對碳納米管纖維鍍膜的方法
【專利摘要】本發明提供一種對碳納米管纖維鍍膜的方法，方法包括：S1、對所述碳納米管纖維進行預熱處理；S2、將經過步驟S1的碳納米管纖維纏繞在繞絲架上后設置在濺射腔內，所述繞絲架包括多個間隔設置的繞絲桿，相鄰兩匝碳納米管纖維之間存在間隔；S3、以金屬為靶材在預定溫度下對纏繞在所述繞絲架上的碳納米管纖維進行濺射鍍膜，其中，所述靶材和所述繞絲架之間存在相對轉動。在本發明中，金屬粒子以物理氣相沉積的方式沉積在碳納米管纖維的表面，不會產生有害氣體或有害液體，因此，本發明所提供的方法更加環保。
【專利說明】
對碳納米管纖維鍍膜的方法
技術領域
[0001]本發明涉及濺射鍍銅領域，具體地，涉及一種對碳納米管纖維進行鍍銅的方法。【背景技術】
[0002]在現有技術中，通常需要利用電化學鍍膜的方法在碳納米管纖維上鍍金屬膜。但是，這種方法鍍金屬膜時，容易造成污染，并且，金屬膜并不是很致密。
[0003]因此，如何以環保的方式對碳納米管纖維進行鍍金屬膜成為本發明亟待解決的技術問題。
【發明內容】

[0004]本發明的目的在于提供一種對碳納米管纖維鍍膜的方法，該方法可以在碳納米管纖維的表面形成致密的金屬膜，并且鍍膜的過程中不會對環境造成污染。
[0005]為了實現上述目的，本發明提供一種對碳納米管纖維鍍膜的方法，其中，所述方法包括:
[0006]S1、對所述碳納米管纖維進行預熱處理；
[0007]S2、將經過步驟S1的碳納米管纖維纏繞在繞絲架上后設置在濺射腔內，所述繞絲架包括多個間隔設置的繞絲桿，相鄰兩匝碳納米管纖維之間存在間隔；
[0008]S3、以金屬為靶材在預定溫度下對纏繞在所述繞絲架上的碳納米管纖維進行濺射鍍膜，其中，所述靶材和所述繞絲架之間存在相對轉動。
[0009]優選地，在所述步驟S3中，所述靶材設置在所述繞絲架外部，所述繞絲架繞自身軸線轉動。
[0010]優選地，在所述步驟S3中，設置多個所述靶材，多個所述靶材環繞所述繞絲架設置。
[0011]優選地，在步驟S1中，預熱處理的溫度在200°C至400°C之間，預熱時間在0.5h至3h之間。
[0012]優選地，所述革巴材為金屬銅，在步驟S3中，射頻電源的功率在0.5KW至1.0KW之間。 [0〇13]優選地，在步驟S3中，磁控派射持續的時間在lh至3h之間，所述預定溫度在200°C 至400 °C之間。[〇〇14] 優選地，步驟S3包括:
[0015]S31、分別將所述靶材和纏繞有碳納米管纖維的繞絲架設置在所述濺射腔內后，對所述濺射腔進行抽真空直至第一預定氣壓；
[0016]S32、對所述濺射腔進行加熱至所述預定溫度；
[0017]S33、開啟射頻電源，并且所述射頻電源的開啟持續實踐在lh至3h之間。
[0018]優選地，所述第一預定氣壓在10—2Pa至10—ipa之間。[〇〇19] 優選地，步驟S3包括:
[0020]S31、將所述靶材和纏繞有碳納米管纖維的繞絲架設置在所述濺射腔內后，對所述濺射腔進行抽真空直至第二預定氣壓，并向所述濺射腔內通入惰性氣體；[0021 ]S32、對所述濺射腔進行加熱至所述預定溫度；
[0022]S33、對所述濺射腔進行抽真空直至所述第二預定氣壓；[〇〇23]S34、開啟射頻電源，并且所述射頻電源的開啟持續時間在lh至3h之間。[〇〇24] 優選地，所述第二預定氣壓在3 X 10—.a至5 X 10—ipa之間。
[0025]優選地，在步驟S32中，利用感應加熱的方式對所述濺射腔進行加熱。
[0026]在本發明所提供的方法中，經過步驟S1之后，碳納米管纖維中的無定形碳被分解， 從而有利于步驟S3中金屬沉積在碳納米管纖維的表面。在將碳納米管纖維設置在繞絲架上時，由于相鄰兩匝碳納米管纖維之間存在間隙，因此，由磁控管轟擊產生的金屬粒子能夠穿過相鄰兩匝碳納米管纖維之間的間隙到達碳納米管纖維不朝向靶材的表面上。并且，在步驟S3中，靶材與繞絲架之間存在相對轉動，從而可以確保纏繞在繞絲架上的碳納米管纖維可以均勻地鍍膜。在本發明中，金屬粒子以物理氣相沉積的方式沉積在碳納米管纖維的表面，不會產生有害氣體或有害液體，因此，本發明所提供的方法更加環保。【附圖說明】[〇〇27]圖1是繞絲架的示意圖；
[0028]圖2是纏繞有碳納米管纖維的繞絲架和靶材之間的相對位置示意圖；
[0029]圖3是圖2的俯視圖；
[0030]圖4是本發明制備利獲得的銅納米管纖維的掃描圖片，放大倍數為1500倍；[〇〇31]圖5是實施例1獲得的鍍銅碳納米管纖維的掃描圖片，放大倍數為195倍；[〇〇32]圖6是實施例1獲得的鍍銅碳納米管纖維的掃描圖片，放大倍數為2500倍；[〇〇33]圖7是實施例2獲得的鍍銅碳納米管纖維的掃描圖片，放大倍數為500倍；[〇〇34]圖8是實施例2獲得的鍍銅碳納米管纖維的掃描圖片，放大倍數為2000倍；[〇〇35]圖9是實施例3獲得的鍍銅碳納米管纖維的掃描圖片，放大倍數為1000倍；[〇〇36]圖10是實施例3獲得的鍍銅碳納米管纖維的掃描圖片，放大倍數為4500倍。[〇〇37] 附圖標記說明
[0038]100:繞絲架110:繞絲桿[〇〇39] 120:轉軸200:碳納米管纖維
[0040]300:靶材【具體實施方式】[〇〇41]以下結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的【具體實施方式】僅用于說明和解釋本發明，并不用于限制本發明。
[0042]本發明提供一種對碳納米管纖維鍍膜的方法，其中，所述方法包括:[〇〇43]S1、對所述碳納米管纖維進行預熱處理；
[0044]S2、將經過步驟S1的碳納米管纖維200纏繞在繞絲架100上后設置在濺射腔內，繞絲架100包括多個間隔設置的繞絲桿110,相鄰兩匝碳納米管纖維200之間存在間隔；[〇〇45]S3、以金屬為靶材300,在預定溫度下對纏繞在繞絲架100上的碳納米管纖維200進行濺射鍍膜，其中，靶材300和繞絲架100之間存在相對轉動。
[0046]在本發明所提供的方法中，經過步驟S1之后，碳納米管纖維中的無定形碳被分解， 從而有利于步驟S3中金屬沉積在碳納米管纖維的表面。步驟S3是在磁控濺射設備的濺射腔內進行的。
[0047]圖1中所示的是繞絲架100的具體結構，如圖所示，該繞絲架100包括間隔設置的繞絲桿110,因此，碳納米管纖維與繞絲桿的接觸面積比較小。由于相鄰兩匝碳納米管纖維之間存在間隙，因此，由磁控管轟擊產生的金屬粒子能夠穿過相鄰兩匝碳納米管纖維之間的間隙到達碳納米管纖維不朝向靶材300的表面上。[〇〇48]并且，在步驟S3中，靶材300與繞絲架100之間存在相對轉動，從而可以確保纏繞在繞絲架上的碳納米管纖維可以均勻地鍍膜。在本發明中，金屬粒子以物理氣相沉積的方式沉積在碳納米管纖維的表面，不會產生有害氣體或有害液體，因此，本發明所提供的方法更加環保。
[0049]在本發明中，對獲得碳納米管纖維的方法并不做特殊的限定。例如，可以利用陣列紡絲法制備碳納米管纖維。如何利用陣列紡絲法制備碳納米管纖維是本領域技術人員所公知的，這里不再贅述。
[0050]為了便于設置，優選地，可以將靶材300設置在繞絲架100的外部，并且，繞絲架100 繞自身軸線轉動。作為本發明的一種優選實施方式，靶材300可以固定設置在濺射腔內。 [0051 ]如圖1和圖2中所示，繞絲架100還可以包括轉軸120,可以將轉軸120安裝在濺射設備的旋轉機構上，以帶繞絲架100轉動。繞絲架100轉動的速度優選在2r/min至10r/min之間。
[0052]在本發明中，對靶材的數量并沒有特殊的限制。靶材的具體數量主要取決于碳納米管纖維表面的金屬膜的厚度。如果希望在碳納米管纖維的表面獲得厚度相對較大的金屬膜，那么可以設置數量相對較多的靶材;如果希望在碳納米管纖維的表面獲得厚度相對較薄的金屬膜，則可以設置數量相對較少的靶材。[〇〇53]并且，為了在碳納米管纖維的表面濺射形成的金屬膜厚度均勻，并且提高濺射效率，優選地，在所述步驟S3中，可以設置多個靶材300,該多個靶材300環繞繞絲架100設置。 優選地，每個靶材300對應一個磁控裝置，從而使得多個靶材300可以各自獨立地控制。操作者可以根據具體的工藝要求選擇發揮作用的靶材的數量。[〇〇54]作為本發明的一種優選實施方式，可以設置6個靶材，每個靶材都沿繞絲架100的軸向從繞絲架100的一端延伸至繞絲架100的另一端。優選地，應當確保繞絲架上纏繞有碳納米管纖維的區域的長度不超過靶材的長度。
[0055]如上文中所述，在本發明中，進行碳納米管纖維進行預熱的目的就在于分解碳納米管纖維中的無定形碳，優選地，在步驟S1中，預熱處理的溫度在200°C至400°C之間之間， 預熱處理持續的時間在〇.5h至3h之間，從而既可以確保碳納米管纖維中的無定形碳可以徹底分解并揮發，又可以防止因預熱溫度過高而對碳納米管纖維造成損傷。需要指出的是，步驟S1并不是在濺射腔室內進行的，而是在真空熱處理爐中進行。
[0056]在濺射時，磁控濺射設備的射頻電源頻率主要取決于靶材的成分。所述靶材可以是銅靶材，可以利用本發明所提供的方法在碳納米管纖維上鍍銅膜。在這種情況中，所述射頻電源的功率優選在〇.5KW至1.0KW。
[0057]由于銅具有良好的延展性和良好的導電性能，因此，在碳納米管纖維的表面鍍銅膜之后，可以獲得導電性能良好、成膜均勻的復合材料，該復合材料適用于導線、電極等多種應用中。
[0058]當射頻電源的功率設置在上述范圍內時，既可以在碳納米管纖維的表面形成致密的銅膜，又能夠降低整個濺射過程中的能耗，并且，還可以提高在碳納米管纖維表面鍍銅的效率。
[0059]為了在碳納米管纖維的表面活的厚度均勻一直的銅膜，優選地，在步驟S3中，磁控濺射持續的時間在lh至3h之間。容易理解的是，磁控濺射持續的時間越長、獲得銅膜厚度越大。優選地，在步驟S3中，磁控濺射持續的時間不超過3個小時，從而可以防止碳納米管纖維上形成的銅膜過厚脫落。
[0060]在本發明中，對濺射溫度并沒有特殊的規定，例如，在步驟S3中，所述預定溫度在 200 °C至400°C之間。當溫度在此范圍內對碳納米管纖維的表面鍍銅時，溫度越高，沉積成膜的速度越快。同樣地，所述預定溫度優選不超過400°C，從而可以確保碳納米管纖維在濺射的過程中不會受到損傷。
[0061]在本發明中，為了防止濺射形成的金屬膜被氧化，可以在真空環境下進行濺射工藝。具體地，步驟S3可以包括:
[0062]S31、將所述靶材和纏繞有碳納米管纖維的繞絲架設置在所述濺射腔內后，對所述濺射腔進行抽真空直至第一預定氣壓；
[0063]S32、對所述濺射腔進行加熱至所述預定溫度；[〇〇64]S33、開啟射頻電源，持續時間在lh至3h之間。[〇〇65] 優選地，所述第一預定氣壓在l(T2Pa至K^Pa之間。[〇〇66]濺射工藝完成后，關閉濺射電源，關閉加熱裝置，在濺射腔內溫度低于30°C以后關閉真空系統，向濺射腔內放入空氣至濺射腔內壓力達到大氣壓，打開濺射腔，得到鍍銅碳納米管纖維。
[0067]作為本發明的另一種優選實施方式，可以向濺射腔內通入保護氣體。該保護氣體不與碳納米管纖維反應，也不與靶材反應。例如，保護氣體可以是氬氣或氮氣，或者，保護氣體還可以是其他不要碳納米管以及靶材反應的惰性氣體。在本實施方式中，步驟S3包括:
[0068]S31、將所述靶材和纏繞有碳納米管纖維的繞絲架設置在所述濺射腔內后，對所述濺射腔進行抽真空直至第二預定氣壓，并向所述濺射腔內通入惰性氣體，通入惰性氣體持續的時間在〇.5h至3h之間；
[0069]S32、對所述濺射腔進行加熱至所述預定溫度；
[0070]S33、對所述濺射腔進行抽真空，直至所述第二預定氣壓[〇〇71]S34、開啟射頻電源，持續時間在lh至3h之間。
[0072]需要解釋的是，惰性氣體是指不與制成靶材的材料反應的氣體。例如，當靶材為銅時，惰性氣體可以為氬氣。
[0073]由于步驟S31中向濺射腔內通入了惰性氣體，因此，可以將第二預定氣壓設置為比第一預定氣壓稍高的氣壓。例如，所述第二預定氣壓在3 X H^Pa至5 X K^Pa之間。[〇〇74]濺射工藝結束后，關閉濺射電源，關閉加熱裝置，在艙內溫度低于30°C以后打開濺射腔的腔門，通入空氣，得到鍍銅碳納米管纖維。
[0075]優選地，在執行步驟S32時，可以利用感應加熱的方式對所述濺射腔進行加熱。從而可以促進金屬原子的橫向擴散，有利于形成致密、連續的金屬膜。當然，本發明并不限于此。
[0076]利用本發明所提供的方法對對碳納米管纖維鍍膜，可以在碳納米管纖維的表面形成表面光滑且致密的金屬膜。鍍有金屬膜的碳納米管纖維具有較好的導電性能，可以用作電極、導線等。[〇〇77]實施例
[0078]在本發明所提供的實施例中，濺射用到的濺射設備為沈陽科友真空技術有限公司公司提供的MS560D型號的磁控濺射設備，用到的靶材是北京冠金利新材料科技有限公司提供的高純無氧銅質靶材。碳納米管纖維為上述制備例中獲得的碳納米管纖維。熱處理爐為沈陽科友真空技術有限公司提供的VHA-446型號熱處理爐。在進行本發明所提供的對碳納米管纖維鍍膜的方法之前，首先對碳納米管纖維進行預清潔處理，包括以下步驟:[〇〇79] Stpl、將碳納米纖維管纖維放入盛放有無水乙醇的容器中；[〇〇8〇] Stp2、將上述容器防止在超聲波振蕩設備上，利用超聲波振蕩法對碳納米管纖維進行清洗，清洗時間在2min-10min之間。
[0081]以下實施例中用到的碳納米管纖維均為經過預清潔處理后的碳納米纖維管，經預清潔處理后得到的碳納米管纖維如圖4所示。[〇〇82] 實施例1[〇〇83]S1、在熱處理爐中對碳納米管纖維進行預熱處理，加熱溫度為200°C，預熱時間為3h；[〇〇84]S2、將預熱處理后的碳納米管纖維纏繞在繞絲架上，相鄰兩匝碳納米管纖維之間的間隙為20mm;
[0085]S31、將碳納米管纖維設置在濺射腔內，在濺射腔內設置6個靶材，6個靶材環繞繞絲架均勻設置，關閉濺射腔，對濺射腔進行抽真空，直至H^Pa;[〇〇86]S32、將濺射腔加熱至300°C，加熱方式為感應加熱；[〇〇87]S33、開啟射頻電源，功率為0.5KW，濺射持續1 h;[〇〇88]S4、關閉濺射電源，關閉加熱裝置，當濺射腔內溫度低于30°C以后關閉真空系統，向濺射腔內放入空氣，至濺射腔內壓力達到大氣壓，打開濺射腔，取出繞絲架，得到鍍銅碳納米管纖維。
[0089]圖5中所示的是本實施例1中所得到的鍍銅碳納米管纖維的掃描圖片，圖6是圖5的放大圖。從圖5和圖6中可以看到，銅膜表面光滑、致密且連續。經測試，本實施例獲得的鍍銅碳納米管纖維的電阻為0 ? 24 Q /cm。
[0090]實施例2[0091 ]按照實施例1中的方法對碳納米管纖維進行鍍銅，不同之處在于:在步驟S1中，預熱溫度為200°C，預熱時間為3h，在步驟S31中，濺射腔內設置4個靶材，濺射腔內的氣壓為 H^Pa，在步驟S32中，將濺射腔加熱至200°C，步驟S33中，濺射電源頻率為0.75kw，濺射持續時間為2h。[〇〇92]圖7中所示的是本實施例2中所得到的鍍銅碳納米管纖維的掃描圖片，圖8是圖7的放大圖。從圖7和圖8中可以看到，銅膜表面光滑、致密且連續。經測試，本實施例獲得的鍍銅碳納米管纖維的電阻為〇? 19 Q /cm。
[0093]實施例3
[0094]按照實施例1中的方法對碳納米管纖維進行鍍銅，不同之處在于:在步驟S1中，預熱溫度為300°C，預熱時間為lh，[〇〇95] 步驟S3包括:
[0096]S31、將所述靶材和纏繞有碳納米管纖維的繞絲架設置在所述濺射腔內后，對所述濺射腔進行抽真空直至5X10^^，并向所述濺射腔內通入氬氣，通入氬氣的持續時間為3h; [〇〇97]S32、對所述濺射腔進行加熱至300°C，加熱方式為感應加熱；[〇〇98]S33、對所述濺射腔進行抽真空直至3 X 10—.a;[〇〇99]S34、開啟射頻電源，射頻電源的頻率為0.75kw，濺射持續時間為2h。[〇1〇〇]圖9中所示的是本實施例3中所得到的鍍銅碳納米管纖維的掃描圖片，圖10是圖9 的放大圖。從圖9和圖10中可以看到，銅膜表面光滑、致密且連續。經測試，本實施例獲得的鍍銅碳納米管纖維的電阻為〇 ? 21 Q /cm〇
[0101]實施例4
[0102]按照實施例3中的方法對碳納米管纖維進行鍍銅，不同之處在于，在步驟S31中，對所述濺射腔進行抽真空直至3X10^^，并向所述濺射腔內通入氬氣，通入氬氣的持續時間為20min，在步驟S32中，對所述濺射腔進行加熱至400°C，在步驟S34中，射頻頻率為1KW，持續時間為lh。經測試，本實施例獲得的鍍銅碳納米管纖維的電阻為0.26Q/cm。[〇1〇3]可以理解的是，以上實施方式僅僅是為了說明本發明的原理而采用的示例性實施方式，然而本發明并不局限于此。對于本領域內的普通技術人員而言，在不脫離本發明的精神和實質的情況下，可以做出各種變型和改進，這些變型和改進也視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種對碳納米管纖維鍍膜的方法，其特征在于，所述方法包括:51、對所述碳納米管纖維進行預熱處理；52、將經過步驟S1的碳納米管纖維纏繞在繞絲架上后設置在濺射腔內，所述繞絲架包 括多個間隔設置的繞絲桿，相鄰兩匝碳納米管纖維之間存在間隔；53、以金屬為靶材在預定溫度下對纏繞在所述繞絲架上的碳納米管纖維進行濺射鍍 膜，其中，所述靶材和所述繞絲架之間存在相對轉動。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步驟S3中，所述靶材設置在所述繞 絲架外部，所述繞絲架繞自身軸線轉動，且設置多個所述靶材，多個所述靶材環繞所述繞絲 架設置。3.根據權利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步驟S1中，預熱處理的溫度在200°C 至400 °C之間，預熱時間在0.5h至3h之間。4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述靶材為金屬銅，在步驟S3中，射頻電源 的功率在0.5KW至1.0KW之間。5.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，在步驟S3中，磁控濺射持續的時間在lh至 3h之間，所述預定溫度在200 °C至400 °C之間。6.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，步驟S3包括:531、分別將所述靶材和纏繞有碳納米管纖維的繞絲架設置在所述濺射腔內后，對所述 濺射腔進行抽真空直至第一預定氣壓；532、對所述濺射腔進行加熱至所述預定溫度；533、開啟射頻電源，并且所述射頻電源的開啟持續時間在lh至3h之間。7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一預定氣壓為l(T2Pa至H^Pa之間。8.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，步驟S3包括:531、將所述靶材和纏繞有碳納米管纖維的繞絲架設置在所述濺射腔內后，對所述濺射 腔進行抽真空直至第二預定氣壓，并向所述濺射腔內通入惰性氣體；532、對所述濺射腔進行加熱至所述預定溫度；533、對所述濺射腔進行抽真空直至所述第二預定氣壓；534、開啟射頻電源，并且所述射頻電源的開啟持續時間在lh至3h之間。9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所述第二預定氣壓在3 X H^Pa至5 X 之間。10.根據權利要求6至9中任意一項所述的方法，其特征在于，在步驟S32中，利用感應加 熱的方式對所述濺射腔進行加熱。
【文檔編號】C23C14/18GK105970155SQ201510974782
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2015年12月24日
【發明人】曲海濤, 侯紅亮, 韓寶帥, 李殊霞, 牛濤, 侯星云, 胡晉, 陳亮
【申請人】北京浩運盛躍新材料科技有限公司