[发明专利]一种碳纳米管纤维的复合导线应用及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料的应用制备领域，具体涉及一种轻质、高强度碳纳米管纤维于复合导线的应用及其制备方法。

背景技术

碳纳米管自1991年Ijima在电镜下观察到以来^[1]，就备受科学家们的关注。进一步的研究表明，碳纳米管由于其特殊的石墨层状结构，因而具有优异的力学性质，以及良好的导电性能。目前研究结果表明，碳纳米管的拉伸强度为150Gpa^[2]，杨氏模量为1Tpa^[3]。近年来，人们通过纺丝技术，以碳纳米管气溶胶^[4]、可纺丝碳纳米管阵列^[5]以及棉花状碳纳米管原材料^[6]中加工得到了由纯碳纳米管组成的碳纳米管纤维材料。目前，以碳纳米管气溶胶和可纺丝碳纳米管阵列为原材料得到的碳纳米管纤维拉伸强度最高分别可以达到8.8Gpa以及3.3Gpa^[7，8]。

由于碳纳米管纤维具有如此高的拉伸强度以及非常好的化学稳定性能，使得它在复合材料制备方面具有非常明显的优势，从而在高性能材料制备方面发挥重要作用。如目前市场上的超细导线大多采用导电性好的金属材料制备而成，但存在着制作工艺复杂、强度与韧性较差，导线易于断裂失效的弱点。碳纳米管纤维是一种新型的高性能碳基纤维材料，它除了具有如化学稳定性高、耐腐蚀性强和温度系数低等碳纤维本征特性外，还具有比碳纤维密度更低、强度和韧性更高、电学性能易于提高的优点。

【参考文献】

[1]S.Iijima，Nature，1991，354，56-.

[2]B.G.Demczyk，Y.M.Wang et al.，Mater.Sci.Eng.A 2002，334，173.

[3]M.F.Yu，B.S.Files et al.，Phys.Rev.Lett.2000，84，5552.

[4]Y.L.Li，A.Kinloch et al.，Science，2004，304，276.

[5]K.L.Jiang，Q.Q.Li，et al.，Nature，2002，419，801.

[6]L.X.Zheng，X.F.Zhang et al.，Adv.Mater.2007，19，2567.

[7]K.Koziol，J.Vilatela et al.，Science，2007，318，1892.

[8]X.F.Zhang，Q.W.Li et al.，Adv.Mater.2007，19，4198.

发明内容

鉴于上述现有超细导线制备技术的缺陷，本发明的目的旨在提出一种已有碳纳米管纤维在复合导线制备中的应用，以得到一种既具有金属高导电性又具有碳纳米管纤维高结构强度的碳纳米管纤维复合导线。

其技术解决方案是：将碳纳米管纤维用作为复合导线的主干线芯，其直径选择范围介于1μm～100μm；且所述碳纳米管纤维表面镀有种类和厚度可控的金属导电层。

本发明另一个目的旨在同时提出一种实现上述应用，制备复合导线的制备方法。其技术解决方案为：将金属导电层均匀地镀至碳纳米管纤维表面，制成所述复合导线，其包括步骤：

Ⅰ、预制碳纳米管气溶胶或可纺丝碳纳米管阵列，或直接购得棉花状碳纳米管，并采用纺丝技术从中加工得到由纯碳纳米管组成的碳纳米管纤维材料；

Ⅱ、采用电镀和化学镀之一的方法，在碳纳米管纤维表面按长度及厚度需要镀覆金属导电层，制成具结构强度及韧性的复合导线。

进一步地，前述的一种碳纳米管纤维的复合导线制备方法，步骤Ⅰ中采用浮动催化化学气相沉积的方法预制碳纳米管气溶胶；或采用在一平滑基底上的化学气相沉积、垂直生长方法预制可纺丝碳纳米管阵列。

进一步地，前述的一种碳纳米管纤维的复合导线制备方法，步骤Ⅱ中所述金属导电层为采用电镀方法镀覆于碳纳米管纤维表面的单一金属镀层或两种以上金属元素的复合镀层，其中所述两种以上金属元素为同时复合电镀或分先后复合电镀。

更进一步地，所述两种以上金属元素的复合镀层具有作为镀层主体成分的主要金属Cu、Ni、Au、Ag、Sn、Fe或Zn中的一种，以及用于调节镀层外观、致密性及结构的其它次要金属Co或非金属P，所述复合镀层至少为Au-Co合金或Ni-P合金。