[发明专利]包含碳纳米管的固体碳产物以及其形成方法

说明书

优先权声明

本申请要求2012年7月12日提交的美国临时专利申请序列号61/671,022“Solid Carbon Products Comprising Carbon Nanotubes and Methods of Forming Same”的申请日的权益，其公开内容在此以引用的方式整体并入本文。

领域

本公开的实施方案涉及用于由碳纳米管形成固体碳产物的方法和系统，所述固体碳产物包含不同类型的碳纳米管的混合物以及碳纳米管与其它物质的混合物。

背景

各自以Dallas B.Noyes名义公布的以下文献公开了关于本申请的背景信息并且各自在此均以引用的方式整体并入本文：

1. 2012年2月9日公布的美国专利公布号2012/0034150A1；

2. 2013年3月15日提交的国际申请号PCT/US2013/000071；

3. 2013年3月15日提交的国际申请号PCT/US2013/000072；

4. 2013年3月15日提交的国际申请号PCT/US2013/000073；

5. 2013年3月15日提交的国际申请号PCT/US2013/000075；

6. 2013年3月15日提交的国际申请号PCT/US2013/000076；

7. 2013年3月15日提交的国际申请号PCT/US2013/000077；

8. 2013年3月15日提交的国际申请号PCT/US2013/000078；

9. 2013年3月15日提交的国际申请号PCT/US2013/000079；以及

10. 2013年3月15日提交的国际申请号PCT/US2013/000081。

在工程材料中使用CNT(“碳纳米管”)的常规方法一般依赖于将CNT嵌入到基体材料中。CNT目前是使用金属、塑料、热固性树脂、环氧树脂以及其它物质作为保持CNT在一起的基体来在各种各样的复合结构中加工，从而创建固体物体。所述CNT用作改进材料性质的增强材料。在基体中使用碳纳米管的典型目的是为了增加强度、减小重量或者提高复合物的导电性和导热性。

制造主要由碳纳米管构成的材料的方法包括将碳纳米管纺织到纤维中并且制成“巴克石(buckyrock)”。2005年5月31日授权并且名称为“Entangled single-wall carbon nanotube solid material and methods for making same”的美国专利号6,899,945公开了一种用于制造巴克石的方法。巴克石为包括单壁CNT缠结网络的三维、固体块状材料。巴克石为机械上强度大的、坚韧且抗冲击的，其中堆积密度为约0.72g/cm³(参见美国专利号6,899,945的实施例3)。巴克石形式的单壁CNT以不规则网络存在。CNT的不规则网络似乎通过CNT之间的范德华力并且通过CNT的物理缠结或干扰来保持在适当位置。一种类型的巴克石通过在水中形成CNT浆液，从所述浆液中缓慢除去水以生成糊料并且允许所述糊料非常缓慢地干燥来制成，以使得在溶剂蒸发期间维持所述糊料的CNT网络。巴克石可用于需要具有机械强度、韧性和抗冲击性的轻质材料的各种应用中，如弹道防护系统。

尽管包含CNT的常规材料具有令人感兴趣的和有用的性质，但是构成这些材料的单独的CNT具有显著不同的性质。因此，产生具有可与单独CNT的性质更加相当的性质的材料是有利的。

公开内容

形成固体碳产物的方法包括压力压实法如挤压、模压、辊压、注射模塑等，以形成包含多个碳纳米管的固体形状。碳纳米管可任选地与其它物质混合。此类固体形状可通过在惰性气氛下加热至足以烧结至少一些CNT的温度以使得在相邻CNT之间形成共价键来进一步加工。所述方法可包括形成多个纳米管，将所述多个纳米管设置于压力机中，以及将热量和压力施加于多个碳纳米管以形成固体碳产物。在烧结时，所得的材料为具有两种或更多种CNT(它们之间具有共价键)的新型物质组合物。

固体碳产物无论是否烧结，均包含限定遍及所述材料的多个孔隙的互锁CNT。填隙孔隙的尺寸可通过多种方法进行控制，所述方法包括控制构成固体碳产物的CNT的特征直径、纳入在从固体碳产物中去除时可生成孔隙的其它材料、以及在其下形成固体碳产物的压力和温度。