TWI409217B - 奈米碳管結構之製備方法 - Google Patents

Description

奈米碳管結構之製備方法

本發明涉及一種奈米碳管結構之製備方法。

奈米碳管係一種由石墨烯片卷成之中空管狀物。奈米碳管具有優異之力學、熱學及電學性質，其應用領域非常廣闊。例如，奈米碳管可用於製作場效應電晶體、原子力顯微鏡針尖、場發射電子槍、奈米模板等。上述技術中奈米碳管之應用主要係奈米碳管在微觀尺度上之應用，操作較困難。故，使奈米碳管具有宏觀尺度之結構並在宏觀上應用具有重要意義。

為克服上述問題，范守善等人在2008年8月16日公開之第TW200833862號專利申請揭示了一種包括複數奈米碳管且具有宏觀尺度之奈米碳管薄膜之製備方法。所述奈米碳管薄膜包括複數奈米碳管通過凡得瓦力(Van der Waals attractive force)首尾相連，從而形成一由奈米碳管組成之自支撐結構在宏觀上得以應用。

然，由所述製備方法所製備之奈米碳管薄膜中之奈米碳管之間之結合力較弱，故，所述奈米碳管薄膜之機械性能還需進一步提高。

有鑒於此，提供一種製備良好機械性能之奈米碳管結構之方法實為必要。

一種奈米碳管結構之製備方法，其包括：提供一奈米碳管預製結構，所述奈米碳管預製結構包括複數奈米碳管通過凡得瓦力相連；將所述奈米碳管預製結構在低氧環境中進行熱處理，使至少部分相鄰之奈米碳管之間形成碳碳鍵。

一種奈米碳管結構之製備方法，其包括：提供一基底及一形成在該基底上之奈米碳管陣列；將所述奈米碳管陣列連同基底放置於一氣壓小於5*10^-2帕之真空環境中；從所述奈米碳管陣列拉取一奈米碳管預製結構；以及在該真空環境中對所述奈米碳管預製結構進行熱處理，使至少部分相鄰之奈米碳管之間形成碳碳鍵。

相較於先前技術，所述奈米碳管結構之製備方法通過將所述奈米碳管預製結構在低氧高溫環境中進行熱處理，使該奈米碳管預製結構中之複數奈米碳管進行晶格重組從而形成所述奈米碳管結構。所述奈米碳管結構具有複數在熱處理過程中形成之碳碳鍵，該碳碳鍵形成在至少部分相鄰之奈米碳管之間。由於相鄰之奈米碳管之間通過碳碳鍵結合形成之結合力將大於相鄰之奈米碳管之間通過凡得瓦力結合形成之結合力，故，由所述製備方法製備之奈米碳管結構之機械性能優於所述奈米碳管預製結構之機械性能。

圖1為一奈米碳管絮化膜之掃描電鏡照片。

圖2為一奈米碳管碾壓膜之掃描電鏡照片。

圖3為一奈米碳管拉膜之掃描電鏡照片。

圖4為一奈米碳管交叉膜之掃描電鏡照片。

圖5為一非扭轉之奈米碳管線之掃描電鏡照片。

圖6為一扭轉之奈米碳管線之掃描電鏡照片。

圖7為用本發明實施例提供之奈米碳管結構之製備方法及用圖6中之扭轉之奈米碳管線為原料所製備之奈米碳管線之掃描電鏡照片。

圖8為圖6中之扭轉之奈米碳管線與圖7中之奈米碳管線之拉曼光譜對比圖。

圖9為圖6中之扭轉之奈米碳管線與圖7中之奈米碳管線之測力曲線對比圖。

以下將結合附圖對本發明作進一步詳細之說明。

本發明提供之奈米碳管結構之製備方法，主要係在奈米碳管預製結構中之相連之奈米碳管之間產生碳碳鍵，致力於提高其結合力。當然，並不是奈米碳管預製結構中之所有相連之奈米碳管之間都產生碳碳鍵，而係至少部分相連之奈米碳管之間會產生碳碳鍵。由於碳碳鍵之鍵能大、牢固，故僅至少部分奈米碳管之間產生碳碳鍵也會提高該結構之強度。下面 將提供具體實施方式來展開說明本發明如何將奈米碳管預製結構中之相連之奈米碳管之間產生碳碳鍵。

本發明提供之奈米碳管結構之製備方法，其包括如下步驟：S10，提供一奈米碳管預製結構，所述奈米碳管預製結構包括複數奈米碳管通過凡得瓦力(Van der Waals attractive force)相連：S20，將所述奈米碳管預製結構在低氧環境中進行熱處理，使至少部分相連之奈米碳管之間形成碳碳鍵。

在步驟S10中，所述奈米碳管預製結構為由複數奈米碳管構成之膜狀結構、線狀結構或者其他形狀之結構。所述奈米碳管預製結構可係形成在一個基底上之奈米碳管結構，比如通過沈積、濺射或者過濾等方式形成在基底(耐高溫)上之奈米碳管膜或者奈米碳管線等，僅存在距離達到0.2奈米到9奈米之間之奈米碳管，即可稱為相連之奈米碳管。所述奈米碳管預製結構也可係一奈米碳管自支撐結構，所謂“自支撐”即該奈米碳管預製結構無需通過設置於一基體表面，即邊緣或者相對端部提供支撐而其未得到支撐之其他部分能保持自身特定之形狀。由於該自支撐之奈米碳管預製結構中大量之奈米碳管通過凡得瓦力相互吸引，從而使該奈米碳管預製結構具有特定之形狀，形成一自支撐結構。通常，所述自支撐之奈米碳管預製結構中距離在0.2奈米到9奈米之間之奈米碳管之數量較多，這部分奈米碳管之間具有較大之凡得瓦力， 從而使得所述奈米碳管預製結構僅通過凡得瓦力即可形成自支撐結構。

所述奈米碳管預製結構可包括至少一奈米碳管預製膜，當所述奈米碳管預製結構包括複數奈米碳管預製膜時，該複數奈米碳管預製膜設置，相鄰之奈米碳管膜之間通過凡得瓦力相結合。

請參閱圖1，所述奈米碳管結構預製膜可為一奈米碳管絮化膜，該奈米碳管絮化膜為將一奈米碳管原料，如一超順排陣列，絮化處理獲得之一自支撐之奈米碳管結構預製膜。該奈米碳管絮化膜包括相互纏繞且均勻分佈之奈米碳管。奈米碳管之長度大於10微米，優選為200微米到900微米，從而使奈米碳管相互纏繞在一起。所述奈米碳管之間通過凡得瓦力相互吸引、分佈，形成網路狀結構。由於該自支撐之奈米碳管絮化膜中大量之奈米碳管通過凡得瓦力相互吸引並相互纏繞，從而使該奈米碳管絮化膜具有特定之形狀，形成一自支撐結構。所述奈米碳管絮化膜各向同性。所述奈米碳管絮化膜中之奈米碳管為均勻分佈，無規則排列，形成大量尺寸在1奈米到500奈米之間之間隙或微孔。所述奈米碳管絮化膜之面積及厚度均不限，厚度大致在0.5奈米到100微米之間。

所述奈米碳管結構預製膜可為一奈米碳管碾壓膜，該奈米碳管碾壓膜為通過碾壓一奈米碳管陣列獲得之一種具有自支撐性之奈米碳管結構預製膜。該奈米碳管碾壓膜包括均勻分佈之奈米碳管，奈米碳管沿同一方向或不同方向擇優取向排列 。所述奈米碳管碾壓膜中之奈米碳管相互部分交疊，並通過凡得瓦力相互吸引，緊密結合，使得該奈米碳管結構預製膜具有很好之柔韌性，可彎曲折疊成任意形狀而不破裂。且由於奈米碳管碾壓膜中之奈米碳管之間通過凡得瓦力相互吸引，緊密結合，使奈米碳管碾壓膜為一自支撐之結構。所述奈米碳管碾壓膜中之奈米碳管與形成奈米碳管陣列之生長基底之表面形成一夾角β，其中，β大於等於0度且小於等於15度，該夾角β與施加在奈米碳管陣列上之壓力有關，壓力越大，該夾角越小，優選地，該奈米碳管碾壓膜中之奈米碳管平行於該生長基底排列。該奈米碳管碾壓膜為通過碾壓一奈米碳管陣列獲得，依據碾壓之方式不同，該奈米碳管碾壓膜中之奈米碳管具有不同之排列形式。具體地，奈米碳管可無序排列；請參閱圖2，當沿不同方向碾壓時，奈米碳管沿不同方向擇優取向排列；當沿同一方向碾壓時，奈米碳管沿一固定方向擇優取向排列。該奈米碳管碾壓膜中奈米碳管之長度大於50微米。

該奈米碳管碾壓膜之面積與奈米碳管陣列之尺寸基本相同。該奈米碳管碾壓膜厚度與奈米碳管陣列之高度以及碾壓之壓力有關，可為0.5奈米到100微米之間。可以理解，奈米碳管陣列之高度越大而施加之壓力越小，則製備之奈米碳管碾壓膜之厚度越大；反之，奈米碳管陣列之高度越小而施加之壓力越大，則製備之奈米碳管碾壓膜之厚度越小。所述奈米碳管碾壓膜之中之相鄰之奈米碳管之間具有一定間隙，從而在 奈米碳管碾壓膜中形成複數尺寸在1奈米到500奈米之間之間隙或微孔。

所述奈米碳管結構預製膜可為一奈米碳管拉膜。請參見圖3，所述形成之奈米碳管拉膜係由若干奈米碳管組成之自支撐結構。所述若干奈米碳管為沿該奈米碳管拉膜之長度方向擇優取向排列。所述擇優取向係指在奈米碳管拉膜中大多數奈米碳管之整體延伸方向基本朝同一方向。且，所述大多數奈米碳管之整體延伸方向基本平行於奈米碳管拉膜之表面。進一步地，所述奈米碳管拉膜中多數奈米碳管係通過凡得瓦力首尾相連。具體地，所述奈米碳管拉膜中基本朝同一方向延伸之大多數奈米碳管中每一奈米碳管與在延伸方向上相鄰之奈米碳管通過凡得瓦力首尾相連。當然，所述奈米碳管拉膜中存在少數偏離該延伸方向之奈米碳管，這些奈米碳管不會對奈米碳管拉膜中大多數奈米碳管之整體取向排列構成明顯影響。所述自支撐為奈米碳管拉膜不需要大面積之載體支撐，而僅相對兩邊提供支撐力即能整體上懸空而保持自身膜狀狀態，即將該奈米碳管拉膜置於(或固定於)間隔一定距離設置之兩個支撐體上時，位於兩個支撐體之間之奈米碳管拉膜能夠懸空保持自身膜狀狀態。所述自支撐主要通過奈米碳管拉膜中存在連續之通過凡得瓦力首尾相連延伸排列之奈米碳管而實現。具體地，所述奈米碳管拉膜中基本朝同一方向延伸之多數奈米碳管，並非絕對之直線狀，可適當之彎曲；或者並非完全按照延伸方向上排列，可適當之偏離延伸方向 。故，不能排除奈米碳管拉膜之基本朝同一方向延伸之多數奈米碳管中並列之奈米碳管之間可能存在部分接觸。

具體地，該奈米碳管拉膜包括複數連續且定向排列之奈米碳管片段。該複數奈米碳管片段通過凡得瓦力首尾相連。每一奈米碳管片段由複數相互平行之奈米碳管組成。該奈米碳管片段具有任意之長度、厚度、均勻性及形狀。該奈米碳管拉膜具有較好之透光性，可見光透過率可達到75%以上。

當所述奈米碳管預製結構包括多層奈米碳管拉膜時，相鄰兩層奈米碳管拉膜中之擇優取向排列之奈米碳管之間形成一交叉角度α，α大於等於0度小於等於90度(0°≦α≦90°)。請參閱圖4，優選地，為提高所述奈米碳管預製膜之強度，所述交叉角度α大致為90度，即相鄰兩層奈米碳管拉膜中之奈米碳管之排列方向基本垂直，形成一交叉膜。所述複數奈米碳管拉膜之間或一個奈米碳管拉膜之中之相鄰之奈米碳管之間具有一定間隙，從而在奈米碳管預製結構中形成複數均勻分佈，無規則排列，尺寸在1奈米到500奈米之間之間隙或微孔。

當所述奈米碳管預製膜為所述奈米碳管拉膜時，為了一體化製備所述奈米碳管預製膜及對奈米碳管預製膜進行熱處理得到奈米碳管膜。所述奈米碳管預製膜之製備方法可包括如下步驟：S110，提供一基底及一形成在該基底上之奈米碳管陣列； S120，將所述奈米碳管陣列連同基底放置於一氣壓小於5×10_-2帕之真空環境中；以及S130，從所述奈米碳管陣列拉取所述奈米碳管預製膜。

在步驟S110中，所述奈米碳管陣列為一超順排奈米碳管陣列，該超順排奈米碳管陣列之製備方法採用化學氣相沈積法、鐳射誘導氣相沈積法或者其他方法。在本實施例中，該超順排奈米碳管陣列之製備方法採用化學氣相沈積法，其具體步驟包括：提供一平整基底，該基底可選用P型或N型矽基底，或選用形成有氧化層之矽基底，本實施例優選為採用4英寸之矽基底；在基底表面均勻形成一催化劑層，該催化劑層材料可選用鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)或其任意組合之合金之一；將上述形成有催化劑層之基底在300攝氏度~900攝氏度(如700攝氏度)之空氣中退火約30分鐘~90分鐘；將處理過之基底置於反應爐中，在保護氣體環境下加熱到500攝氏度~900攝氏度(如740攝氏度)，然後通入碳源氣體反應約5~30分鐘，生長得到超順排奈米碳管陣列。該超順排奈米碳管陣列為複數彼此平行且垂直於基底生長之奈米碳管形成之純奈米碳管陣列，其高度為2微米~10毫米，優選為100微米~900微米。通過上述控制生長條件，該超順排奈米碳管陣列中基本不含有雜質，如無定型碳或殘留之催化劑金屬顆粒等。該奈米碳管陣列中之奈米碳管彼此通過凡得瓦力緊密接觸形成陣列。本實施例中碳源氣可選用乙炔等化學性質較活潑之碳氫化合物，保護氣體可選用氮氣、氨氣或惰性氣體。 可以理解，所述奈米碳管陣列之生長方法不限於上述具體方法，通過調整化學氣相沈積方法之具體條件得到之其他方法，僅能夠生長出適於從中拉取奈米碳管預製膜之奈米碳管陣列即可。

步驟S130中，所述從奈米碳管陣列拉取一奈米碳管預製膜之步驟進一步包括：S131，提供一黏性基條，使該黏性基條接觸所述奈米碳管陣列；以及S132，沿遠離所述奈米碳管陣列之方向移動所述黏性基條，使奈米碳管首尾相連地從奈米碳管陣列中連續地被拉出，從而獲得所述奈米碳管預製膜。

在步驟S131中，該黏性基條通過卡扣、吸附等方式安裝在一拉膜裝置上。該拉膜裝置由電腦實現自動控制，使黏性基條移動。該黏性基條至少一表面具有黏膠，該黏性基條具黏膠之表面接觸所述奈米碳管陣列時能夠黏結部分奈米碳管，從而選定了由該複數奈米碳管組成之一奈米碳管片段。該黏性基條具有一長度，優選地，該黏性基條之長度與使用該黏性基條拉取得到之奈米碳管預製膜之寬度基本相等。

在步驟S132中，所述奈米碳管預製膜為所述奈米碳管拉膜。當沿遠離所述奈米碳管陣列之方向移動所述黏性基條時，從而以一定速度拉取該選定之奈米碳管片段，從而首尾相連之拉出連續之複數奈米碳管片段，進而形成一連續之奈米碳管 預製膜。通過所述拉膜裝置，以一定之速度和拉伸角度移動所述黏性基條，在黏性基條沿遠離所述奈米碳管陣列之方向移動之過程中，所述選定之奈米碳管片段從奈米碳管陣列中被拉出。當該選定之奈米碳管片段在拉力作用下沿拉伸方向逐漸脫離基底之同時，由於凡得瓦力作用，在奈米碳管陣列中與該選定之奈米碳管片段相鄰之其他奈米碳管片段首尾相連地相繼地被拉出，從而形成一連續、均勻之奈米碳管預製膜。

當所述奈米碳管預製膜自所述奈米碳管陣列拉取出來時，該奈米碳管預製膜之拉伸方向與所述奈米碳管陣列之生長方向之間之夾角為30度~90度，該生長方向為奈米碳管陣列中之大多數奈米碳管之軸向延伸方向，即垂直於所述基底表面之方法。即，該拉伸方向與所述基底表面之夾角應該控制在0度~60度之間，以進一步提高所述奈米碳管預製膜之均勻性。在本實施例，所述拉伸方向與所述奈米碳管陣列之生長方向之間之夾角為85度。

所述奈米碳管預製膜從所述奈米碳管陣列拉出時，該拉膜裝置及奈米碳管預製膜與所述真空環境內之氣體相對運動，產生氣流擾動，當該氣流擾動之強度大於所述奈米碳管預製膜之承受強度時，所述奈米碳管預製膜產生黑線甚至破損。所述氣流擾動之強度與所述真空環境內之氣體密度及奈米碳管預製膜之拉伸速度相關。具體地，隨著該真空環境內之氣體密度之下降(即氣壓之降低)，該奈米碳管預製膜以一定速 度移動時，該氣流擾動對該奈米碳管預製膜之作用力將隨之減少，該奈米碳管預製膜所受到之氣流擾動之強度越小，所述奈米碳管預製膜受氣流擾動而破損之幾率就越大。在該真空環境氣壓固定之情況下，所述奈米碳管預製膜被拉出之速度越快，受到之氣流擾動越大，該奈米碳管預製膜受氣流擾動而破損之幾率就越小。故，在所述真空環境內之氣壓較大時，用較快之拉伸速度，如0.1米每秒之拉伸速度，拉伸所述奈米碳管預製膜時，所述奈米碳管預製膜容易受到破壞。而，在本實施例中，由於所述真空環境中之氣壓小於5×10^-2帕，將所述奈米碳管陣列該真空環境中製備奈米碳管預製膜，能夠用較快之拉伸速度，如0.1米每秒之拉伸速度，拉伸出品質較好之奈米碳管預製膜，即在所述真空環境下製備奈米碳管預製膜能夠提高所述奈米碳管預製膜之品質。進一步地，當所述真空環境內之氣壓小於5×10^-5帕時，所述拉伸速度可大於等於10米每秒，即降低所述真空環境之氣壓能夠提高所述奈米碳管預製膜之拉伸速度，使所述奈米碳管預製膜更快地被拉伸出來，且不會因氣流擾動而破壞。

由於所述奈米碳管預製膜之拉取過程在氣壓小於5×10^-2帕之真空環境進行，該真空環境內之氣體密度較小，在保證所述奈米碳管預製膜之品質之同時，該奈米碳管預製膜能夠以較快之速度移動，從而使得所述奈米碳管預製膜能夠以較快之速度被拉出，提高了該奈米碳管預製膜之製備速度與效率。進一步地，由於該真空環境之氣體密度較小，其浮力較小， 灰塵等雜質容易沉澱，即該真空環境容易保持較高之潔淨度。

所述奈米碳管預製結構可包括至少一奈米碳管預製線。當所述奈米碳管預製結構包括複數奈米碳管預製線時，所述複數奈米碳管預製線可相互平行、纏繞或編織設置。

所述奈米碳管預製線可為將一奈米碳管拉膜經過處理形成之線狀結構，所述奈米碳管拉膜之處理方法包括用揮發性有機溶劑浸潤處理或機械扭轉處理。所述揮發性有機溶劑浸潤處理可通過試管將有機溶劑滴落在奈米碳管拉膜表面浸潤整個奈米碳管拉膜，或者，也可將上述形成有奈米碳管拉膜之固定框架整個浸入盛有有機溶劑之容器中浸潤。該揮發性有機溶劑為乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本實施例中採用乙醇。所述有機溶劑在揮發時產生之張力使所述奈米碳管拉膜收縮形成所述奈米碳管預製線。請參閱圖5，通過揮發性有機溶劑浸潤處理所得到之奈米碳管預製線為一非扭轉之奈米碳管線，該非扭轉之奈米碳管線包括複數沿奈米碳管線長度方向排列之奈米碳管。具體地，該非扭轉之奈米碳管線包括複數奈米碳管通過凡得瓦力首尾相連且沿奈米碳管線軸向擇優取向排列。所述機械扭轉處理可通過採用一機械力將所述奈米碳管拉膜兩端沿相反方向扭轉。請參閱圖6，通過機械扭轉處理而得到之奈米碳管預製線為一扭轉之奈米碳管線，該扭轉之奈米碳管線包括複數繞奈米碳管線軸向螺旋排列之奈米碳管。具體地，該扭轉之奈米碳管線包括複數奈米 碳管通過凡得瓦力首尾相連且沿奈米碳管線軸向呈螺旋狀延伸。可以理解，也可對獲得之奈米碳管拉膜同時或者依次進行有機溶劑揮發性有機溶劑浸潤處理或機械扭轉處理來獲得扭轉之奈米碳管線。

在步驟S20中，所述低氧環境中之氧氣分壓小於1×10^-2帕，從而使得所述奈米碳管在高溫環境中儘量少地被氧化。優選地，所述低氧環境之氧氣分壓小於1×10^-5帕，此時，所述奈米碳管在高溫環境中基本不被氧化。為使所述低氧環境中之氧氣之分壓小於1×10^-2帕，該低氧環境中可充滿惰性氣體或直接抽真空降低該低氧環境中之氣壓。在本實施例中，為節約成本及操作便利，採取直接抽真空之方法，使該低氧環境中之大氣氣壓小於5×10^-2帕，優選地，所述低氧環境中之大氣氣壓小於5×10^-5帕。

所述熱處理之溫度大於1500攝氏度，優選地，所述熱處理之溫度大於2000攝氏度以形成更多之碳碳鍵。所述熱處理之方式不限，可通過放置於一真空加熱爐中直接進行加熱，也可通過鐳射照射之方式進行加熱。在本實施例中，所述熱處理為通過用鐳射照射所述奈米碳管結構而完成。具體地，所述鐳射之照射功率在10兆瓦到30兆瓦之間，掃描頻率在5毫米每秒到300毫米每秒之間。通過鐳射照射之方式進行熱處理，可在奈米碳管預製結構之選定區域或者部分區域進行加熱並形成碳碳鍵。

可以理解，當所述低氧環境通過降低氣壓(趨於真空)之方 式而得到時，且所述奈米碳管預製結構為奈米碳管拉膜或線時，在本實施方式中之奈米碳管結構之製備方法中，所述奈米碳管預製膜或線之製備及熱處理可在同一真空工作環境中進行，從而實現連續作業。此時，所述熱處理之之方式優選為鐳射照射，且用鐳射照射之方式進行熱處理操作起來較為方便，成本低。

在熱處理過程中，所述奈米碳管中之碳原子將進行晶格重排，尤其係奈米碳管中由碳原子形成之五圓環、七圓環等不穩定結構容易在高溫環境下進行晶格重排過程中形成穩定之六圓環。該奈米碳管中由碳原子形成之五圓環、七圓環等不穩定結構係奈米碳管在生長時所產生之缺陷，如通過MOCVD法生長奈米碳管時，必然會具有上述缺陷，這些缺陷將降低奈米碳管之機械性能。而經過熱處理後，所述奈米碳管中之缺陷將變少，石墨化程度較好，提高所述奈米碳管結構之機械性能。進一步地，在熱處理時，相鄰之奈米碳管之間容易在晶格重組時形成碳碳鍵，尤其係相鄰之奈米碳管之間之距離小於1奈米時產生碳碳鍵之概率更大。可以理解，由於相鄰之奈米碳管之間通過碳碳鍵結合形成之結合力將大於相鄰之奈米碳管之間通過凡得瓦力結合形成之結合力，故，所述奈米碳管結構之機械性能優於所述奈米碳管預製結構之機械性能。

本發明提供之奈米碳管結構可包括由上述奈米碳管結構之製備方法對一奈米碳管預製結構在低氧環境下進行熱處理而得 到之產品。

所述奈米碳管結構包括複數奈米碳管相互連接，所述複數奈米碳管之間具有碳碳鍵。即，所述複數奈米碳管中，至少有部分奈米碳管通過碳碳鍵連接，而未通過碳碳鍵結合之奈米碳管之間可通過凡得瓦力相連。優選地，所述複數奈米碳管均可通過碳碳鍵連接。所述碳碳鍵之碳原子分別來自相鄰之兩個奈米碳管，即相當於所述複數奈米碳管具有複數“焊點”使相鄰之奈米碳管結合成一整體之物質結構，所述焊點即為所述碳碳鍵。所述碳碳鍵在所述奈米碳管之位置不限，可在所述奈米碳管之管壁，也可在所述奈米碳管之端部。所述碳碳鍵為共價鍵，包括Sp²及SP³鍵。由於碳碳鍵之鍵長限制，具有碳碳鍵之相鄰之奈米碳管之間之距離小於1奈米，而此時，具有碳碳鍵之相鄰之奈米碳管之間同時還具有較強之凡得瓦力，故，相鄰之奈米碳管之間具有碳碳鍵時之結合力較大。

所述奈米碳管結構可包括至少一奈米碳管膜，所述奈米碳管膜可通過上述熱處理一奈米碳管預製膜而得到。當所述奈米碳管結構包括複數奈米碳管膜時，所述複數奈米碳管膜相互層疊設置，相鄰之奈米碳管膜之間具有複數碳碳鍵，從而使得所述相鄰之奈米碳管膜通過之間即可通過凡得瓦力及碳碳鍵結合。

所述奈米碳管膜可包括相互纏繞且均勻分佈之複數奈米碳管，相互纏繞之複數奈米碳管之間具有碳碳鍵，從而使得所述 奈米碳管膜中之奈米碳管之間通過凡得瓦力及碳碳鍵相互結合、分佈，形成網路狀結構。所述奈米碳管膜可各向同性，即所述奈米碳管絮化膜中之奈米碳管為均勻分佈，無規則排列。所述奈米碳管膜可通過上述製備方法熱處理所述奈米碳管絮化膜而得到。

所述奈米碳管膜可包括複數均勻分佈且沿同一方向或複數不同方向擇優取向排列之奈米碳管。所述奈米碳管之複數奈米碳管可基本平行於該奈米碳管膜之一表面。所述奈米碳管膜中之奈米碳管相互部分交疊，所述相互部分交疊之奈米碳管之間具有碳碳鍵，而未具有碳碳鍵之相互部分交疊之奈米碳管則通過凡得瓦力相互吸引，從而使得所述奈米碳管膜中之奈米碳管之間通過凡得瓦力及碳碳鍵相互結合。所述奈米碳管膜可通過上述製備方法熱處理所述奈米碳管碾壓膜而得到。

所述奈米碳管膜可包括複數均勻分佈且沿同一方向擇優取向排列之奈米碳管，所述擇優取向係指在奈米碳管膜中大多數奈米碳管之整體延伸方向基本朝同一方向。且，所述大多數奈米碳管之整體延伸方向基本平行於奈米碳管膜之表面。進一步地，所述奈米碳管膜中多數奈米碳管係通過碳碳鍵首尾相連。具體地，所述奈米碳管膜中基本朝同一方向延伸之大多數奈米碳管中每一奈米碳管與在延伸方向上相鄰之奈米碳管通過碳碳鍵首尾相連。由於通過碳碳鍵首尾相連之奈米碳管能夠形成一個整體之物質結構，故，所述奈米碳管膜也可 描述為包括複數彼此平行之奈米碳管條，每一奈米碳管條均包括複數奈米碳管通過碳碳鍵首尾相連，而相鄰之奈米碳管條基本通過凡得瓦力連接。當然，也不排除少量奈米碳管條之間具有碳碳鍵，也不排除奈米碳管條中少量之奈米碳管之間依然通過凡得瓦力首尾相連，但這並不影響本發明之效果及性能。所述奈米碳管膜可通過上述製備方法熱處理所述奈米碳管拉膜而得到。

所述奈米碳管結構可包括至少一奈米碳管線，當所述奈米碳管結構包括複數奈米碳管線時，所述複數奈米碳管線相互平行、纏繞或編織設置，複數奈米碳管線之間具有碳碳鍵，從而使得所述複數奈米碳管線能夠通過凡得瓦力及碳碳鍵結合。

所述奈米碳管線可包括複數奈米碳管通過所述碳碳鍵首尾相連且沿奈米碳管線軸向呈螺旋狀延伸。由於通過碳碳鍵首尾相連之奈米碳管能夠形成一個整體之物質結構，故，所述奈米碳管線也可描述為包括複數沿奈米碳管線軸向呈螺旋狀延伸之奈米碳管條，每一奈米碳管條均包括複數奈米碳管通過碳碳鍵首尾相連，而並列之相鄰之奈米碳管條基本通過凡得瓦力連接。所述奈米碳管線可通過上述製備方法熱處理一扭轉之奈米碳管線而得到。

所述奈米碳管線可包括複數奈米碳管通過所述碳碳鍵首尾相連且沿奈米碳管線軸向擇優取向排列。由於通過碳碳鍵首尾相連之奈米碳管能夠形成一個整體之物質結構，故，所述奈 米碳管線也可描述為包括複數沿奈米碳管線軸向擇優取向排列之奈米碳管條，每一奈米碳管條均包括複數奈米碳管通過碳碳鍵首尾相連，而並列之相鄰之奈米碳管條基本通過凡得瓦力連接。所述奈米碳管線可通過上述製備方法熱處理一非扭轉之奈米碳管線而得到。

為了更清楚地說明本發明之奈米碳管結構之製備方法及由該製備方法製備之奈米碳管結構，下面以具體實施例予以說明。對於奈米碳管預製膜、線或者其他形狀之結構而言，其處理之方法較為相近，故本具體實施例以奈米碳管預製線中之扭轉之奈米碳管線為例進行說明。

選擇圖6所示之扭轉之奈米碳管線放置於一真空環境中，所述真空環境中之氣壓小於等於5×10^-5帕。通過一鐳射對所述扭轉之奈米碳管線進行鐳射掃描處理，所述鐳射之掃描功率大致為30瓦，所述鐳射之掃描頻率大致為50毫米每秒。

請參閱圖7，為熱處理後得到之奈米碳管線，對比圖6與圖7，發現奈米碳管結構與奈米碳管預製結構通過掃描電鏡照片看，在外觀上之區別並不大。請參閱圖8，分別獲取圖6中之扭轉之奈米碳管線及圖7中之奈米碳管線之拉曼光譜並進行對比形成一拉曼光譜對比圖。從圖中可看出，經過熱處理後，所述奈米碳管線之G峰相較扭轉之奈米碳管線明顯變強，D峰相較非扭轉奈米碳管線明顯減弱。證明經過熱處理後，奈米碳管線中之奈米碳管之缺陷相較於扭轉之奈米碳管線變少，石墨化程度較好。進一步地，請參見圖9，為所述奈米碳 管線與扭轉之奈米碳管線沿延伸方向所得到之測力曲線對比圖。從圖中可看出，經過熱處理後，所述奈米碳管線之拉伸強度較所述扭轉之奈米碳管線提高約20%，楊氏模量提高約50%。這係由於所述扭轉之奈米碳管線中相鄰之奈米碳管之間之距離大多在0.2奈米在9奈米之間，而碳碳鍵如Sp²，Sp³鍵之鍵長大致在1.4埃左右。故，在熱處理時，相鄰之奈米碳管之間容易在晶格重組時形成碳碳鍵，尤其係相鄰之奈米碳管之間之距離小於1奈米時產生碳碳鍵之概率更大。可以理解，由於相鄰之奈米碳管之間通過碳碳鍵結合形成之結合力將大於相鄰之奈米碳管之間通過凡得瓦力結合形成之結合力，故，所述奈米碳管線之機械性能優於所述扭轉之奈米碳管線之機械性能。

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，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知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內。

Claims (14)

1. 一種奈米碳管結構之製備方法，其包括：提供一奈米碳管預製結構，所述奈米碳管預製結構包括複數奈米碳管通過凡得瓦力相連；以及將所述奈米碳管預製結構在低氧環境中進行熱處理，使至少部分相連之奈米碳管之間形成碳碳鍵，所述低氧環境中之氧氣分壓小於1×10^-2帕；其改良在於，所述熱處理具體包括以下步驟：用鐳射照射所述奈米碳管預製結構，所述鐳射之照射功率在10兆瓦到30兆瓦之間，掃描頻率在5毫米每秒到300毫米每秒之間。
2. 如請求項第1項所述之奈米碳管結構之製備方法，其中，所述低氧環境中之氧氣分壓小於1×10^-5帕。
3. 如請求項第1項所述之奈米碳管結構之製備方法，其中，所述低氧環境充滿惰性氣體。
4. 如請求項第1項所述之奈米碳管結構之製備方法，其中，所述低氧環境中之大氣壓小於5×10^-2帕。
5. 如請求項第4項所述之奈米碳管結構之製備方法，其中，所述低氧環境中之大氣壓小於5×10^-5帕。
6. 如請求項第1項所述之奈米碳管結構之製備方法，其中，所述熱處理在一真空加熱爐中進行。
7. 如請求項第6項所述之奈米碳管結構之製備方法，其中，所述熱處理之溫度大於1500攝氏度。
8. 如請求項第7項所述之奈米碳管結構之製備方法，其中，所述熱處理之溫度大於2000攝氏度。
9. 如請求項第1項所述之奈米碳管結構之製備方法，其中，在所述奈米碳管預製結構中，通過凡得瓦力彼此相連之奈米碳管之間之距離在0.2奈米到9奈米之間。
10. 如請求項第9項所述之奈米碳管結構之製備方法，其中，彼此相連之奈米碳管之間之距離在0.2奈米到1奈米之間。
11. 一種奈米碳管結構之製備方法，其包括：提供一基底及一形成在該基底上之奈米碳管陣列；在氣壓小於5×10^-2帕之真空環境中從所述奈米碳管陣列拉取一奈米碳管預製結構；以及在該真空環境中對所述奈米碳管預製結構進行熱處理，使至少部分相鄰之奈米碳管之間形成碳碳鍵，所述熱處理之溫度大於1500攝氏度。
12. 如請求項第11項所述之奈米碳管結構之製備方法，其中，所述真空環境中之氣壓小於5×10^-5帕。
13. 如請求項第11項所述之奈米碳管結構之製備方法，其中，所述從奈米碳管陣列拉取一奈米碳管預製結構之步驟進一步包括：提供一黏性基條，使該黏性基條接觸所述奈米碳管陣列；以及沿遠離所述奈米碳管陣列之方向移動所述黏性基條，使奈米碳管首尾相連地從奈米碳管陣列中連續地被拉出，從而獲得所述奈米碳管預製結構。
14. 如請求項第11項所述之奈米碳管結構之製備方法，其中，所述熱處理具體包括以下步驟：用鐳射照射所述奈米碳管預製結構，所述鐳射之照射功率在10兆瓦到30兆瓦之間，掃描頻率在5毫米每秒到300毫米每秒之間。