具有垂直于 、複合物絲面，且沿奈米碳管生長方向向的導電、導 .熱性。惟’該奈米碳管複合材料越來越不能滿足多樣性的 應用要求。首先，要使奈米碳管複合物膜具有良好的導電、 導熱性’就要求複合誠的厚度小於或料於奈米碳管的 錢’所以複合_只能做到幾百微米的厚度；再者，先 前的奈米碳管複合_只能沿奈米碳管生長方向縱向導 電、導熱，不射㈣直于奈米碳管生長方向的橫向導電、 V熱性，傳導長度受奈米碳管長度限制。 有鑒於此，提供-種具有沿垂直于奈米破管生長方向 且平行于奈米碳管複合物表面方向的獅導電、導熱特 陡傳導長度任思可控的奈米碳管複合材料實為必要。 【發明内容】 以下通過具體實_棚—種具錢直于奈米碳管生 長方向且平行於奈米碳管複合物表面的橫向導電、導熱特 • 性，傳導長度任意可控的奈米碳管複合材料，以及其製造 方法。 一種奈米碳管複合材料，其包括基體以及分佈於該基 體中的多個奈米碳管，其中奈米碳管於基體中沿平行於基 體表面的同一方向排列。基體中的奈米碳管分佈于互相平 行的複數行/複數列上。每行/列的奈米碳管沿同一方向朝 向相鄰行/列的奈米碳管延伸。每行/列的奈米碳管與其相 鄰行/列的奈米碳管相接近但不接觸。可選擇地，每行/列 的奈米碳管與其相鄰行/列的奈米碳管相接觸。基體材料為 200808647 树月曰材料、導熱膠或其混合物。樹脂材料為環氧樹脂、丙 烯酸樹脂、矽樹脂。 一種奈米碳管複合材料的製造方法，其中，包括以下 步驟：提供-襯底，在襯底表面製造平行排列且相互間隔 -定距離的條帶狀催化劑層；在催化劑層上生長定向排列 的奈米奴官陣列，將奈米碳管陣舰同襯底浸人液態基體 材料中，使基體材料與奈米碳管複合；在基體材料尚未完 全固化時，驗理加卫方法壓倒奈米碳管，使得奈米碳管 於基體材料巾沿平行於紐獅表面__方向排列；固 化基體材料⑽成奈米碳管複合機。該物理加工方法包 括用柱狀卫具健，妓職光平面的平板壓倒奈米碳 官。條帶狀催賴的寬度範目爲10微米至幾十微米。條帶 狀催化劑_距大於奈米碳f長度。可選擇地，條帶狀催 化劑的_小於鱗於奈米碳錄度。奈米碳管的長度爲 loo’。辦。it步驟可進一步包括通過切割法或磨ς法 去除奈米礙管複合材料表面的雜綱。基體材料的固化 時間應控制在15分鐘内。 與先前技術相比較，所述的奈米碳管複合材料具有以 :優點：其―，利用奈米碳管制得的複合材料，因奈米石炭 以垂直于奈米碳管生長方向關—方向橫向排列且夺米 碳管具有均勻、超順的優點，該複合材料具有橫向的導電 導熱效率高轉電導熱均㈣雛；其二，糊本方法 得=複合材料，不受奈米碳管的生長長度限制，可以得到 任意傳導長度合娜：料，_本方法，通過控制 200808647 碳納米陣列的生長長度或者通過控制催化劑的間距，可以 -製成通過電壓控制導通狀態的智慧開關，因而擴大奈米碳 管複合材料的應用範圍。 m 【實施方式】 下面將結合附圖詳細說明奈米碳管複合材料的結構及 其製造方法。 請參閱圖1及圖2，本發明的第-實施例提供一種奈 米奴官複合材料10，其包括基體材料14和分散在基體材 馨料14⑽複數個奈米碳管12。該基體材料14為一薄膜。 複數奈米石反官12彼此基本相互平行分佈於基體材料 中’且石平行於基體材料14表面排列。進一步地，複數奈 米碳管12於基體材料14中分佈於相互平行的複數行/列 上，相鄰行/列的複數奈米碳管12首尾相接近但不接觸。 本實施例中，基體材料14可爲聚合物材料，包括預先爲液 態而固化或凝固後成固體的有機材料，如環氧樹脂、丙烯 _ 酸樹脂、砍樹脂等樹脂材料或導熱膠材料及其混合物。奈 米石厌官12的長度大致相同，平均長度爲1〇〇_2〇〇微米。 請參_ 3及圖4 ’本發_第二實施例提供一種奈 米碳管複合材料20，其包括基體材料24和分散在 料24内的複數個奈米碳管22。該基體材料24為一薄膜， 複數奈絲管22於基體㈣24巾沿平行於基體材料24 表面的同一方向排列。該奈米碳管複合材料2〇與第一實施 例的奈米碳管複合材料1〇結構大致相同，其區別在於第二 實施例的奈米碳管複合材料20中相鄰行/列的複數奈米碳 200808647 S 22百尾相接觸，形成複數沿平行於基體材料24表面同 _方向排觸導電導熱通道，彻奈米碳管22本身極佳的 ，導熱導電性能，奈米碳管複合材料2〇具有橫向的導電導熱 性能。 «月參閱圖5至圖9 ’以第一實施例為例，說明製造上 述奈米碳管複合材料1G的方法包括以下步驟： ^驟一’參閱圖5,提供一襯底36,在襯底36表面製 2^平行的，具有—定間距和寬度的複歸帶雜化劑薄膜 ^ 38 ;其中，所述襯底36可選擇爲玻璃、石英、矽或氧化鋁 等。所述催化劑薄膜38的材料爲鐵、鈷、鎳、鈀等過渡金 屬及其任意組合的合金。本實施例中優選為以石夕做爲概底 36 ’在独底上用熱沈積法、電子束沈積法_射法製造 一層厚度約5奈米的鐵膜。鐵膜的圖形化則可通過光刻法 或掩模法來實現。 步驟一’參閱圖6，在催化劑38上生長定向排列的奈 米碳管12 ;奈米碳管12可通過化學氣相沈積法製造。步 驟一具體包括以下步驟：將預先成形有條帶狀催化劑薄膜 38的襯底36置入化學氣相沈積腔體中，然後在高溫下通 入碳源氣體用以製造相互平行的複數行/複數列排布的奈 米碳管12。所述炭源氣可選擇為甲烧、乙浠、丙烯、乙炔、 甲醇或乙醇等。本實施例優選為將帶有催化劑薄膜38的襯 底36在空氣中300°C條件下退火，然後在化學氣相沈積腔 體中，700°C條件下以乙烯爲碳源氣體生長奈米碳管12。 催化劑薄膜38的寬度和間距的選擇與奈米;6炭管12的生長 11 200808647 高度和生長密度相關，即奈米碳管12生長高度越高，催化 ‘劑薄膜38之間的間距可以選擇越寬，·奈米碳管12生長密 .度越大，則催化劑薄膜38本身的寬度就可以選擇越窄。反 之’奈米碳官12生長高度越低，催化劑薄膜38之間的間 距可以選擇越窄；奈米碳管12生長密度越小，則催化劑薄 膜38本身的覓度就可以選擇越寬。這樣控制係爲了保證催 ^匕劑薄膜38上錢生長岐_钱者足触度的奈米 石反吕12 ’而且使得奈米碳管12的長度與催化劑薄膜38的 目距大致相當。根據一般奈求碳管12生長長度的範圍，所 述催化劑薄膜38的優選寬度範圍爲1〇微米至幾十微米， 間距優廷為1〇〇一2〇〇微米，本實施例中催化劑薄膜的間 距略小於奈米碳管12的長度。 步驟二’參閱圖7，將奈米碳管12與基體材料14複一 合;將所述奈米碳管12連同襯底36浸入基體材料14的溶 液或溶融液中，使奈米碳管12與基體材料14複合。所述 ⑩紐材料可制聚合物材料，包括預先爲祕關化或凝 固後成固體的有機材料，如環氧樹脂、丙烯酸樹脂、石夕樹 脂等樹脂材料或導熱膠材料及其混合物，本實施例以石夕橡 膠爲例。具體方法可包括：在雜料加人適量㈣稀釋， 並力:入夕里固化劑’控制石夕橡膠溶液的固化時間多於兩個 厂^ 口化劑包括環氧樹脂固化劑、驗性類固化劑及酸性 卖 =化劑’其中驗性類固化劑包括脂肪族二胺、芳香族多 胺/文性脂肪胺及其它含氮化合物，酸性類固化劑包括有 機^ |^酐、二氟化爛及其絡合物。將所述奈米碳管η 12 200808647 浸入基體材料14溶液(即石夕橡膠溶液），在真空的環境下使 ω奈米碳管12與砍橡膠複合。 -步驟四，參閱圖8及圖9，在基體材料14尚未完全固 化時’壓倒奈米碳管12 ;取出已複合基體材料14的奈米 碳管12，在基體材料14尚未完全固化時，用物理加工方 法將奈米礙管陣列12沿基本垂直於條帶狀催化劑薄膜犯 的方向壓倒。壓倒後的奈米碳管12於基體材料14中沿垂 直于奈米碳f 12生長方向且平行於基體材料14表面的同 I向排列。物理加工方法包括用柱狀工具礙壓，或是用 ，抛光平面的平板將奈米碳管12壓平。靜置一段時間， 等待基體材料14固化。根據基體材料14的固化快慢，步 驟三、四的總共操作時間應控制在-錄_，以避免奈 米碳管12無法在固化的基體材料14中被壓倒。在本實施 例中，上述步驟三、四的操作時間最好控制在15分鐘内。 步驟五’在基體材料14完全固化後，將形成的複合物 • 2襯底36剝離，以形成奈米碳管複合材料10。奈米碳管 複合材料10中，複數相互平行的奈米碳管12於基體材料 14中分佈於相互平行的複數行/列上，奈米碳管12沿平行 於基體材料14的表面排列，相鄰行/列的奈米碳管12的間 距略大於奈米碳管12的長度。 本技術領域的技術人員應明白，本實施例奈米碳管複 合材料製造方法可進一步包括將剝離後的奈米碳管複合材 料用本技術領域人員所熟知的方法，如切割法、磨削法等， 進行加工處理，以除去奈米碳管複合物表面殘餘的催化劑。 13 200808647 另外，上述奈米碳管複合材料的製造方法還可通過控 .制相鄰行/列奈米碳管的間距小於或者等於奈米碳管的: 長長度’使相鄰行/刺奈米碳f相接觸，從而得到第二實 施例的奈米碳管複合材料2〇。 本技術領域的技術人員應明白，用物理加工方法將奈 米碳管推倒時，沿與條帶狀催化劑不完全垂直，也不完2 平行，而是成一定角度推倒時，通過控制相鄰行7列奈米碳 官的間距和奈米碳管的生長長度，也可使相鄰行/列的奈米 碳管相接近或者相接觸。 本發明的奈祕管複合材料根據其巾奈#碳管的接觸 狀況可應胁乡觀域。例如，該奈米碳管複合材料可用 做導電導熱膜。請參閱圖3，奈米碳管22與基體材料24 形成奈米碳管複合㈣20。當奈米碳管22長度大於或等 於相鄰行/列奈米碳管的間距時，壓倒後的相鄰行/列奈米 碳管22有部分重叠或恰好相互接觸，使得相鄰行/列的奈 米石反官22形成較好的接觸。利用奈米碳管22本身縱向導 電、導熱性忐，上述產品可形成沿垂直于奈米碳管22生長 方向且平行於基體材料24表面的具有橫向導電、導熱性的 導電導熱膜。 又例如，該奈米碳管複合材料也可用做智慧開關。請 參閱圖10，奈米碳管42與基體材料44形成智慧開關40。 當奈米碳管42長度略小於相鄰行/列的奈米碳管42的間距 時，壓倒後的相鄰行/列的奈米碳管42之間存在一細小間 隙，該間隙被基體材料44填充，使得相鄰行/列的奈米碳 200808647 官42之間沒有形成直接接觸。在垂直奈米碳管处生長方 ‘向並平行於基體材料44財向上，也即沿被壓倒後的夺米 -碳管42的方向上施加電壓，若電壓較小，則由於基體^斗 44的存在而不導通；若電壓足夠大，奈米碳管乜之間的 基體材肖44被電子擊穿，從而使奈米碳管複合材料薄膜沿 平仃基體材料44的表面導通。因此形成—個由電壓控制其 導通狀態的智慧開關40。 "八 馨 綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法 提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例， 自不能以此關本案之暢專利細。舉凡熟悉本案技藝 之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵 蓋於以下申請專利範圍内。 “ 【圖式簡單說明】 圖1係本發明第一實施例中奈米破管複合材料的剖面 示意圖。 • 圖2係本發明第一實施例中奈米碳管複合材料的俯視 示意圖。 圖3係本發明第二實施例中奈米碳管複合材料的剖面 示意圖。 圖4係本發明第二實施例中奈米碳管複合材料的俯視 示意圖。 圖5係本發明第一實施例中形成有條帶狀催化劑薄膜 的襯底的俯視圖。 圖6係圖5所示襯底上生長有圖形化定向排列的奈米 15 200808647 碳管的示意圖。 體溶液中浸 圖7係圖6所示的奈米碳管連同襯底在基 泡的示意圖。 圖 的示意圖 8係本發明第_實施射浸有基體材料的奈米碳管 圖9係圖8中的奈米碳管被壓倒的示意圖。 圖10係本發明第二實施例中將奈米碳管複合材料作 爲智慧開關的應用示意圖。 •【主要元件符號說明】 奈米碳管複合材料 10 >20 奈米碳管 12、22、42 基體材料 14、24、44 36 催化劑 38 智慧開關 肋 16

Claims (1)

1. 200808647 十、申請專利範圍 1· 一種奈米妷官複合材料，其包括基體以及分佈於該基體 .中的複數奈米碳管，其改良在於：該奈米碳管於基體 中沿平行於基體表面的同一方向排列。 2·如申請專利範圍第丨項所述的奈純管複合材料，其 中，基體中的奈米碳管分佈于互相平行的複數行/複數 列上。 3·如申請專纖圍第2項所述的奈純管複合材料，其 中’每行/列的奈米碳管沿同一方向朝向相鄰行/列的 奈米碳管延伸。 4·如申請專利範圍第3項所述的的奈米碳管複合材料，其 中，母行/列的奈米碳管與其相鄰行/列的奈米碳管相 接近但不接觸。 5·如申4專利細第3項職的奈米碳管複合材料，其 中’每订/列的奈米碳管與其相鄰行/列的奈米碳管相 接觸。 6·如申請專利翻第1項所述的奈米碳管複合材料，其 中，該基體材料為翻旨材料、導娜或其混合物。 7. 如申請專魏6彻_奈米碳储合材料，其 中，該樹脂材料為環氧樹脂、丙烯酸樹脂、石夕樹脂。 8. -種奈米碳管複合簡賴造方法，其包括以下步驟： m表Φ製造平行·且相互間隔-定距離的條帶狀催蝴層；在雜繼上生長定向排 列的奈求碳管陣列；將奈米碳管陣列浸入液態基體材 17 200808647 料中，使基體材料與奈米碳管複合，·在基體材料尚未 ‘完全固化時’用物理加卫方法_奈米碳管，使得齐 -米碳管於基體材料令沿平行於基體材料表面的同一^ 向排列；職基體材料以形成奈米碳管複合材料。 9.如申明專利祕第8項所述的的奈米碳管複合材料的 製造方，，其中，該物理加工方法包括用柱狀工具礙 壓，或是用抛光平面的平板壓倒奈米碳管。 R如㈣專彻爾8項所述的的奈米碳管複合材料的 製造方法，其中，條帶狀催化劑寬度範圍爲10微米至 幾十微米。 11·如申請翻刻第8撕述_奈米碳管複合材料的 製造方法，其中，條帶狀催化劑的間距大於奈米碳管 長度， 12·如申請專利範圍第8項所述的的奈米碳管複合材料的 製ie方法，其中，條帶狀催化劑的間距小於或等於奈 0 米碳管長度。 ' 13·如申請翻朗第8頓述關奈米碳管複合材料的 製造方法，其中，奈米碳管的長度爲100〜200微米。 14·如申請專利範圍第8項所述的的奈米碳管複合材料的 製造方法，其中，可進一步通過切割法或磨削法去除 奈米碳管複合材料表面的催化劑層。 15 ·如申請專利範圍第8項所述的的奈米碳管複合材料的 製造方法，其中，基體材料的固化時間應控制在15分 鐘内。 18