一种柔性薄层碳覆盖碳纳米管垂直阵列的制备方法技术

本发明专利技术涉及柔性碳纳米管垂直阵列的制备领域，具体为一种柔性薄层碳覆盖碳纳米管垂直阵列的制备方法。首先在基底表面等离子沉积一薄层碳，然后采用等离子增强化学气相沉积法生长碳纳米管，从而获得薄层碳覆盖碳纳米管垂直阵列的复合结构，处于顶部的薄层碳把垂直阵列中的碳纳米管相互连接起来，保证阵列中所有碳纳米管均参加热传递。随后将垂直阵列简单按压，将垂直阵列从基底上撕下来，从而得到自支撑的柔性碳纳米管垂直阵列。所制备的自支撑碳纳米管垂直阵列具有优异的导热性能、良好的可弯折特性、强的粘附力，在柔性热界面材料和柔性储能领域有着良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性薄层碳覆盖碳纳米管垂直阵列的制备方法
本专利技术涉及柔性碳纳米管垂直阵列的制备领域，具体为一种柔性薄层碳覆盖碳纳米管垂直阵列的制备方法。
技术介绍
碳纳米管垂直阵列由垂直于基底平行排列的碳纳米管组成，阵列可具有高达1.5×1013的面密度，高密度的轴向导热通道使其成为一种完美的宏观导热结构。相对于传统热界面材料而言，碳纳米管垂直阵列具有高导热、可压缩、热导率各向异性、径向面内低热膨胀系数、轻质、抗老化、抗氧化等突出优点，因而可望成为新一代柔性、高性能、低成本的热界面材料。碳纳米管垂直阵列作为热界面材料已被广泛研究，并取得了一定进展。(文献1，YangDJ,ZhangQ,ChenG,YoonSF,AhnJ,WangSG,ZhouQ,WangQ,LiJQ,thermoplasticpolyurethane,PhycicalReviewB,2002,66(165400)；文献2,PanzerMA,ZhangG,MannD,HuX,PopE,DaiH,GoodsonKE,ThermalPropertiesofMetal-CoatedVerticallyAlignedSingle-WallNanotubeArrays,JournalofHeatTransfer,2008,130(052401))目前所报道的碳纳米管垂直阵列的导热性能远低于单根碳纳米管热导率的理论值。这主要是由于碳纳米管与导热元件间的接触热阻大，同时由于碳纳米管的生长速率不一致以及大的长径比会导致部分碳纳米管头部弯曲从而导致表面不平整，因不能与导热元件充分接触而无法参与热传导。为了降低碳纳米管垂直阵列与导热元件间的接触热阻，研究者发展了多种方法，主要包括化学分子耦合以及焊料焊接等。但是这两种方法过程繁琐，同时会对碳纳米管造成一定的破坏。(文献3，KaurS,RaravikarN,HelmsBA,PrasherR,OgletreeDF,Enhancedthermaltransportatcovalentlyfunctionalizedcarbonnanotubearrayinterfaces，NatureCommunications,2014，5(3082))；文献4，YaoYG,TeyJN,LiZ,WeiJ,BennettK,NamaraAM,JoshiY,TanRLS,LingSNM,WongCP,High-QualityVerticallyAlignedCarbonNanotubesforApplicationsasThermalInterfaceMaterials,Ieeetransactionsoncomponents,packagingandmanufacturingtechnology,2014,2(4):232-239)。另外，碳纳米管垂直阵列的生长基底通常不具有柔性，即使柔软的铜箔在弯曲的过程中也会发生不可逆形变，这就限制了碳纳米管垂直阵列在未来柔性电子器件的应用。为获得自支撑的碳纳米管垂直阵列，研究者也发展了多种剥离方法，可以归结为弱刻蚀和基底刻蚀两类方法(文献5，WangM,LiTT,YaoYG,LuHF,LiQ,ChenMH,LiQW,Wafer-ScaleTransferofVerticallyAlignedCarbonNanotubeArrays,J.Am.Chem.Soc,2014,136:(18156-18162)；文献6,KimND,LiYL,WangG,FanXJ,JiangJL,LiL,JiYS,RuanGD,HaugeRH,TourJM,GrowthandTransferofSeamless3DGraphene-NanotubeHybrids,NanoLetters,2016,16:1287-1292)。然而，由于碳纳米管间相互作用弱而无法得到自支撑的垂直阵列，即无法获得柔性自支撑的薄膜；同时刻蚀液和气相弱刻蚀气体会破坏碳纳米管的本征结构而降低其本征导热性能。目前的主要问题是：如何在不破坏碳纳米管本征结构及引入其它杂质情况下，利用简单方法获得自支撑的柔性碳纳米管垂直阵列、降低碳纳米管阵列表面的接触热阻、提高参与热扩散碳纳米管数量，从而突破高导热性能、柔性、自支撑碳纳米管垂直阵列控制制备瓶颈。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种柔性薄层碳覆盖碳纳米管垂直阵列的制备方法，解决阵列表面接触热阻大、自支撑柔性阵列制备困难、阵列中部分碳纳米管不参与热传导等关键问题，以获得高导热性能、柔性自支撑的碳纳米管垂直阵列。本专利技术的技术方案是：一种柔性薄层碳覆盖碳纳米管垂直阵列的制备方法，采用薄层碳将垂直阵列中的碳纳米管有效连接起来，随后将垂直阵列简单按压，将垂直阵列从基底上撕下来，从而得到自支撑的柔性碳纳米管垂直阵列。所述的柔性薄层碳覆盖碳纳米管垂直阵列的制备方法，碳纳米管垂直阵列的热阻为0.7～1K·mm2/W。所述的柔性薄层碳覆盖碳纳米管垂直阵列的制备方法，碳纳米管垂直阵列经10000次弯折后结构不发生破坏。所述的柔性薄层碳覆盖碳纳米管垂直阵列的制备方法，碳纳米管垂直阵列中，剥离端碳纳米管以壁虎角的方式与其它基体相互作用，其粘附强度达到59～70N/cm2。所述的柔性薄层碳覆盖碳纳米管垂直阵列的制备方法，碳纳米管垂直阵列的生长方法为等离子增强化学气相沉积法，在垂直阵列生长前，先在300～500℃、乙炔和氢气混合气氛下，对基底进行等离子处理。所述的柔性薄层碳覆盖碳纳米管垂直阵列的制备方法，基底为铜、镍、金、铂、钼、钨、钛、硅、氧化硅或氧化铝。所述的柔性薄层碳覆盖碳纳米管垂直阵列的制备方法，薄层碳对碳纳米管垂直阵列结构提供强度支撑和结构连接，在薄层碳表面放上平坦的材料，用拇指按压一下，便将碳纳米管垂直阵列剥离下来。所述的柔性薄层碳覆盖碳纳米管垂直阵列的制备方法，采用薄层碳降低碳纳米管垂直阵列表面与散热元件间的接触热阻，并保证碳纳米管垂直阵列中每根碳纳米管均参与热传导。所述的柔性薄层碳覆盖碳纳米管垂直阵列的制备方法，碳纳米管垂直阵列中：碳纳米管的直径为2～9nm，管壁层数为2～7层；薄层碳厚度为1nm～3nm。所述的柔性薄层碳覆盖碳纳米管垂直阵列的制备方法，碳纳米管垂直阵列的生长温度范围为650℃至900℃。本专利技术的设计思想是：在生长基底表面沉积上阻挡层和催化剂后，利用等离子体气相沉积设备在较低温度下在基底表面沉积一薄层碳，该碳层在后续的碳纳米管垂直阵列的生长过程中可以被顶起，从而实现表面薄层碳联接碳纳米管垂直阵列复合结构。同时，垂直阵列的高生长温度有利于碳层的石墨化，催化剂可以将碳层跟碳纳米管“焊接”在一起，因此所有的碳纳米管在薄层碳的作用下连成一体。在薄层碳覆盖碳纳米管垂直阵列中，薄层碳的作用之一是降低了碳纳米管阵列的表面接触热阻，作用之二在于通过无缝连接阵列中的碳纳米管提高参与热传导碳纳米管的百分数，作用之三在于解决了柔性自支撑碳纳米管垂直阵列制备的难题。本专利技术的优点及有益效果是：1、本专利技术首次设计并制备了一种薄层碳覆盖碳纳米管垂直阵列结构，有效解决了碳纳米管阵列表面接触热阻高、部分碳纳米管不参与热传导、柔性自支撑碳纳米管垂直阵列制备困难的问题。2、本专利技术获得的柔性自支撑碳纳米管垂直阵列具有优异的导热性能，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柔性薄层碳覆盖碳纳米管垂直阵列的制备方法，其特征在于，采用薄层碳将垂直阵列中的碳纳米管有效连接起来，随后将垂直阵列简单按压，将垂直阵列从基底上撕下来，从而得到自支撑的柔性碳纳米管垂直阵列。

【技术特征摘要】
1.一种柔性薄层碳覆盖碳纳米管垂直阵列的制备方法，其特征在于，采用薄层碳将垂直阵列中的碳纳米管有效连接起来，随后将垂直阵列简单按压，将垂直阵列从基底上撕下来，从而得到自支撑的柔性碳纳米管垂直阵列。2.按照权利要求1所述的柔性薄层碳覆盖碳纳米管垂直阵列的制备方法，其特征在于，碳纳米管垂直阵列的热阻为0.7～1K·mm2/W。3.按照权利要求1所述的柔性薄层碳覆盖碳纳米管垂直阵列的制备方法，其特征在于，碳纳米管垂直阵列经10000次弯折后结构不发生破坏。4.按照权利要求1所述的柔性薄层碳覆盖碳纳米管垂直阵列的制备方法，其特征在于，碳纳米管垂直阵列中，剥离端碳纳米管以壁虎角的方式与其它基体相互作用，其粘附强度达到59～70N/cm2。5.按照权利要求1所述的柔性薄层碳覆盖碳纳米管垂直阵列的制备方法，其特征在于，碳纳米管垂直阵列的生长方法为等离子增强化学气相沉积法，在垂直阵列生长前，先在300～500℃、乙炔和氢气混合气氛下，对基底进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘畅，平林泉，侯鹏翔，成会明，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁,21