[发明专利]高密度碳纳米管阵列及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管阵列及其制备方法，尤其涉及一种高密度碳管阵列及其制备方法。

背景技术

碳纳米管是九十年代初才发现的一种新型一维纳米材料。碳纳米管的特殊结构决定了其具有特殊的性质，如高抗张强度和高热稳定性；随着碳纳米管螺旋方式的变化，碳纳米管可呈现出金属性或半导体性等。由于碳纳米管具有理想的一维结构以及在力学、电学、热学等领域优良的性质，其在材料科学、化学、物理学等交叉学科领域已展现出广阔的应用前景，在科学研究以及产业应用上也受到越来越多的关注。

目前比较成熟的制备碳纳米管的方法主要包括电弧放电法(Arcdischarge)、激光烧蚀法(Laser Ablation)及化学气相沉积法(Chemical VaporDeposition，CVD)。其中，化学气相沉积法和前两种方法相比具有产量高、可控性强、与现行的集成电路工艺相兼容等优点，便于工业上进行大规模合成，因此近几年备受关注。

目前，采用CVD方法制备碳纳米管阵列的技术已经相当成熟，但是直接生长得到的碳纳米管阵列受CVD方法生长的限制，在其阵列中碳纳米管的密度基本上是确定的，无法任意调控。此外，该方法直接生长的碳纳米管阵列中碳纳米管的密度在微观上看是较为松散的，碳纳米管之间的间距大于碳纳米管自身直径的数倍，所制备的碳纳米管阵列的密度最大也只在10^-2克每立方厘米(g/cm³)量级上。因此CVD方法直接生长的碳纳米管阵列中碳纳米管的密度较低。这种密度较低的碳纳米管阵列在电子、导热等方面的性质还不能达到比较理想的要求。这种低密度的碳纳米管阵列，由于其中的碳纳米管之间的间距通常较大，结合不够紧密，在一般的器具操作下很容易被破坏。

Don N.Futaba等人(请参见“Shape-engineerable and highly densely packedsingle-walled carbon nanotubes and their application as super-capacitorelectrodes”，Don N.Futaba et al.，Nature Materials，vol5，p987(2006))利用收缩效应把单壁碳纳米管收缩成高密度碳纳米管，且证实了其所制备的高密度单壁碳纳米管阵列，具有单个碳纳米管的例如大表面积、优异的柔韧性以及导电性等固有特性，以及其在可变形的加热器和在密闭能量存储器件的超级电容器的电极上的应用。但是该方法制备工序较复杂，且制备的碳纳米管阵列的密度也不可以任意调控。

因此，确有必要提供一种制备高密度碳纳米管阵列及其制备方法，该碳纳米管阵列中的碳纳米管结合紧密且具有较高密度，且，所述的制备方法工序简单，易于实际应用、效率较高且制备的碳纳米管阵列的密度可以控制。

发明内容

一种高密度碳纳米管阵列，该高密度碳纳米管阵列中的碳纳米管排列紧密，且定向排列，具有类一维单晶结构，密度为0.1～2.2g/cm³。

所述的高密度碳纳米管阵列包括单壁高密度碳纳米管阵列、双壁高密度碳纳米管阵列或多壁高密度碳纳米管阵列。

一种高密度碳纳米管阵列制备方法，包括：提供一碳纳米管阵列形成于一基底；沿着平行于基底的方向，施加压力挤压上述碳纳米管阵列，从而得到高密度碳纳米管阵列。

所述的碳纳米管阵列的制备包括以下步骤：提供一平整基底；在基底表面形成一催化剂层；将上述形成有催化剂层的基底在空气中退火；将处理过的基底置于低压反应炉中加热，然后通入碳源气体反应，生长得到碳纳米管阵列。

所述的施加压力是通过一挤压装置对碳纳米管阵列进行挤压。

所述的挤压装置包括一下压板，一上压板，两个第一侧板与两个第二侧板设置于上压板和下压板之间，并在上压板和下压板之间的中心位置形成一空腔。

所述的上压板通过螺丝对称地固定于下压板上，上压板的面积与下压板相等。

所述的两个第一侧板沿第一方向对称地分布在空腔的两侧，两个第二侧板沿第二方向对称地分布在空腔的另外两侧，第一方向与第二方向相互垂直。

所述的通过一挤压装置对碳纳米管阵列进行挤压包括以下步骤：用第一侧板沿着第一方向相对移动，对碳纳米管阵列进行挤压；之后，用第二侧板沿着第二方向相对移动，对碳纳米管阵列进行挤压。