[发明专利]铜和碳纳米管的复合纤维材料及其制备方法

说明书

技术领域

 本发明涉及一种铜和碳纳米管的复合纤维材料及其制备方法，具体涉及一种轻质高强高导电高导热的铜和碳纳米管构成的纳米复合纤维及其制备方法，属于纳米材料领域。

背景技术

碳纳米管纤维是由纳米级的碳纳米管构成的宏观纤维材料。碳纳米管纤维集碳纳米管的高强高导电高导热和多功能性于一体，具有柔性，可编织，可用于发展高性能复合材料，导电导热材料和柔性电子、光电材料和器件，编织储能材料。

碳纳米管纤维可由化学气相沉积法、溶液纺丝法和阵列纺丝法制备。尤其是化学气相沉积法可一步制备连续的碳纳米管纤维，具有产业化的发展前景。用该方法制备的碳纳米管纤维中碳纳米管为网络连接且具有含氧官能团，通过反应控制能制备出单壁和双壁以及多壁或这些混合的各种碳纳米管结构的纤维，应用于不同领域。

铜是典型的高导电高导热金属，将其与碳纳米管纤维复合可利用碳纳米管的一维纳米结构、优异的力学性能、导电性导热性和多功能性和铜的优异的物理化学特性，发展柔性、可编织、高强、高导电、高导热等优异性能的复合材料和柔性电子、光电材料和器件，可编织储能材料。

本发明制备的铜和碳纳米管的复合纤维为铜和碳纳米管构成的纳米复合纤维，具有碳纳米管分布于铜基体中或纳米级的铜和碳纳米管结合的结构。该复合纤维是以功能化的碳纳米管纤维为基体采用电化学法将铜沉积于碳纳米管纤维制备的。该复合纤维中的碳纳米管有取向性地分布于金属中且与金属形成强界面结合，可作为导电材料、导热材料、柔性电子、光电材料和器件，编织储能材料等用于航天航空、电子、能源和智能纺织领域。

本发明产生制备的铜和碳纳米管复合纤维的效果不同于现有的文献中以及发明所报道的。文献Xu G, Zhao J, Li S, Zhang X, Yong Z, Li Q. Continuous electrodeposition for lightweight, highly conducting and strong carbon nanotube-copper composite fibers. Nanoscale. 2011;3(10):4215-9.报道制备了一种铜和碳纳米管复合纤维，但复合纤维为表面包覆一铜层的复合纤维，铜未进入纤维中，在拉伸过程中外层铜和内层的碳纳米管纤维会发生明显滑移和脱离，且复合纤维的强度远低于原纤维。中国专利号CN201010268622.4公开了一种制备的表面包覆铜镀层的碳纳米管纤维的电缆。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铜和碳纳米管复合纤维材料及其制备方法。本发明制备的铜与碳纳米管的复合纤维为铜和碳纳米管构成的纳米复合纤维，具有碳纳米管分布于铜基体中或纳米级的铜与碳纳米管结合的结构。该复合纤维是以功能化的碳纳米管纤维为基体采用电化学法将铜沉积于碳纳米管纤维制得的，可作为导电材料、导热材料、柔性电子、光电材料和器件，编织储能材料等用于航天航空、电子、能源和智能纺织领域。

本发明提供的一种铜和碳纳米管的复合纤维材料为铜与功能化的碳纳米管纤维构成的纳米复合纤维，是具有碳纳米管分布于铜基体中或纳米级的铜与碳纳米管结合结构的复合纤维。铜的重量百分比为10~99 %，铜晶粒尺度介于50纳米~500纳米。所述的功能化的碳纳米管纤维为表面有含氧官能团的碳纳米管纤维。

所述的碳纳米管纤维中的碳纳米管为单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管或它们的混合物。

本发明提供的一种制备铜和碳纳米管复合纤维材料的方法包括的步骤：

1）将碳纳米管纤维用酸处理0.5～5小时，温度室温～100 °C，使碳纳米管产生较多的含氧基团，以实现功能化处理得到功能化碳纳米管纤维； 

2）将步骤1）的碳纳米管纤维或者由化学气相沉积法直接生成的碳纳米管纤维浸于可溶性铜盐溶液中，温度10～60 °C，施加电流或电压于碳纳米管纤维，沉积1分钟～10小时。

所述的酸包括硝酸、硫酸等氧化性的酸。

所述的含氧官能团主要包括羟基(-OH)、羧基(COO)和羰基(C=O)等。

所述的施加的电流范围为0.1～2 A，施加的电压范围为0.1～10 V。

所述的铜盐溶液中铜离子浓度为0.1～1 摩尔每升，加入硫酸、硝酸等酸用于调节溶液PH值。

本发明可发展新型轻质电缆用于电力传输，电磁屏蔽、智能纺织等电子织物、导电导热吸波等高性能复合材料、药物传输载体以及传感器等电子器件。