[发明专利]碳纳米纤维和制造方法

说明书

公开了一种产生碳纳米纤维的方法，其实质上影响所述碳纳米纤维的化学和物理性质。此类碳纳米纤维包含通过范围从0.1nm至1nm并定向平行于相应碳纳米纤维的轴线的波状石墨平面所表征的半石墨碳材料，所述半石墨碳材料还通过包含4至10原子百分比的氮杂原子来表征，所述氮杂原子包括等于或大于所述氮杂原子的60％的季氮基和吡啶型氮基的组合百分比。所述制造方法包括，例如，制备基于聚丙烯腈(PAN)的前体溶液，将所述基于PAN的前体溶液提供给喷丝头，然后对所述基于PAN的前体溶液执行电纺丝操作以创建一种或多种基于PAN的纳米纤维。

技术领域

本公开涉及具有新颖和有利性质的碳纳米纤维。本公开还涉及制造此类碳纳米纤维的方法。

背景技术

碳是具有高水平的化学键合柔性的几种元素之一。这种柔性适宜于形成包括金刚石、石墨和富勒烯的各种各样的同素异形体，虽然全部都基本上由元素碳组成，但是其性质大大变化。一个特别相关的感兴趣领域是碳纳米纤维(CNF)和碳纳米管(CNT)的形成。虽然CNF和CNT均为纳米级并以类似的方式产生，但是存在影响其可制造性以及化学和物理性质的显著差异。然而，尚未完全地探索不同的CNT和CNF材料的完整范围。

附图说明

当结合附图进行时，本公开的特征和性质将从在下面阐述的详细描述中变得更显而易见，在附图中附图标记标识对应的项目。

图1是概述用于制造新颖碳纳米纤维(CNF)的示例性操作的流程图。

图2描绘了可用于产生关于图1讨论的新颖CNF的电纺丝装置的实例。

图3描绘了图2的电纺丝装置的变体，其也可用于产生关于图1讨论的新颖CNF。

图4A-4K描绘了用于图3中所示的电极的各种电极配置。

图5提供了通过本公开的方法和系统产生的新颖CNF的视觉表示。

图6提供了通过本公开的方法和系统产生的新颖CNF对照其他基于碳的材料的视觉对比。

图7提供了从宏观尺度到原子尺度的通过本公开的方法和系统产生的新颖CNF的视觉表示的系列。

具体实施方式

可以一般地以及在具体实施例和/或具体实施方式方面描述在下面公开的方法和系统。对于参考详细实施例和/或实施方式的实例，应该领会，除非另外具体地陈述，否则如本领域的普通技术人员将理解的那样，所描述的任何基本原理不限于单个实施方式，而是可以被扩展以用于与本文所描述的其他方法和系统中的任一个一起使用。

以下特殊定义适用于本公开。

术语“可感知的”是指某物的根据定义基线或优于现有技术的材料导致可检测的差异的某种质量，例如特定量或百分比。这种质量应该是直接通过观察(例如，通过扫描电子显微镜(SEM)或透射电子显微镜(TEM))或间接通过物理上和/或化学上可检测的性质(例如，电子迁移率、电导率等)可检测的。

术语“约”是指在用于CNF的工业制造装备中预期的变化，这些变化可以因装备的不同形式而变化。例如，预期甚至最昂贵的高压装备也很可能会产生变化百分之几的电压输出。

术语“约”还是指在最终产品中预期即使在采用合理的质量控制时也发生的变化。

术语“应力活化热解碳”或“SAPC”是指作为本公开的主题的基于碳和氮的新颖组合物。通过本公开的定义，SAPC是指包含通过范围从0.1nm至1nm并定向平行于相应碳纳米纤维的轴线的波状石墨平面所表征的半石墨碳材料。术语“定向平行”是指特定石墨平面的主表面的一般方向并且考虑到基于SAPC的“波状”物理性质预期发生角度变化。