[发明专利]碳纳米管与金属连接的方法

说明书

技术领域

本发明涉及碳纳米管与金属材料微连接的方法。

背景技术

碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体，它是1991年才发现的新型碳结构。碳纳米管直径达到纳米级，长径比很大，可视为准一维纳米材料。理论计算和实验研究表明，碳纳米管具有奇特的电磁学性能、力学性能和化学性能，其具有特殊的电子能带结构，波失被限定于轴向，量子效应非常明显。研究发现单壁碳纳米管可以作为真正的量子导线。单层石墨烯中的碳碳键是自然界中最强的化学键之一，而碳纳米管的结构恰为完整的石墨网络，其理论计算的强度为钢的100倍，密度却只有钢的1/6，并且具有很好的柔韧性，因此可以制成超级纤维，用于高强度复合材料增强体，并在航空、航天领域有广阔的应用前景。碳纳米管具有优异的性能，在应用过程中首先要解决的就是碳纳米管与其他材料互相连接的问题。因为碳纳米管是一维纳米材料，所以普通宏观焊接的方法很难在碳纳米管的连接上得到应用。又由于材料性质之间的巨大差异，使得碳纳米管与金属材料连接较难进行。

现有的碳纳米管与金属连接的方法：一是采用化学改性的方法处理金属电极，使碳纳米管“受控吸附”在金属电极表面，然而化学改性的方法主要靠范德华力或者靠氨基与羧基的缩合反应来实现碳纳米管与其他材料的连接，这种连接结合力弱，而且容易受到环境的影响，在潮湿或者弱酸弱碱环境中化学键容易断裂，不能可靠连地接纳米装置；二是利用聚焦电子束将碳纳米管与金属进行连接，例如用扫描电镜内部的聚焦电子束把少量碳氢杂质沉积在碳纳米管上，这种被沉积杂质的碳纳米管可以粘附在原子力显微镜的探针上，然后在通过探针操作将碳纳米管和多晶硅进行连接；还有一种方法是通过聚焦电子束系统将一种具有良好导电性的Au-C复合物沉积到金属电极表面的碳纳米管上，该方法原位地将碳纳米管粘附在金属电极上，使碳纳米管具有较高的导电性。尽管利用聚焦电子束可以获得碳纳米管与金属材料之间一定程度的接触，但聚焦电子束的方法操作复杂，设备昂贵，加工面积小，这种小尺寸点处理不能在较大范围得到应用。

发明内容

本发明是为了解决现有的采用化学改性的方法进行碳纳米管与金属连接的方法结合力弱和利用聚焦电子束将碳纳米管与金属进行连接的方法操作复杂，设备昂贵，加工面积小的问题，而提供碳纳米管与金属连接的方法。

本发明的碳纳米管与金属连接的方法按以下步骤进行：一、先将基体的待连接面抛光至表面粗糙度≤2μm，然后再将基体的待连接面用化学去膜液处理，接着用酒精或丙酮清洗，最后以500eV～5000eV的Ar离子束为溅射源溅射基体的待连接面，得到处理好的基体，基体为Au或者在表面沉积Au的金属材料基体；二、按碳纳米管的浓度为0.1μg/mL～5μg/mL，将碳纳米管加入到去离子水或者乙醇中，然后超声处理10min～30min，得到碳纳米管悬浊液；三、将经步骤二制得的碳纳米管悬浊液滴加于经步骤一处理好的基体的待连接面上，再将基体置于磁场强度为0.9T～1.2T的磁场中，放置4h～6h后将基体加热至50℃～70℃，使待连接面上的残余液体完全蒸发，完成碳纳米管在基体待连接面上的定向分布；四、将经步骤三得到的完成碳纳米管定向分布的基体放入真空扩散焊机中，在真空度为1×10^-5Torr～3×10^-5Torr、压力为1.0MPa～1.5MPa、温度为550℃～600℃的条件下保持20min～30min，完成碳纳米管与金属的连接；其中步骤一中所述的化学去膜液处理是按以下步骤进行的：配制体积分数为12.5%的H₂SO₄水溶液，得到化学去膜液，将基体的待连接面浸没于温度为65℃的化学去膜液中保持1min，完成化学去膜处理；步骤二中所述的碳纳米管是由电弧法、催化热解法或激光蒸发法制备的，或者是在纯化后的碳纳米管表面溅射或蒸镀铁、钴或镍的碳纳米管。