[发明专利]一种基于单壁碳纳米管的仿蜘蛛网结构材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于单壁碳纳米管的仿蜘蛛网结构材料及其制备方法。本发明在普通浮动催化剂化学气相沉积法的基础上，通过施加一个外磁场，并改变碳源含量、催化剂蒸发速率等参数，制备了一种基于单壁碳纳米管的仿蜘蛛网结构材料，该方法具有工艺简单、操作容易、成本低、产物质量高、可控性好，以及可进行大规模生产等优点，是一种获得“人造仿生蜘蛛网”的理想方法。本发明制备的仿蜘蛛网结构材料不仅形貌与“天然蜘蛛网”类似，而且内部结构也与高度相似，同时具有很高的力学性能，还具有优异的导电性和透光率，其厚度不到100 nm，负载在普通玻璃上可以制备出高强度的透明导电玻璃。

技术领域

本发明涉及一种基于单壁碳纳米管(SWCNTs)的仿蜘蛛网状结构材料的制备技术，属于纳米材料领域。

背景技术

大自然中最神奇的东西之一是蜘蛛为捕获飞虫和其它昆虫而结成的非常轻和柔软且结实的蜘蛛网。蜘蛛网是由特殊的蛋白纤维构成的，天然的高分子纤维和生物材料，具有很高的强度、弹性、柔韧性、伸长度和抗断裂性能，以及比重小、耐低温、较耐紫外线、生物可降解等优点。蜘蛛网优异的综合性能是包括蚕丝在内的天然纤维和合成纤维所无法比拟的。

蜘蛛网的优异性能主要归功于其独特的纤维结构。其结构特点主要有：1)它是一个由蜘蛛丝相互交错构成的网状结构，并且在网的结点处包覆着一种特殊的蛋白质，使其在拉伸过程中不会产生相对滑动；2)蜘蛛丝本身是一种由无序蛋白质包覆的有序蛋白质结构，这种特殊的由“无序结构”包覆“有序结构”的特点使其在拉伸过程中既具有高的强度又保持了良好的韧性；3)蜘蛛丝表面还包覆着一层粘性蛋白质，这种粘性蛋白质能使蛛丝与猎物牢牢结合，从而大大提高捕猎效率。

蜘蛛网在国防、军事(防弹衣)、建筑等领域具有广阔应用前景。但要真正实现其应用还有许多问题需要解决，其中最关键的是如何实现蜘蛛网材料的低成本、大规模和可控制备与获取。众所周知，“天然蜘蛛网”主要来源于蜘蛛结网，产量非常低，而且蜘蛛具有同类相食的个性，无法像家蚕一样高密度养殖，所以要从蜘蛛中取得具有实用价值的蜘蛛网是不现实的。因此，目前最好的方法是利用仿生技术，通过仿制“天然蜘蛛网”的特殊结构制备出“仿蜘蛛网结构材料”，或称“人造蜘蛛网”，并使其达到/或者接近“天然蜘蛛网”的优良性能。在不同的仿生材料中，单壁碳纳米管(SWCNTs)由于其优良的力学、热学及电学性能，成为仿制蜘蛛网结构的最佳候选材料。

众所周知，单壁碳纳米管(SWCNTs)是由单层碳原子绕合而成的，结构具有较好的对称性与单一性，管径分布范围较小，一般在0.5～5nm之间，同时，它具有管径小、长径比大的特点。由于范德化力的作用，大部分SWCNTs集结成束，每束含几十到几百根SWCNTs，束的直径约几十纳米。SWCNTs具有优良力学性能，其杨氏模量和剪切模量与金刚石相同，理论强度可达10⁶M Pa，是钢的100倍，并且具有很高的韧性，而密度仅为钢的1/7。如此优异的力学性能使SWCNTs成为仿制蜘蛛网结构的最佳候选材料。

目前，利用单壁碳纳米管(SWCNTs)仿制蜘蛛网结构材料的大部分研究工作还停留在形貌仿制阶段，即：仅仅是制备出了具有网络状结构的SWCNTs，而真正决定蜘蛛网优良性能的“复合结构”还未被仿制出来。另外，目前的研究还存在成本高，产量低和重复性差等问题。

基于以上原因，本发明提出了一种全新的基于单壁碳纳米管(SWCNTs)的仿蜘蛛网结构材料的制备方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的生产成本高、产量低和重复性差等缺点，提供一种工艺简单、操作容易、成本低、可控性好以及可进行大规模生产的基于单壁碳纳米管(SWCNTs)的仿蜘蛛网结构材料的制备方法，具体为利用磁场辅助的浮动催化剂化学气相沉积(CVD)法，实现了基于SWCNTs仿制蜘蛛网结构材料的低成本、大规模和可控制备，是一种获得“人造仿生蜘蛛网”的理想方法。

本发明所提供的技术方案具体如下：