[发明专利]一种多重纳米碳丝复合碳纤维及其制备方法

说明书

本发明公开了一种多重纳米碳丝复合碳纤维，该多重纳米碳丝复合碳纤维为多重纳米碳丝复合旋卷状碳纤维，其伸缩特性符合虎克定律，刚性率为9.8Gpa以上。该复合碳纤维的旋卷直径为0.1～10μm，螺距为0.1～5.5μm，构成该复合碳纤维的碳亚纤维直径为0.05～1.5μm，该亚纤维由直径为50‑500纳米的碳丝多股复合而成；该复合碳纤维沿着旋卷轴以不变的旋卷直径和螺距规则地旋卷。采用上述技术方案，本发明相对于现有技术，具有以下优点：制备工艺简单易行，本发明的多重纳米碳丝复合碳纤维不仅有规则的旋卷形态，有一定螺距尺寸，且同时具有弹性和刚性，适用于单个使用作为微机械元件。

技术领域

本发明涉及一种多重纳米碳丝复合碳纤维，即多重纳米碳丝复合旋卷状碳纤维的制备方法，属于多功能碳纤维材料技术领域。

背景技术

碳纤维材料领域内旋卷状的碳纤维因其具有碳材料的优良性能和旋卷状的独特形状，使其在电磁材料、复合材料添加剂等方面的应用具有广阔前景。因此，其制备及本身特性的优化是该类碳纤维材料领域的重点研究对象。

当前合成旋卷状碳纤维的方法是采用镍催化化学气相沉积法(Chemical VaporDeposition，简称CVD)，能够大量获得的是二重碳丝紧密旋卷而成的微螺管，或者内经为零的扭绳状的微米(纳米)级碳纤维。而具有一定螺距的、刚性大的规则旋卷微碳纤维比螺管或者扭绳状纳米/微米碳纤维有更好的微机械特性，但目前尚缺乏再现性好的合成工艺。

因此，为了应用于微电子机械系统，开发刚性大且有弹性的微旋卷状碳纤维的稳定制备技术是本领域急需解决的技术问题。

参考文献：

①CN 200410065511

②CN 200610148006.9

③CN 201310636461

④CN 201410424026

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的问题点，着眼于提供一种自身形态规则匀称，伸缩性好的多重纳米碳丝复合旋卷状碳纤维。

基于上述发明目的，本申请提供多重纳米碳丝复合碳纤维，该多重纳米碳丝复合碳纤维为多重纳米碳丝复合旋卷状碳纤维，其伸缩特性符合虎克定律，刚性率为9.8Gpa以上。

为了更好的实现发明目的，在一些实施方式中，该复合碳纤维的旋卷直径为0.1～10μm，螺距为0.1～5.5μm，构成该复合碳纤维的碳亚纤维直径为0.05～1.5μm，该亚纤维由直径为50-500纳米的碳丝多股复合而成；该复合碳纤维沿着旋卷轴以不变的旋卷直径和螺距规则地旋卷。

本发明的纳米碳丝复合碳纤维包括含有铜和镍的催化剂粉末负载在载体上作为负载型催化剂，使碳氢化合物在氢气气氛下催化裂解成碳微粒沉积而成多重纳米碳丝复合旋卷状碳纤维；含铜和镍的负载型催化剂采用含硝酸盐和催化剂复合，铜在复合催化剂中的含量与镍含量之比不少于10％(按重量百分比计算)；载体的粒径在0.5～5μm之间，载体的比表面积不低于20m²/g，催化剂和载体的质量比为0.05～0.2：1。负载型催化剂的用量为反应基板上铺10～50mg/cm²。

本发明是通过使用各向异性负载型催化剂使碳氢化合物在氢气气氛中高温裂解为碳颗粒，沉积生长成微米旋卷状碳纤维来实现的。本发明中碳氢化合物催化裂解后碳微粒沉积生长，反应时间优选1～3h。含有铜的催化剂通过粉末负载在载体上而得。

本发明还提供了一种多重纳米碳丝复合碳纤维制备方法，包括以下步骤：

1)、将催化剂平铺在反应器内的基板表面；

2)、将反应器内在氮气气氛下加热至700～850℃；