[发明专利]在铝和碳材料之间形成有效的Al-C共价键的方法

说明书

本申请是分案申请，其原申请的申请号为200810135280.1，申请日为2008年8月7日，发明名称为“在铝和碳材料之间形成有效的Al-C共价键的方法”。

技术领域

本发明涉及使用电弧或电化学技术形成Al-C共价键的方法。

背景技术

铝的应用范围广泛，从日常用品，如厨房用箔片、一次性餐具等到耐久品，如窗户、车辆和航空器等。铝的特点在于重量轻，仅有钢的重量的三分之一，并通过与其他金属形成合金而具有优异的强度。而且，由于铝的表面上存在的化学稳定的氧化层可防止其被水分或氧气腐蚀，因而铝是化学稳定的。

鉴于此，铝已经广泛用于车辆、航空器等。特别是，车辆中采用的铝制车轮比常规的钢制车轮更轻，因而可减少其自身的负荷，这将有助于提高燃料效率，同时减轻车体的重量。不过，当将铝用于诸如结构用管或结构用板等结构材料时，铝制结构材料必须较厚，这是因为铝的抗拉强度仅仅相当于钢的抗拉强度的大约40％，这导致材料的过度耗费，从而造成材料的成本过高。

为解决该问题，正在大力推行制造铝/碳材料接合物(joint)和复合物的研究。作为一个例子，韩国专利公报10-2003-0046378公开了通过使用添加剂使碳纤维与铝结合而制造适用于结构材料的接合材料的方法。然而，该方法由于使用了添加剂因而对铝和碳纤维之间的界面键合力存在限制，问题在于因为接合材料必须变形以使其成形因此粘合强度降低。

除了通过使用中间材料制造复合物的方法，对复合材料的积极研究也正在进行中。其中，制造碳纤维/碳纳米管和铝的复合材料的方法主要分为使用等离子体的方法和镀覆法。

使用等离子体的方法是通过高能等离子体瞬间熔化铝来烧结碳材料的方法。在日本专利特开公报2006-315893(2006.11.24)中披露了其一个实例。不过，使用等离子体的方法的缺点在于因为设备昂贵且需要长时间施加高频率因而导致生产率下降。

电镀法是制备复合材料镀覆溶液、施加电势并镀覆复合材料的方法(日本专利特开公报2007-070689)。在该技术中，将碳纳米管和铝溶解在镀覆溶液中，以使两种材料能够到达阴极的表面，由此形成复合物。然而，在该方法中，不利之处在于，不能控制铝和碳材料之间的键合力和产率下降。

这种铝/碳材料复合物的形成伴随着几个问题，这些问题基本上是由这两种物质之间的物理和化学性质的差异造成的。首先，碳材料，例如碳纳米管，由于范德华力而具有较高的相互粘结力，因而很难均匀地分散在铝基质中。其次，碳材料和铝基质具有不同的表面张力。显示表面张力存在较大差异的一个良好例子是水和油，水的表面张力是油的2～3倍。然而，近期的研究报告揭示，铝的表面张力是955mN/m，而碳材料的表面张力是45.3mN/m[基于J.M.Molina等International Journal of adhesion Adhesives 27(2007)394-401，S.Nuriel，L.Liu，A.H.Barber，H.D.Wagner.Direct measurement of multiwall nanotube surface tension，Chemical Physics Letters 404(2005)263-266]。也就是说，这两种材料的表面张力的差异是一种比另一种高大约20倍。该结果表明这两种材料很难相互混合。而且，由于这两种材料的密度明显不同，因而它们在熔化时也几乎不能相互混合。

发明内容

因此，已经完成了本发明以至少解决现有技术中出现的上述问题，本发明人通过使用电弧或电化学技术解决了铝和碳材料间键合的现有问题。电弧法通过在电子流经碳材料和铝之间时在碳纳米管和铝的化合物的内部产生电弧或焦耳热来诱导Al-C共价键。电化学技术允许碳材料中含有的碳通过与被电势差还原的铝反应而形成Al-C共价键。

本发明的一个目的是提供一种通过使用电弧在铝和碳材料之间形成共价键的方法。

本发明的另一个目的是提供一种其中通过施加电弧来形成共价键的铝/碳材料复合物的制造方法，和根据上述方法制造的铝/碳材料复合物。

本发明的又一个目的是提供一种通过使用电化学技术在铝和碳材料之间形成共价键的方法。

本发明的再一个目的是提供一种其中通过使用电化学技术来形成共价键的铝/碳材料复合物的制造方法，和根据上述方法制造的铝/碳材料复合物。