專利名稱：銅基體上直接生長(zhǎng)豎直狀納米碳纖維陣列的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種銅基體上直接生長(zhǎng)豎直狀納米碳纖維陣列的方法，屬于碳納米材料的制備技術(shù)。
背景技術(shù)：
碳納米纖維(carbon nano-fibers,CNFs)是直徑介于碳納米管以及普通碳纖維之間的準(zhǔn)一維碳材料，其具有較高的強(qiáng)度和楊氏模量，良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱及熱穩(wěn)定性和較好的表面尺寸效應(yīng)等，因而受到人們極大的關(guān)注。目前，制備納米碳纖維的方法主要有基體法、噴淋法和流動(dòng)催化法等。垂直狀的納米碳纖維一般采用基體法來(lái)生長(zhǎng)，一般是用石墨或陶瓷等非金屬作為基體，在基體上分散納米級(jí)催化顆粒的“種?！?，在高溫下通入烴類氣體熱解，在基片上生長(zhǎng)得到垂直狀得納米碳纖維。在金屬基體上生長(zhǎng)納米碳纖維，由于金屬基體不同于陶瓷等不導(dǎo)電基體，大部分金屬的活性較高，在高溫下與催化劑容易發(fā)生反應(yīng)，從而影響其活性，制約CNFs的生長(zhǎng)，因此控制催化劑與基體的反應(yīng)，保持催化劑活性是在金屬基體上制備CNFs的關(guān)鍵。目前常采用的方法主要是在導(dǎo)電基體與催化劑之間添加Al2O3等中間薄層阻斷催化劑與金屬基體的擴(kuò)散等反應(yīng)。對(duì)于許多應(yīng)用，如顯示器、電池電極、芯片互聯(lián)和電子封裝等，要求材料具有很高的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，這就需要CNFs與導(dǎo)電基體(金屬等)進(jìn)行連接。而且，降低金屬基體與CNFs之間的接觸電阻也是納米電子器件設(shè)計(jì)面臨的主要挑戰(zhàn)之一。為了降低連接CNFs和金屬基體的接觸電阻，一個(gè)最明顯有效的方法就是在金屬基體上直接生長(zhǎng)CNFs，特別是在銅基體上直接生長(zhǎng)CNFs。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種銅基體上直接生長(zhǎng)豎直狀納米碳纖維陣列的方法，該方法具有過程簡(jiǎn)單，制備的垂直狀納米碳纖維陣列具有質(zhì)量和純度高等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，一種銅基體上直接生長(zhǎng)豎直狀納米碳纖維陣列的方法，其特征在于包括以下過程1)將銅基體進(jìn)行拋光后，分別用去離子水、丙酮和乙醇超聲清洗，然后在溫度 25-30°C下干燥，并進(jìn)行氬氣等離子處理0. 5-3min ；2)按鎳與釔的摩爾比為(1-5) 1，將硝酸鎳和硝酸釔加入去離子水中，配制 0. 01-0. 05mol/L硝酸鎳和硝酸釔的溶液；3)將步驟1)處理的銅基體置入步驟幻的溶液中，浸漬20-40秒，經(jīng)真空干燥箱中在80-100°C下干燥1-4小時(shí)，將其放入石英舟中，在石英反應(yīng)管的恒溫區(qū)，在氬氣保護(hù)下以升溫速率10°C /min升至溫度200-40(TC，恒溫煅燒1_4小時(shí)，得到了負(fù)載有催化劑的銅基體；4)將步驟幻所制得的負(fù)載有催化劑的銅基體鋪展在石英舟中，將石英舟置于石英反應(yīng)管恒溫區(qū)，在氬氣保護(hù)下，以升溫速率10°c /min石英反應(yīng)管升至溫度500°C -750°C后，以流速為200-350mL/min向石英反應(yīng)管通入氬氣、氫氣和乙炔氣的混合氣進(jìn)行催化裂解反應(yīng)O.ai-lh，其中，氬氣、氫氣和乙炔氣的體積比為(100-300) (20-150) (5-100)， 然后在氬氣氛圍下將爐溫降至室溫，得到銅基體上生長(zhǎng)的豎直狀納米碳纖維陣列。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)采用電子工業(yè)中常用的Cu材為基體，通過控制基體的預(yù)處理方式、催化劑的摻雜及生長(zhǎng)工藝等，在不添加任何擴(kuò)散阻斷層的情況下直接在銅基體上生長(zhǎng)出了質(zhì)量好、純度高和形貌良好的得豎直狀納米碳纖維陣列， 而且制備過程和設(shè)備簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)和推廣。
圖1為采用本發(fā)明實(shí)施例一制得的垂直狀納米碳纖維的SEM照片圖2為圖1的局部放大SEM照片
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一將拋光的直徑12mm，厚度3mm銅片分別在蒸餾水、丙酮和無(wú)水乙醇中超聲清洗20 分鐘，然后將清洗干燥的銅片進(jìn)行一分鐘氬氣等離子處理，分別稱取5. Sg六水硝酸鎳和 2. 52g六水硝酸釔，溶入IOOmL去離子水中，配制成0. 2mol/L的溶液，再將銅片在此溶液中浸漬20秒，然后置于真空干燥箱中100°C下真空干燥一個(gè)小時(shí)，在銅片上得到了催化劑的前驅(qū)體；將負(fù)載有催化劑前驅(qū)體的銅片置于直徑60mm石英管反應(yīng)爐的中部恒溫區(qū)域，通入氬氣保護(hù)，以10°C /min使溫度升高到400°C，在此溫度下保持一個(gè)小時(shí)，使銅片表面的硝酸鹽煅燒完全，以10°C /min再將溫度升高到750°C，然后通入乙炔、氬氣和氫氣的混合氣體， 三種氣體的流量分別問50mL/min、150mL/min、50mL/min，在750°C下生長(zhǎng)lh，在銅片上生長(zhǎng)得到了垂直狀得納米碳纖維。實(shí)施例二將拋光的直徑12mm，厚度3mm銅片分別在蒸餾水、丙酮和無(wú)水乙醇中超聲清洗20 分鐘，然后將清洗干燥的銅片進(jìn)行三分鐘氬氣等離子處理，分別稱取4. 35g六水硝酸鎳和 1. 89g六水硝酸釔，溶入50mL去離子水中，配制成0. 3mol/L的溶液，再將銅片在此溶液中浸漬20秒，然后置于真空干燥箱中80°C下真空干燥一個(gè)小時(shí)，在銅片上得到了催化劑的前驅(qū)體；將負(fù)載有催化劑前驅(qū)體的銅片置于直徑60mm石英管反應(yīng)爐的中部恒溫區(qū)域，通入氬氣保護(hù)，以10°C /min使溫度升高到300°C，在此溫度下保持一個(gè)小時(shí)，使銅片表面的硝酸鹽煅燒完全，以10°C /min再將溫度升高到550°C，然后通入乙炔、氬氣和氫氣的混合氣體，三種氣體的流量分別問60mL/min、180mL/min、60mL/min，在550°C下生長(zhǎng)30min，在銅片上生長(zhǎng)得到垂直狀納米碳纖維。實(shí)施例三將拋光的直徑12mm，厚度3mm銅片分別在蒸餾水、丙酮和無(wú)水乙醇中超聲清洗20 分鐘，然后將清洗干燥的銅片進(jìn)行兩分鐘氬氣等離子處理，分別稱取2. 9g六水硝酸鎳和 1. 26g六水硝酸釔，溶入IOOmL去離子水中，配制成0. 2mol/L的溶液，再將銅片在此溶液中浸漬20秒，然后置于真空干燥箱中100°C下真空干燥一個(gè)小時(shí)，在銅片上得到了催化劑的前驅(qū)體；將負(fù)載有催化劑前驅(qū)體的銅片置于直徑60mm石英管反應(yīng)爐的中部恒溫區(qū)域，通入氬氣保護(hù)，以10°C /min使溫度升高到400°C，在此溫度下保持一個(gè)小時(shí)，使銅片表面的硝酸鹽煅燒完全，以10°C /min再將溫度升高到650°C，然后通入乙炔、氬氣和氫氣的混合氣體， 三種氣體的流量分別問30mL/min、120mL/min、80mL/min，在650°C下生長(zhǎng)30min，在銅片上生長(zhǎng)得到垂直狀納米碳纖維。實(shí)施例四將拋光的直徑12mm，厚度3mm銅片分別在蒸餾水、丙酮和無(wú)水乙醇中超聲清洗20 分鐘，然后將清洗干燥的銅片進(jìn)行三分鐘氬氣等離子處理，分別稱取1. 45g六水硝酸鎳和 0. 63g六水硝酸釔，溶入50mL去離子水中，配制成0. lmol/L的溶液，再將銅片在此溶液中浸漬20秒，然后置于真空干燥箱中80°C下真空干燥一個(gè)小時(shí)，在銅片上得到了催化劑的前驅(qū)體；將負(fù)載有催化劑前驅(qū)體的銅片置于直徑60mm石英管反應(yīng)爐的中部恒溫區(qū)域，通入氬氣保護(hù)，以10°C/min使溫度升高到300°C，在此溫度下保持一個(gè)小時(shí)，使銅片表面的硝酸鹽煅燒完全，以10°C /min再將溫度升高到700°C，然后通入乙炔、氬氣和氫氣的混合氣體，三種氣體的流量分別問60mL/min、200mL/min、70mL/min，在700°C下生長(zhǎng)20min，在銅片上生長(zhǎng)得到垂直狀納米碳纖維。實(shí)施例五將拋光的直徑12mm，厚度3mm銅片分別在蒸餾水、丙酮和無(wú)水乙醇中超聲清洗20 分鐘，然后將清洗干燥的銅片進(jìn)行三分鐘氬氣等離子處理，分別稱取7. 25g六水硝酸鎳和 3. 14g六水硝酸釔，溶入50mL去離子水中，配制成0. 5mol/L的溶液，再將銅片在此溶液中浸漬20秒，然后置于真空干燥箱中80°C下真空干燥一個(gè)小時(shí)，在銅片上得到了催化劑的前驅(qū)體；將負(fù)載有催化劑前驅(qū)體的銅片置于直徑60mm石英管反應(yīng)爐的中部恒溫區(qū)域，通入氬氣保護(hù)，以10°C/min使溫度升高到300°C，在此溫度下保持一個(gè)小時(shí)，使銅片表面的硝酸鹽煅燒完全，以10°C /min再將溫度升高到700°C，然后通入乙炔、氬氣和氫氣的混合氣體，三種氣體的流量分別問40mL/min、180mL/min、80mL/min，在700°C下生長(zhǎng)40min，在銅片上生長(zhǎng)得到垂直狀納米碳纖維。
權(quán)利要求
1. 一種銅基體上直接生長(zhǎng)豎直狀納米碳纖維陣列的方法，其特征在于包括以下過程1)將銅基體進(jìn)行拋光后，分別用去離子水、丙酮和乙醇超聲清洗，然后在溫度25-30°C 下干燥，并進(jìn)行氬氣等離子處理0. 5-3min ；2)按鎳與釔的摩爾比為(1-5) 1，將硝酸鎳和硝酸釔加入去離子水中，配制 0. 01-0. 05mol/L硝酸鎳和硝酸釔的溶液；3)將步驟1)處理的銅基體置入步驟幻的溶液中，浸漬20-40秒，經(jīng)真空干燥箱中在 80-100°C下干燥1-4小時(shí)，將其放入石英舟中，在石英反應(yīng)管的恒溫區(qū)，在氬氣保護(hù)下以升溫速率10°C /min升至溫度200-400°C，恒溫煅燒1_4小時(shí)，得到了負(fù)載有催化劑的銅基體；4)將步驟幻所制得的負(fù)載有催化劑的銅基體鋪展在石英舟中，將石英舟置于石英反應(yīng)管恒溫區(qū)，在氬氣保護(hù)下，以升溫速率IOtVmin石英反應(yīng)管升至溫度500°C-750°C后，以流速為200-350mL/min向石英反應(yīng)管通入氬氣、氫氣和乙炔氣的混合氣進(jìn)行催化裂解反應(yīng) O.ai-lh，其中，氬氣、氫氣和乙炔氣的體積比為(100-300) (20-150) (5-100)，然后在氬氣氛圍下將爐溫降至室溫，得到銅基體上生長(zhǎng)的豎直狀納米碳纖維陣列。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種銅基體上直接生長(zhǎng)豎直狀納米碳纖維陣列的方法，屬于碳納米材料的制備技術(shù)。該方法過程包括配制不同濃度的Ni/Y催化劑溶液，對(duì)銅片進(jìn)行氬氣等離子體預(yù)處理，將銅片在以上溶液中浸漬、真空干燥，然后將銅片放在反應(yīng)爐中通入乙炔、氬氣和氫氣的混合氣體，進(jìn)行催化裂解反應(yīng)，在銅片表面得到豎直狀納米碳纖維陣列。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，采用電子工業(yè)中常用的Cu材為基體，通過控制基體的預(yù)處理方式、催化劑的摻雜及生長(zhǎng)工藝等，在不添加任何擴(kuò)散阻斷層的情況下直接在銅基體上生長(zhǎng)出了質(zhì)量好、純度高和形貌良好的得豎直狀納米碳纖維陣列，而且制備過程和設(shè)備簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)和推廣。
文檔編號(hào)B82Y40/00GK102351164SQ20111016833
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月22日
發(fā)明者劉恩佐, 師春生, 康建立, 張虎, 李家俊, 趙乃勤 申請(qǐng)人:天津大學(xué)