[发明专利]碳纳米管和碳的复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

 本发明涉及一种碳纳米管和碳的复合材料及其制备方法，具体是以碳纳米管宏观体为预制体，采用化学气相沉积法热解含碳前驱体将碳沉积于碳纳米管宏观体，制备碳纳米管和碳的复合材料，属于纳米材料领域。

背景技术

碳纤维/碳复合材料具有轻质、高强、耐高温和抗腐蚀等性能，广泛应用于航空航天、国防装备和高端民用领域，在高强建筑、汽车工业和能源和环保领域具有重要的应用潜力。

碳纳米管是石墨卷曲构成的一维纳米材料、具有轻质、高的比表面积、可功能化的表面结构，具有高强度、高模量和高柔性，是发展轻质、高强、抗冲击的高性能碳/碳复合材料的理想增强材料。

碳纳米管具有高导电、高导热、电场发射和其它多功能特性，这结合碳纳米管的一维纳米结构，将其引入碳基体，可发展具有导电和导热等物理性能和新的功能特性的碳基纳米功能材料。

目前用气相法、等离子体法和激光法可制备出单壁、双壁、少壁和多壁等不同石墨层数的碳纳米管材料，这些材料或是粉末状或是无规缠绕状。用这些材料可以制备碳纳米管和碳的复合材料，通常制备的复合材料难以获得高含量、取向和均匀的分布于碳基体中的碳纳米管。

碳纳米管纤维是由碳纳米管组成的宏观纤维，目前用气相法、液相法和阵列法制备等方法可制备出碳纳米管纤维，这些碳纳米管纤维由单壁、双壁和不同壁数的碳纳米管连接构成。以碳纳米管纤维构成的宏观体为预制体，通过化学气相沉积碳、浸渍气相或液相含碳前驱体，可制备出高碳纳米管含量、可控取向和均匀分散的碳纳米管复合材料，可发挥碳纳米管的一维纳米结构和轴向力学和物理性能，获得具有各向同性和各向异性力学性能和物理性能的碳纳米管和碳的复合材料。用气相法可在基板上制备出顺向排列的碳纳米管阵列，用碳管阵列为预制体沉积碳也可得到具有取向排布的碳纳米管和碳的复合材料，但限于碳管阵列尺寸得到的复合材料为薄片，实际应用有限。

以碳纳米管组成的宏观体为预制体，采用化学气相沉积法制备出碳纳米管和碳的复合材料未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳纳米管和碳的复合材料及其制备方法。以碳纳米管纤维构成的宏观体为预制体，采用化学气相法制备的碳纳米管纤维、碳纳米管纤维构成的预制体和碳纳米管膜构成的预制体为基体，采用化学气相沉积法进行碳沉积形成碳纳米管和碳的复合材料。沉积碳可以通过热壁反应和冷壁反应进行，特别是本发明通过电加热局部高效加热碳纳米管预制体进行碳沉积制备碳纳米管和碳的复合材料。通过设计和构造碳纳米管宏观体的形态和尺度可制备出纤维、薄片和块体碳纳米管和碳的复合材料，可制备出各种碳纳米管含量、均匀分散和排列取向的碳纳米管和碳的复合材料。

化学气相沉积法具有反应可控和沉积碳可控等优点。选用各种碳源和沉积条件，包括沉积温度、时间和气压调控沉积碳的结构，形成低织构、中等织构和高织构等不同结构的热解碳和相应的碳/碳复合材料。通过变化沉积条件，还可控制沉积碳的分布，在预制体内部和特定区域形成不同分布的热解碳。这些具有不同结构和分布碳的碳/碳复合材料具有不同的强度、导电和导热等性能，作为高性能结构和功能材料，用于相关领域。

本发明提供的碳纳米管和碳的复合材料由碳纳米管和碳复合组成，碳纳米管的质量分数为0.5-95%。制备方法为以碳纳米管宏观体为预制体，采用化学气相沉积法，热解含碳前驱体将碳沉积于宏观碳纳米管预制体，形成碳纳米管和碳的复合材料。

可选地，所述的碳纳米管的质量分数为5-95%。该复合材料电导率为1-3.25×10⁴ S/m；所述的碳纳米管和碳的复合材料密度0.80-2 g/cm³。

所述的碳纳米管是单壁碳纳米管，双壁碳纳米管，多壁碳纳米管的一种或几种的混合。

所述的碳纳米管宏观体是碳纳米管纤维、碳纳米管纤维构成的预制体或碳纳米管膜构成的预制体。可选地，碳纳米管纤维直径20-150 μm，长4 cm；碳纳米管纤维束直径约为300-1000 μm，长4 cm；碳纳米管膜长4 cm，宽1-10 mm，厚0.2-1 mm。

所述的碳是低织构热解碳、中等织构热解碳或高织构热解碳的一种或几种的混合。

所述的含碳前驱体为碳氢化合物，碳氧化合物，碳氢氧化合物的一种或几种的混合物。

所述的沉积碳的温度为500-1500 oC。所述的沉积碳的气压为1-101 kPa。

本发明提供的碳纳米管和碳的复合材料具体制备方法包括的步骤：