TWI412488B

TWI412488B - 奈米碳管複合線狀結構之製備裝置及製備方法

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Publication number: TWI412488B
Application number: TW99128743A
Authority: TW
Inventors: Yang Wei; Shou-Shan Fan
Original assignee: Hon Hai Prec Ind Co Ltd
Priority date: 2010-08-27
Filing date: 2010-08-27
Publication date: 2013-10-21
Also published as: TW201208975A

Description

奈米碳管複合線狀結構之製備裝置及製備方法

本發明涉及一種奈米碳管材料的製備裝置及其製備方法，尤其涉及一種奈米碳管複合線狀結構之製備裝置及製備方法。

自九十年代初以來，以奈米碳管為代表的奈米材料以其獨特之結構和性質引起了人們極大的關注。近年來，隨著奈米碳管及奈米材料研究的不斷深入，其廣闊之應用前景不斷顯現出來。例如，由於奈米碳管所具有的獨特的電磁學、光學、力學、化學等性能，大量有關其於場發射電子源、感測器、新型光學材料、軟鐵磁材料等領域的應用研究不斷被報導。

特別地，奈米碳管與其他材料例如金屬、半導體或者聚合物等的複合可以實現材料的優勢互補或加強。奈米碳管具有較大的長徑比和中空的結構，具有優異的力學性能、電學性能、光學性能等，其於複合材料中，可以對複合材料起到增強作用，使得複合材料具有更好的性能。奈米碳管複合材料的研究已經成為一個極為重要的領域。

先前技術中之奈米碳管金屬複合材料一般包括金屬顆粒及奈米碳管，所述金屬顆粒與奈米碳管均勻混合分散；或者金屬顆粒均勻分散於奈米碳管膜或奈米碳管線中。上述奈米碳管金屬複合材料通常採用蒸鍍法將金屬沈積於奈米碳管材料上或採用化學法將金屬顆粒分散於奈米碳管材料中製備的。先前技術中沒有提供一種包含金屬絲之奈米碳管複合線狀結構、該奈米碳管複合線狀結構的製備方法，以及製備該奈米碳管複合線狀結構的裝置。

有鑒於此，確有必要提供奈米碳管複合線狀結構之製備裝置及製備方法，該製備裝置及製備方法可以實現自動的製備及收集所述奈米碳管複合線狀結構。

一種奈米碳管複合線狀結構之製備裝置，其包括：一供給單元，該供給單元用於提供一線狀結構；一包覆單元，該包覆單元包括一驅動機構、一空心旋轉軸及一花盤，該驅動機構設置於所述空心旋轉軸的一端，用於驅動該空心旋轉軸旋轉；所述花盤固定於所述空心旋轉軸的另一端，用於放置生長有奈米碳管陣列的基底，所述奈米碳管陣列用於製備一奈米碳管結構，該包覆單元用於將該奈米碳管結構纏繞於所述線狀結構；以及一收集單元，該收集單元用於牽引該線狀結構做直線運動及收集所述奈米碳管複合線狀結構。

一種採用上述製備裝置製備奈米碳管複合線狀結構的方法，其包括以下步驟：藉由所述供給單元提供一線狀結構；將所述線狀結構穿過所述包覆單元的空心旋轉軸固定於所述收集單元；藉由所述包覆單元提供一奈米碳管結構，並將該奈米碳管結構黏附於所述線狀結構；以及控制所述驅動機構使所述花盤旋轉，同時控制收集單元牽引所述線狀結構做直線運動，使得所述奈米碳管結構纏繞於所述線狀結構。

一種奈米碳管複合線狀結構之製備裝置，其包括：一供給單元，該供給單元用於提供一線狀結構；一包覆單元，該包覆單元包括一載體，用於承載至少一生長有奈米碳管陣列的基底，一奈米碳管結構連續地從所述奈米碳管陣列中被拉出，並纏繞於所述線狀結構的表面；以及一收集單元，該收集單元用於牽引該線狀結構及收集所述奈米碳管複合線狀結構。

與先前技術相比較，本發明提供之奈米碳管複合線狀結構之製備裝置及其製備方法可以使得所述線狀結構結構穿過所述包覆單元固定於所述收集單元，而所述包覆單元中的花盤可以旋轉，從而使得設置於該花盤上的奈米碳管陣列也可以旋轉，從而使得從奈米碳管陣列中獲得的奈米碳管結構可以自動纏繞在所述線狀結構上；另外，所述收集單元可以自動牽引所述線狀結構及纏繞所述奈米碳管複合線狀結構，因此，本發明提供之奈米碳管複合線狀結構之製備裝置及其製備方法可以實現自動製備並收集奈米碳管複合線狀結構，使得奈米碳管複合線狀結構的製備比較簡單，可以實現連續之生產，有利於工業應用。

下面將結合附圖及具體實施例，對本發明提供之奈米碳管複合線狀結構、該奈米碳管複合線狀結構的製備方法及製備該奈米碳管複合線狀結構的裝置作進一步的詳細說明。

本發明提供一種奈米碳管複合線狀結構，該奈米碳管複合線狀結構包括一導電線狀結構以及一環繞該導電線狀結構設置的奈米碳管層。該奈米碳管層係連續之層狀結構，且由複數奈米碳管組成，該複數奈米碳管藉由凡得瓦力(van der waals force)緊密相連，且沿該導電線狀結構的軸向環繞該導電線狀結構均勻地分佈。

所述導電線狀結構具有支撐所述複數奈米碳管的作用，所以該導電線狀結構應具有一定的強度及韌性。所述導電線狀結構可以為金屬，該金屬為單質金屬線或單質金屬絲。所述單質金屬材料可以為金、銀、銅或鋁等金屬材料。所述導電線狀結構的材料也可以為合金材料，如銅錫合金。所述導電線狀結構還可以為具有一導電層的複合線狀結構，如在銅錫合金表面進一步塗覆一層鋁膜；還可以於一纖維絲的表面鍍金膜。所述導電線狀結構的直徑不限，只要該導電線狀結構具有一定強度即可，當該導電線狀結構為金絲，該金絲的直徑可以為18微米；當導電線狀結構為鋁絲，該鋁絲的直徑可以為25微米。

所述奈米碳管層係由一奈米碳管結構沿所述導電線狀結構的軸向緊密纏繞而形成的。該奈米碳管結構為一自支撐結構，且纏繞包覆於該導電線狀結構的整個表面；優選地，該奈米碳管結構沿該導電線狀結構的軸向螺旋纏繞並包覆於該導電線狀結構的表面。因此，也可以說，所述奈米碳管複合線狀結構由所述導電線狀結構及纏繞包覆於該導電線狀結構整個表面的奈米碳管結構組成。

其中，所述奈米碳管結構由複數奈米碳管組成，該複數奈米碳管無序或有序排列。所謂無序排列係指奈米碳管的排列方向無規則。所謂有序排列係指奈米碳管的排列方向有規則。具體地，當奈米碳管結構包括無序排列的奈米碳管時，奈米碳管相互纏繞或者各向同性排列；當奈米碳管結構包括有序排列的奈米碳管時，奈米碳管沿一個方向或者複數方向擇優取向排列。所謂“擇優取向”係指所述奈米碳管結構中的大多數奈米碳管在一個方向上具有較大的取向幾率；即，該奈米碳管結構中的大多數奈米碳管的軸向基本沿同一方向延伸。其中，所述奈米碳管結構為至少一個奈米碳管膜、至少一個奈米碳管線或其組合。

所述奈米碳管膜可以為奈米碳管拉膜、奈米碳管碾壓膜和奈米碳管絮化膜。

請參閱圖1，所述奈米碳管拉膜係由複數奈米碳管組成的自支撐結構。所述複數奈米碳管沿同一方向擇優取向排列。該奈米碳管拉膜中大多數奈米碳管的整體延伸方向基本朝同一方向。而且，所述大多數奈米碳管的整體延伸方向基本平行於奈米碳管拉膜的表面。進一步地，所述奈米碳管拉膜中多數奈米碳管係藉由凡得瓦力首尾相連。具體地，所述奈米碳管拉膜中基本朝同一方向延伸的大多數奈米碳管中每一奈米碳管與在延伸方向上相鄰的奈米碳管藉由凡得瓦力首尾相連。當然，所述奈米碳管拉膜中存在少數隨機排列的奈米碳管，這些奈米碳管不會對奈米碳管拉膜中大多數奈米碳管的整體取向排列構成明顯影響。所述奈米碳管拉膜不需要大面積的載體支撐，而只要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，即將該奈米碳管膜置於（或固定於）間隔設置的兩個支撐體上時，位於兩個支撐體之間的奈米碳管膜能夠懸空保持自身膜狀狀態。

具體地，所述奈米碳管拉膜中基本朝同一方向延伸的多數奈米碳管，並非絕對的直線狀，可以適當的彎曲；或者並非完全按照延伸方向上排列，可以適當的偏離延伸方向。因此，不能排除奈米碳管拉膜的基本朝同一方向延伸的多數奈米碳管中並列的奈米碳管之間可能存在部分接觸。

具體地，所述奈米碳管拉膜包括複數連續且定向排列的奈米碳管片段。該複數奈米碳管片段藉由凡得瓦力首尾相連。每一奈米碳管片段包括複數相互平行的奈米碳管，該複數相互平行的奈米碳管藉由凡得瓦力緊密結合。該奈米碳管片段具有任意的長度、厚度、均勻性及形狀。該奈米碳管拉膜中的奈米碳管沿同一方向擇優取向排列。

所述奈米碳管拉膜可藉由從奈米碳管陣列直接拉取獲得。從奈米碳管陣列中拉取獲得所述奈米碳管拉膜的具體方法包括：（a）采用一拉伸工具從所述奈米碳管陣列中選定一奈米碳管片段，本實施例優選為採用具有一定寬度的膠帶或黏性基條接觸該奈米碳管陣列以選定具有一定寬度的一奈米碳管片段；（b）藉由移動該拉伸工具，以一定速度拉取該選定的奈米碳管片段，從而首尾相連的拉出複數奈米碳管片段，進而形成一連續之奈米碳管拉膜。該複數奈米碳管相互並排使該奈米碳管片段具有一定寬度。當該被選定的奈米碳管片段在拉力作用下沿拉取方向逐漸脫離奈米碳管陣列的生長基底的同時，由於凡得瓦力作用，與該選定的奈米碳管片段相鄰的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、均勻且具有一定寬度和擇優取向的奈米碳管拉膜。

可以理解，藉由將複數奈米碳管拉膜平行且無間隙共面鋪設或/和層疊鋪設，可以製備不同面積與厚度的奈米碳管膜。每個奈米碳管拉膜的厚度可為0.5奈米~100微米。當奈米碳管膜包括複數層疊設置的奈米碳管拉膜時，相鄰的奈米碳管拉膜中的奈米碳管的排列方向形成一夾角α，0˚≦α≦90˚。所述奈米碳管拉膜的結構及其製備方法請參見范守善等人於2008年8月16日公開的第200833862號中華民國公開專利申請公佈本。

所述奈米碳管碾壓膜包括均勻分佈的複數奈米碳管，該複數奈米碳管無序、沿同一方向或不同方向擇優取向排列，該複數奈米碳管的軸向沿同一方向或不同方向延伸。所述奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管相互部分交疊，並藉由凡得瓦力相互吸引，緊密結合。所述奈米碳管碾壓膜可藉由碾壓一奈米碳管陣列獲得。該奈米碳管陣列形成在一基體表面，所製備的奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管與該奈米碳管陣列的基體的表面成一夾角β，其中，β大於等於0度且小於等於15度(0°≦β≦15°)。優選地，所述奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管的軸向基本平行於該奈米碳管碾壓膜的表面。依據碾壓的方式不同，該奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管具有不同的排列形式。該奈米碳管碾壓膜的面積和厚度不限，可根據實際需要選擇。該奈米碳管碾壓膜的面積與奈米碳管陣列的尺寸基本相同。該奈米碳管碾壓膜厚度與奈米碳管陣列的高度以及碾壓的壓力有關，可為1微米~100微米。所述奈米碳管碾壓膜及其製備方法請參見范守善等人於2009年1月1日公開的第200900348號中華民國專利申請公佈本。

所述奈米碳管絮化膜包括相互纏繞的奈米碳管，該奈米碳管長度可大於10釐米。所述奈米碳管之間藉由凡得瓦力相互吸引、纏繞，形成網絡狀結構。所述奈米碳管絮化膜各向同性。所述奈米碳管絮化膜中的奈米碳管為均勻分佈，無規則排列，形成大量的微孔結構。可以理解，所述奈米碳管絮化膜的長度、寬度和厚度不限，可根據實際需要選擇，厚度可為1微米~100微米。所述奈米碳管絮化膜及其製備方法請參見2008年11月16日公開的第200844041號中華民國專利申請公佈本。

所述奈米碳管線可為一非扭轉之奈米碳管線或扭轉之奈米碳管線。

所述非扭轉之奈米碳管線可包括複數沿該非扭轉之奈米碳管線軸向方向排列的奈米碳管。非扭轉之奈米碳管線可藉由將奈米碳管拉膜藉由有機溶劑處理得到。具體地，該奈米碳管拉膜包括複數奈米碳管片段，該複數奈米碳管片段藉由凡得瓦力首尾相連，每一奈米碳管片段包括複數相互平行並藉由凡得瓦力緊密結合的奈米碳管。該奈米碳管片段具有任意的長度、厚度、均勻性及形狀。該非扭轉之奈米碳管線長度不限，直徑為0.5奈米-1毫米。具體地，可將有機溶劑浸潤所述奈米碳管拉膜的整個表面，在揮發性有機溶劑揮發時產生的表面張力的作用下，奈米碳管拉膜中的相互平行的複數奈米碳管藉由凡得瓦力緊密結合，從而使奈米碳管拉膜收縮為一非扭轉之奈米碳管線。該有機溶劑為揮發性有機溶劑，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本實施例中採用乙醇。藉由有機溶劑處理的非扭轉奈米碳管線與未經有機溶劑處理的奈米碳管膜相比，比表面積減小，黏性降低。

所述扭轉之奈米碳管線包括複數繞該扭轉之奈米碳管線軸向螺旋排列的奈米碳管。該奈米碳管線可採用一機械力將所述奈米碳管拉膜兩端沿相反方向扭轉獲得。進一步地，可採用一揮發性有機溶劑處理該扭轉之奈米碳管線。在揮發性有機溶劑揮發時產生的表面張力的作用下，處理後的扭轉之奈米碳管線中相鄰的奈米碳管藉由凡得瓦力緊密結合，使扭轉之奈米碳管線的比表面積減小，密度及強度增大。

所述奈米碳管線及其製備方法請參見范守善等人於2002年11月5日申請的，2008年11月21日公告的，公告號為I303239的中華民國專利；以及於2005年12月16日申請的，2009年7月21日公告的，公告號為I312337的中華民國專利。

當所述奈米碳管層由奈米碳管拉膜或非扭轉之奈米碳管線組成時，所述奈米碳管複合線狀結構由所述導電線狀結構及緊密纏繞在該導電線狀結構表面的奈米碳管拉膜或非扭轉之奈米碳管線組成，所述奈米碳管層由所述複數奈米碳管組成，該複數奈米碳管中的大多數奈米碳管沿該導電線狀結構的軸向纏繞於該導電線狀結構的表面，且該大多數奈米碳管與其延伸方向上的相鄰奈米碳管藉由凡得瓦力首尾相連。進一步地，所述奈米碳管層中的大多數奈米碳管基本沿所述導電線狀結構的軸向螺旋狀延伸。具體地，所述奈米碳管層中大多數奈米碳管均首尾相連地沿著導電線狀結構的軸向螺旋延伸，該大多數奈米碳管中每一奈米碳管的延伸方向與所述導電線狀結構的軸向形成一定的交叉角α，0°<α≦90°。所述奈米碳管拉膜或非扭轉之奈米碳管線中的大多數奈米碳管沿基本同一方向延伸，所以該奈米碳管複合線狀結構中基本具有同一延伸方向上的奈米碳管與所述導電線狀結構的軸向具有基本相同之交叉角。

當所述奈米碳管層由奈米碳管絮化膜組成時，所述奈米碳管複合線狀結構由所述導電線狀結構及緊密纏繞在該導電線狀結構表面的奈米碳管絮化膜組成，所述奈米碳管絮化膜由複數奈米碳管組成，該複數奈米碳管形成網絡狀，且沿所述導電線狀結構的軸向緊密地、均勻地環繞設置在該導電線狀結構的表面。

當所述奈米碳管層由所述奈米碳管碾壓膜組成時，所述奈米碳管複合線狀結構由所述導電線狀結構及緊密纏繞在該導電線狀結構表面的奈米碳管碾壓膜組成。若所述奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管無序排列，則所述奈米碳管沿所述導電線狀結構的軸向無序地、均勻地、緊密地環繞在該導電線狀結構。若所述奈米碳管碾壓膜中的奈米碳管沿同一方向或複數方向擇優延伸時，沿同一個方向擇優取向延伸的奈米碳管與所述導電線狀結構的軸向形成相同之交叉角，且該夾角大於0°且小於等於90°；另外，該沿複數方向擇優取向延伸的奈米碳管環繞該導電線狀結構緊密排列，且同一個延伸方向上的奈米碳管與所述導電線狀結構的軸向基本具有相同之夾角。

當所述奈米碳管層由扭轉之奈米碳管線組成時，所述奈米碳管複合線狀結構由所述導電線狀結構及緊密無間隙纏繞在該導電線狀結構表面的扭轉之奈米碳管線組成。該扭轉之奈米碳管線中的奈米碳管緊密無間隙地沿該導電線狀結構的軸向環繞該導電線狀結構均勻分佈。

由於奈米碳管具有較好的機械性能及韌性，且具有能增強與其複合的材料的性能的作用，所以，所述奈米碳管複合線狀結構中的奈米碳管均勻地纏繞在所述導電線狀結構表面，使得該奈米碳管複合線狀結構具有較好的機械性能和韌性。這主要係由於所述奈米碳管纏繞於導電線狀結構的表面，當向該奈米碳管複合線狀結構施加一拉力時，該奈米碳管複合線狀結構中的奈米碳管與導電線狀結構之間產生一摩擦力。所述奈米碳管複合線狀結構中的導電線狀結構在拉力的方向上被拉伸，由於所述奈米碳管與所述導電線狀結構之間存在摩擦力，該摩擦力有阻止該導電線狀結構被拉斷的作用，因此，該奈米碳管複合線狀結構中的導電線狀結構被拉斷時的長度大於該純的導電線狀結構被拉斷時的長度；即，在相同拉力的情況下，所述奈米碳管複合線狀結構不容易被拉斷。所述奈米碳管複合線狀結構的性能不但與位於其中的導電線狀結構的性能有關，還與纏繞於所述導電線狀結構表面的奈米碳管膜的纏繞方式、質量等有關。

本發明還提供一種上述奈米碳管複合線狀結構的製備方法，該製備方法包括以下步驟：

a. 提供導電線狀結構及奈米碳管結構；以及

b. 將所述奈米碳管結構纏繞於所述導電線狀結構的表面。

其中，步驟a中的導電線狀結構一般為金屬線或金屬絲。該導電線狀結構的具有一定的強度，可以起到支撐所述奈米碳管結構的作用。所述奈米碳管結構為至少一奈米碳管膜、至少一奈米碳管線狀結構或其組合。所述奈米碳管膜可以為奈米碳管拉膜、奈米碳管絮化膜、奈米碳管碾壓膜等。所述奈米碳管線狀結構可以為非扭轉之奈米碳管線或扭轉之奈米碳管線。所述奈米碳管拉膜或非扭轉之奈米碳管線可以從一奈米碳管陣列中直接拉取獲得。

步驟b可以藉由下述方法實現：

第一種方法，將所述奈米碳管結構黏附於所述導電線狀結構，旋轉所述導電線狀結構，同時控制該導電線狀結構做直線運動或控制所述奈米碳管結構做直線運動，使得所述奈米碳管結構纏繞於該導電線狀結構，進而實現連續製備奈米碳管複合線狀結構。其中，所述奈米碳管結構可以不旋轉，也可以與該導電線狀結構反向旋轉。

第二種方法，將所述奈米碳管結構黏附於所述導電線狀結構，圍繞該導電線狀結構旋轉所述奈米碳管結構，同時控制該導電線狀結構沿其軸向做直線運動或控制所述奈米碳管結構沿所述導電線狀結構的軸向做直線運動，從而使得該奈米碳管結構連續不斷地纏繞於該導電線狀結構的表面，進而實現連續製備奈米碳管複合線狀結構。

所述步驟b進一步包括收集所述奈米碳管複合線狀結構的步驟。

當所述奈米碳管結構為奈米碳管拉膜或非扭轉之奈米碳管線時，提供至少一個奈米碳管陣列；採用一拉伸工具從每個奈米碳管陣列中拉伸出一個奈米碳管膜或一個非扭轉之奈米碳管線，以形成所述奈米碳管結構。將所述奈米碳管結構黏附於所述導電線狀結構；旋轉所述導電線狀結構或旋轉所述奈米碳管結構，使所述奈米碳管結構纏繞於該導電線狀結構的表面。在所述奈米碳管結構纏繞於該導電線狀結構的表面的過程中，該奈米碳管結構不斷從所述至少一個奈米碳管陣列中被連續地拉出。

請參閱圖4至圖6，本發明還提供一奈米碳管複合線狀結構之製備裝置100。該製備裝置100包括一供給單元20、一包覆單元30、一收集單元40以及一底座50。所述供給單元20用於提供一線狀結構，其中該線狀結構不僅包括導電線狀結構，還包括非導電線狀結構，如，碳纖維、Kevlar等人造纖維結構；蜘蛛絲、蠶絲等天然纖維結構。所述包覆單元30用於放置一奈米碳管陣列，該奈米碳管陣列可以製備一奈米碳管結構；該包覆單元30還可以旋轉該奈米碳管結構使該奈米碳管結構纏繞於所述線狀結構的表面。所述收集單元40用於牽引所述線狀結構做直線運動，並收集所述奈米碳管複合線狀結構。所述底座50用於承載所述供給單元20、包覆單元30及收集單元40。其中，該製備裝置100所述的奈米碳管結構為至少一奈米碳管拉膜、至少一非扭轉之奈米碳管線或其組合。

所述底座50為一平板結構。所述供給單元20、包覆單元30及收集單元40固定於該底座50。該底座50一般為金屬材質，如鋼鐵、硬鋁。

所述供給單元20包括一支柱22、一導向軸24、一線軸16以及兩個固定環26。所述支柱22的一端固定於所述底座50，使該支柱22垂直於所述底座50設置。所述導向軸24的一端固定於所述支柱22，並與該支柱22垂直設置，另一端懸空設置。所述線軸16設置於所述導向軸24，該線軸16可以在該導向軸24上自由旋轉。所述線軸16用於纏繞所述導電線狀結構。所述兩個固定環26設置於所述導向軸24且分別位於所述線軸16的兩側，用於限制所述線軸16在所述導向軸24上的位置，防止該線軸16從所述導向軸24脫落。可以理解，所述固定環26的數量不限，可以為一個，三個或更多，只要其能夠限制所述線軸16在所述導向軸24上的位置即可。

所述包覆單元30包括一載體，該載體可以放置生長有一奈米碳管陣列的基底。具體地，該包覆單元30包括一驅動機構32、一空心旋轉軸34、兩個軸承33、兩個支撐座35、一花盤36及一遮蔽元件38。所述驅動機構32設置於所述空心旋轉軸34靠近所述供給單元20的一端，所述花盤36設置於所述空心旋轉軸34的另一端。每個支撐座35設置一個所述軸承33，所述空心旋轉軸34藉由所述軸承33設置於每個支撐座35並藉由該兩個支撐座35支撐。所述驅動機構32用於驅動所述空心旋轉軸34旋轉並帶動所述花盤36旋轉。所述遮蔽元件38用於包容所述花盤36。

所述驅動機構32包括一傳動機構320及一第一電機328。所述傳動機構320設置於所述第一電機328，並藉由該第一電機328驅動。所述傳動機構320包括一第一帶輪322、一第二帶輪324及一傳動帶326。其中，所述第一帶輪322固定於所述第一電機328的旋轉軸。所述第二帶輪324與所述第一帶輪322間隔設置且固定於所述空心旋轉軸34。所述傳動帶326套設於所述第二帶輪324與第一帶輪322。藉由控制所述第一電機328運轉使第一帶輪322旋轉，該第一帶輪322藉由套設其上的傳動帶326帶動該第二帶輪324旋轉。從而該第二帶輪324驅動所述空心旋轉軸34旋轉。這也就係說，所述第一電機328的運轉速度可以決定該空心旋轉軸34的旋轉速度。可以理解，所述驅動機構32的具體結構不限，只要其能夠驅動所述空心旋轉軸34旋轉即可。

所述空心旋轉軸34平行於所述底座50設置。所述空心旋轉軸34設置有第二帶輪324的一側設置有一防鬆動軸承螺帽342，該防鬆動軸承螺帽342設置於該空心旋轉軸34靠近所述供給單元20的一端，用於防止所述第二帶輪324在工作時從該空心旋轉軸34上脫落。該空心旋轉軸34具有一中心軸344，該中心軸344與所述供給單元20的導向軸24的最高點基本上位於同一平面內。該空心旋轉軸34在所述驅動機構32的驅動下可以圍繞該空心旋轉軸34的中心軸344做順時針或逆時針旋轉。

所述兩個支撐座35固定於所述底座50，用於固定並支撐所述空心旋轉軸34。該兩個支撐座35間隔設置於所述驅動機構32與所述花盤36之間。其中，所述驅動機構32的第二帶輪324設置於其中一個支撐座35與所述防鬆動軸承螺帽342之間，以防止所述第二帶輪324在工作時沿所述空心旋轉軸34的延伸方向移動，甚至從該空心旋轉軸34上脫落。可以理解，所述支撐座35的數量不限，也可以為一個、三個等，只要其能夠起到支撐所述空心旋轉軸34即可。

所述花盤36套設並固定於所述空心旋轉軸34，並懸空設置於所述底座50。所以當該空心旋轉軸34旋轉時，該花盤36隨著該空心旋轉軸34一起圍繞該空心旋轉軸34的中心軸344旋轉。由於該空心旋轉軸34的旋轉係由驅動機構32的第一電機328控制的，所以，該花盤36的旋轉速度係由第一電機328的運轉速度來控制的。具體地，所述花盤36的形狀類似多棱臺，如三棱臺、四棱臺、五棱臺、六棱臺、七棱臺等。該花盤36具有複數側面，每個側面上設置一支撐臺362，因此，該花盤36具有複數支撐臺362，每個支撐臺362與所述空心旋轉軸34的中心軸344形成一定夾角，且朝向所述收集單元40設置。所述複數支撐臺362圍繞所述空心旋轉軸34的中心軸344均勻分佈。該複數支撐臺362用於放置可以拉伸出奈米碳管膜之奈米碳管陣列。本實施例中，所述花盤36的形狀類似六棱臺，該六棱臺具有六個側面，即該花盤36具有六個支撐面，各個支撐面設置有支撐臺362，每個支撐臺362朝向所述收集單元40並與所述空心旋轉軸34的中心軸344的夾角為45°。

所述遮蔽元件38具有一收容腔382，並將所述花盤36懸空包容於該收容腔382中。當所述包覆單元30工作時，該遮蔽元件38可以防止設置於所述花盤36的奈米碳管陣列在該花盤36高速運轉下從該花盤36上甩出，傷害到該包覆單元30周圍的人或物。另外，該遮蔽元件38還可以防止灰塵等雜質落到設置於所述花盤36的奈米碳管陣列，污染奈米碳管陣列。可以理解，該遮蔽元件38係可選擇結構。

所述收集單元40固定於所述底座50靠近所述包覆單元30的花盤36的一側。該收集單元40包括一第二電機42及一收集軸44。該收集軸44固定於該第二電機42的旋轉軸，並與所述底座50懸空設置。該收集軸44的中心軸442與所述空心旋轉軸34的中心軸344垂直設置。該收集軸44的最高點與所述空心旋轉軸34的中心軸344基本上位於同一平面內。該收集軸44在該第二電機42的驅動下可以圍繞其中心軸442旋轉，可以牽引所述線狀結構做直線運動並將製備的奈米碳管複合線狀結構收集在該收集軸44上。因此，該收集軸44的旋轉速度可以根據該第二電機42的運轉速度來控制，即，藉由控制該第二電機42的運轉速度，可以控制該收集軸44對線狀結構的牽引速度及該奈米碳管複合線狀結構的收集速度。

所述製備裝置100還可以包括兩個定位元件60，該兩個定位元件60分別具有一定位孔62，該定位孔62的中心基本與所述包覆單元30的空心旋轉軸34的中心軸344處於同一平面內。該兩個定位元件60可以確保所述線狀結構基本處於同一平面內，且不會碰到所述空心旋轉軸34的內壁。具體地，其中一個定位元件60設置於所述供給單元20與所述包覆單元30之間，其主要係為確保所述供給單元20提供之線狀結構能夠懸空穿過所述包覆單元30的空心旋轉軸34。另一個定位元件60設置於所述包覆單元30與所述收集單元40之間，以確保藉由該製備裝置100製備的奈米碳管複合線狀結構能夠與所述收集軸44的最高點基本處於同一平面內，並能較好的纏繞在該收集軸44上。顯然，所述定位元件60為可選擇結構，該定位元件60的數量不限。

使用上述製備裝置100製備奈米碳管複合線狀結構的方法包括以下步驟：

S10藉由所述供給單元20提供一線狀結構；

S20將所述線狀結構穿過所述包覆單元30的空心旋轉軸34固定於所述收集單元40；

S30藉由所述包覆單元30提供奈米碳管結構，並將該奈米碳管結構黏附於所述線狀結構；以及

S40控制所述包覆單元30的驅動機構32使所述花盤36旋轉同時控制收集單元40牽引所述線狀結構做直線運動，使得所述奈米碳管結構螺旋纏繞於所述線狀結構。

所述步驟S10可以藉由以下步驟實現：提供一纏繞有所述線狀結構的線軸16；將該纏繞有線狀結構的線軸16固定於所述供給單元20的導向軸24。其中，該纏繞有線狀結構的線軸16能夠圍繞所述導向軸24旋轉。

所述步驟S20具體為：使所述纏繞有線狀結構的線軸16的自由端懸空穿過所述空心旋轉軸34；然後，將該線狀結構纏繞於所述收集單元40的收集軸44的表面。可以理解，當所述製備裝置100包括所述兩個定位元件60時，所述線狀結構應當依次穿過所述兩個定位元件60的定位孔62，再纏繞於所述收集軸44的表面。

所述步驟S30包括以下分步驟:

S31提供至少一奈米碳管陣列，每個奈米碳管陣列生長於一基底；

S32將所述生長有奈米碳管陣列的基底固定於該包覆單元30的花盤36；以及

S33採用一拉伸工具分別從所述至少一奈米碳管陣列中拉伸出一奈米碳管膜或非扭轉之奈米碳管線，並將該奈米碳管膜或非扭轉之奈米碳管線黏附於所述線狀結構。

其中，步驟S31中的奈米碳管陣列優選地為超順排奈米碳管陣列。該超順排奈米碳管陣列的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的矽基底，本實施例優選為採用4英寸的矽基底；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）或其任意組合的合金之一；將上述形成有催化劑層的基底在700℃~900℃的空氣中退火約30分鐘~90分鐘；將處理過的基底置於反應爐中，在保護氣體環境下加熱到500℃~740℃，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，其高度為50微米~5毫米。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的奈米碳管形成的純奈米碳管陣列。藉由上述控制生長條件，該超順排奈米碳管陣列中基本不含有雜質，如無定型碳或殘留的催化劑金屬顆粒等。該奈米碳管陣列中的奈米碳管彼此藉由凡得瓦力緊密接觸形成陣列。該奈米碳管陣列與上述基底面積基本相同。本實施例中碳源氣可選用乙炔、乙烯、甲烷等化學性質較活潑的碳氫化合物，本實施例優選的碳源氣為乙炔；保護氣體為氮氣或惰性氣體，本實施例優選的保護氣體為氬氣。

步驟S32將所述至少一奈米碳管陣列的基底藉由粘膠、機械方式或真空吸附固定於所述花盤36的複數支撐臺362上。其中，每個支撐臺362上可以固定一個奈米碳管陣列。

步驟S33採用所述拉伸工具依次從每個奈米碳管陣列中拉出一奈米碳管膜或非扭轉之奈米碳管線，並依靠該奈米碳管膜或非扭轉之奈米碳管線的黏性將該奈米碳管膜或非扭轉之奈米碳管線黏附於所述線狀結構的表面。

其中，採用一拉伸工具從一個奈米碳管陣列中拉取獲得一個奈米碳管膜或一個非扭轉之奈米碳管線。包括以下步驟：從所述奈米碳管陣列中選定部分奈米碳管；以一定速度沿基本垂直於該奈米碳管陣列生長方向拉伸該部分奈米碳管，以形成一連續之奈米碳管膜。在該拉伸過程中，該部分奈米碳管在拉力作用下沿拉伸方向逐漸脫離基底的同時，由於凡得瓦力作用，該選定的部分奈米碳管分別與奈米碳管陣列中的其他奈米碳管首尾相連地連續地被拉出，從而形成一奈米碳管膜或非扭轉之奈米碳管線。所述拉伸工具可以為鑷子、尺子或膠帶。

其中，在該步驟S32及步驟S33中，所述遮蔽元件38處於打開狀態，使得所述花盤36暴露於周圍環境中。

步驟S40為：當啟動所述收集單元40及包覆單元30時，所述供給單元20不斷提供所述線狀結構，該線狀結構在該收集單元40的作用下不斷從所述供給單元20中抽出並朝向該收集單元40運動，同時帶動所述奈米碳管結構不斷從所述至少一奈米碳管陣列中拉出，同時，所述驅動機構32驅動所述空心旋轉軸34圍繞該空心旋轉軸34的中心軸344旋轉。該空心旋轉軸34的旋轉帶動所述花盤36及設置於該花盤36的至少一奈米碳管陣列圍繞該空心旋轉軸34的中心軸344旋轉，也使得從每個奈米碳管陣列中拉伸出的奈米碳管膜螺旋纏繞於所述線狀結構的表面，從而形成所述奈米碳管複合線狀結構。所述收集軸44在該收集單元40的第二電機42的驅動下，自動將該奈米碳管複合線狀結構纏繞於該收集軸44上。因此，所述奈米碳管複合線狀結構將連續地被製備出來，並自動被收集。其中，該步驟S40實施之前，尤其係開啟該包覆單元30之前，最好先確保所述遮蔽元件38處於閉合狀態，使所述花盤36包容於該遮蔽元件38中。

另，當所述花盤36的旋轉速度一定的情況下，當所述收集軸44的旋轉速度越大，該收集軸44對所述線狀結構的牽引速度就越大，所述線狀結構的移動速度就越大，那麼所述奈米碳管複合線狀結構中的奈米碳管層的厚度就越薄；當所述收集軸44的旋轉速度越小，該收集軸44對所述線狀結構的牽引速度就越小，所述線狀結構的移動速度就越小，那麼所述奈米碳管層的厚度就越厚。當所述收集軸44的旋轉速度一定的情況下，所述花盤36的旋轉速度越大，所述奈米碳管結構纏繞在所述線狀結構的速度就越快，那麼所述奈米碳管層的厚度就越厚；所述該花盤36的旋轉速度越小，所述奈米碳管結構纏繞在所述線狀結構的速度就越慢，那麼所述奈米碳管層的厚度就越薄。由此可見，所述收集軸44的旋轉速度及花盤36的旋轉速度共同影響所述奈米碳管複合線狀結構中的奈米碳管層的厚度；即，藉由控制第二電機42的運轉速度及第一電機328的運轉速度可以控制所述奈米碳管層的厚度。

故，所述製備裝置100可以實現連續之生產奈米碳管複合線狀結構，有利工業化的應用。

下面將以奈米碳管金絲複合線狀結構為例闡述本發明。

請參閱圖2及圖3，本發明實施例提供一種奈米碳管複合線狀結構10。該奈米碳管複合線狀結構10的直徑大約為40微米，且由一直徑大約為18微米的金絲12及環繞該金絲12的奈米碳管層14構成，該奈米碳管層14由複數奈米碳管142組成。該複數奈米碳管142緊密地、均勻分佈於該金絲12的表面。其中，該奈米碳管複合線狀結構10係由六個奈米碳管拉膜沿該金絲12軸向螺旋纏繞於該金絲12的表面而形成的。所述複數奈米碳管142中的大多數奈米碳管142沿該金絲12的軸向螺旋狀纏繞於該金絲12的表面，且該大多數奈米碳管142與其延伸方向上的相鄰奈米碳管142藉由凡得瓦力首尾相連。進一步地，該大多數奈米碳管142的延伸方向與其延伸方向上的相鄰奈米碳管142的延伸方向沿所述金絲12螺旋延伸。該大多數奈米碳管142中每一奈米碳管142的延伸方向與所述金絲12的軸向所形成的交叉角大於0°且小於90°。另外，基本具有同一延伸方向上的奈米碳管142與所述金絲12的軸向具有基本相同之交叉角。所述直徑大約為40微米的奈米碳管複合線狀結構10具有較好的機械性及韌性，且該直徑大約為40微米的奈米碳管複合線狀結構10的伸長量可以從所述直徑大約為18微米的金絲12的5%提高到10%。其中，所述“伸長量”一般指在拉力的作用下，所述奈米碳管複合線狀結構10拉伸後的長度與拉伸前的差值。

請參閱圖7，本發明實施例提供一種上述奈米碳管複合線狀結構10的製備方法，該製備方法可以使用所述製備裝置100。所述奈米碳管複合線狀結構10的方法包括以下步驟：a、提供一金絲12及奈米碳管結構；b、將所述奈米碳管結構纏繞於所述金絲12的表面。其中，步驟a中的金絲12可以藉由所述供給單元20提供。所述奈米碳管結構可以藉由所述包覆單元30提供。步驟b可以藉由啟動所述製備裝置100實現。

具體地，所述奈米碳管複合線狀結構10的製備方法包括以下步驟：

W10藉由所述供給單元20提供一金絲12；

W20將所述金絲12穿過所述包覆單元30的空心旋轉軸34固定於所述收集單元40；

W30藉由所述包覆單元30提供六個奈米碳管膜15，並將該六個奈米碳管膜15黏附於所述金絲12；以及

W40控制所述包覆單元30的驅動機構32使所述花盤36旋轉同時控制收集單元40牽引所述金絲12做直線運動，使得所述六個奈米碳管膜15螺旋纏繞於所述金絲12。

所述步驟W10為提供一線軸16，該線軸16纏繞有所述金絲12；將該線軸16懸掛於所述供給單元20的導向軸24上，並用所述兩個固定環26將該線軸16固定在該導向軸24。

所述步驟W20為從所述線軸16上抽取一段所述金絲12，將該金絲12依次穿過所述定位元件60的定位孔62及所述空心旋轉軸34；然後將該金絲12纏繞於所述收集軸44上。

所述步驟W30為提供六個生長於基底的超順排奈米碳管陣列18；打開所述遮蔽元件38，分別將該六個生長有超順排奈米碳管陣列18的基底藉由雙面膠固定到所述花盤36的支撐臺362上；然後，採用一膠帶依次從所述六個超順排奈米碳管陣列18中拉出奈米碳管膜15，並將每個奈米碳管膜15黏附到所述金絲12的表面；接下來，關閉所述遮蔽元件38，使得所述花盤36包容於該遮蔽元件38的收容腔382中。

在步驟W40中，啟動所述收集單元40的第二電機42與所述包覆單元30的驅動機構32的第一電機328，該第二電機42驅動所述收集軸44圍繞該收集軸44的中心軸442做順時針旋轉，此時，所述金絲12不斷從所述線軸16上拉出並朝向該收集軸44運動，且六個奈米碳管膜15不斷從所述六個超順排奈米碳管陣列18中拉出。同時，所述第一電機328驅動所述傳動機構320運轉。該傳動機構320使得所述空心旋轉軸34圍繞其中心軸344旋轉，從而帶動所述花盤36旋轉。該花盤36的旋轉使得所述六個超順排奈米碳管陣列18及從該六個奈米碳管陣列18中拉出的奈米碳管膜15一起跟隨該花盤36旋轉。由於該六個奈米碳管膜15的旋轉方向與所述金絲12的運動方向垂直，所以該六個奈米碳管膜15螺旋纏繞在該金絲12的表面，從而形成所述奈米碳管複合線狀結構10。由於所述收集軸44的旋轉，使得所述奈米碳管複合線狀結構10纏繞在該收集軸44。隨著所述收集單元40及包覆單元30的運動，金絲12不斷被拉出，所奈米碳管膜15不斷從所述奈米碳管陣列18中拉出並被纏繞在不斷運動的金絲12上，從而實現自動生成奈米碳管複合線狀結構10。

可以理解，本發明提供之奈米碳管複合線狀結構還可以為直徑大約50微米的奈米碳管鋁線複合結構，該奈米碳管鋁線複合結構由一個直徑大約為25微米的鋁線及沿該鋁線長度方向螺旋排列的複數奈米碳管組成。

本發明實施例提供之奈米碳管複合線狀結構、其製備裝置以及製備方法，具有以下優點：第一，由於奈米碳管具有較好的機械性能及韌性，且具有能增強與其複合的材料的性能的作用，所以，所述奈米碳管複合線狀結構中的奈米碳管均勻分佈在所述導電線狀結構的表面，使得該奈米碳管複合線狀結構10具有較好的機械性能和韌性。如，可以使其伸長量從導電線狀結構的伸長量的5%增加到10%。因此，本發明提供之奈米碳管複合線狀結構具有廣泛的應用，如可以用到線纜中，可以作為導線等。第二，本發明實施例提供之奈米碳管複合線狀結構藉由將奈米碳管結構纏繞在所述導電線狀結構的表面來製備，使得該製備方法比較簡單，易於實現。第三，本發明實施例提供之製備裝置可以使得所述線狀結構結構穿過所述包覆單元固定於所述收集單元，而所述包覆單元中的花盤可以旋轉，從而使得設置於該花盤上的奈米碳管陣列也可以旋轉，從而使得從奈米碳管陣列中獲得的奈米碳管結構可以自動纏繞在所述線狀結構上；另外，所述收集單元可以自動牽引所述線狀結構及纏繞所述奈米碳管複合線狀結構，因此，本發明實施例提供奈米碳管複合線狀結構之製備裝置可以實現自動製備並收集奈米碳管複合線狀結構，使得奈米碳管複合線狀結構的製備比較簡單，可以實現連續之生產，有利於工業應用。

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內。

10‧‧‧奈米碳管複合線狀結構

100‧‧‧製備裝置

12‧‧‧金絲

14‧‧‧奈米碳管層

142‧‧‧奈米碳管

15‧‧‧奈米碳管膜

16‧‧‧線軸

18‧‧‧奈米碳管陣列

20‧‧‧供給單元

22‧‧‧支柱

24‧‧‧導向軸

26‧‧‧固定環

30‧‧‧包覆單元

32‧‧‧驅動機構

320‧‧‧傳動機構

322‧‧‧第一帶輪

324‧‧‧第二帶輪

326‧‧‧傳動帶

328；42‧‧‧電機

33‧‧‧軸承

34‧‧‧空心旋轉軸

342‧‧‧防鬆動軸承螺帽

344；442‧‧‧中心軸

35‧‧‧支撐座

36‧‧‧花盤

362‧‧‧支撐臺

38‧‧‧遮蔽元件

382‧‧‧容腔

40‧‧‧收集單元

44‧‧‧收集軸

50‧‧‧底座

60‧‧‧定位元件

62‧‧‧定位孔

圖1係本發明實施例提供之奈米碳管拉膜的掃描電鏡照片。

圖2係本發明實施例提供之奈米碳管複合線狀結構的掃描電鏡照片。

圖3係圖2中之奈米碳管複合線狀結構橫截面的示意圖。

圖4係本發明實施提供之奈米碳管複合線狀結構之製備裝置的主視局部剖面圖。

圖5係圖4中奈米碳管複合線狀結構之製備裝置的俯視局部剖面圖。

圖6係圖4中奈米碳管複合線狀結構之製備裝置的花盤之立體結構示意圖。

圖7係利用圖4提供之製備裝置製備圖2所示之奈米碳管複合線狀結構的示意圖。