КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ОБЪЕМНЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК И МЕТАЛЛА И СПОСОБ ИХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
COMPOSITE MATERIALS BASED ON VOLUME CARBON NANOTUBES AND METAL AND METHOD OF THEIR MANUFACTURE

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Область настоящего изобретения в целом относится к композиционным материалам и, более конкретно, к композиционным материалам на основе объемных углеродных нанотрубок и металла.
По меньшей мере некоторые известные углеродные нанотрубки (УНТ) получают из листа графита толщиной в один атом, обычно называемого «графеном». Указанный лист сворачивают в цилиндр с диаметром порядка одного нанометра и длиной примерно один микрометр. Известные УНТ проявляют исключительные прочностные и электрические свойства и являются эффективными проводниками тепла. Двумя наиболее распространенными типами УНТ являются одностенные углеродные нанотрубки (ОСУНТ), которые получают из одного слоя графена, и многостенные углеродные нанотрубки (МСУНТ), которые получают из нескольких концентрических цилиндров или листа графена, свернутого вокруг самого себя.
УНТ являются легкими и имеют очень высокий модуль упругости. Проводящие свойства УНТ зависят от диаметра и хиральности гексагональной углеродной решетки, проходящей вдоль трубки. Небольшое изменение изгиба гексагональной решетки вдоль трубки может привести к тому, что УНТ будет функционировать либо как металл, либо как полупроводник. Например, гексагональные ряды, параллельные оси трубки, образуют металлическую структуру, известную как конфигурация в форме «кресла». Напротив, чередующиеся ряды углеродных связей по окружности трубки образуют полупроводящую структуру, известную как конфигурация типа "зигзага". Хотя отдельные УНТ могут обладать высокой электрической проводимостью, сильное контактное сопротивление между несколькими УНТ приводит к низкой электропроводности материалов из объемных УНТ.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно одному аспекту настоящего изобретения предложен композиционный материал на основе объемных углеродных нанотрубок и металла. Композиционный материал на основе объемных углеродных нанотрубок и металла включает слой материала из объемных углеродных нанотрубок, содержащий множество углеродных нанотрубок, и пленку металла, нанесенную поверх слоя материала из объемных углеродных нанотрубок. Пленка металла проникает в пустоты между отдельными углеродными нанотрубками и уменьшает электрическое сопротивление между множеством углеродных нанотрубок.
По меньшей мере часть множества углеродных нанотрубок предпочтительно представляет собой металлические углеродные нанотрубки. Множество углеродных нанотрубок предпочтительно содержит по меньшей мере одну из нанотрубок, выбранных из одностенных углеродных нанотрубок и многостенных углеродных нанотрубок. Слой материала из объемных углеродных нанотрубок предпочтительно представляет собой по меньшей мере один из слоев, выбранных из нетканого листа и пряжи. Пленку металла предпочтительно наносят поверх слоя материала из объемных углеродных нанотрубок с помощью по меньшей мере одного из способов, выбранных из способа химического осаждения из паровой фазы, способа нанесения покрытия методом химического восстановления, способа напыления и способа физического осаждения из паровой фазы. Пленка металла предпочтительно содержит по меньшей мере один из металлов, выбранных из алюминия, никеля, меди, титана, серебра, золота и хрома.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложена полоска композиционного материала на основе объемных углеродных нанотрубок и металла. Полоска композиционного материала на основе объемных углеродных нанотрубок и металла включает первый композиционный материал на основе объемных углеродных нанотрубок и металла, соединенный со вторым композиционным материалом на основе объемных углеродных нанотрубок и металла. Первый и второй композиционные материалы на основе объемных углеродных нанотрубок и металла каждый включает слой материала из объемных углеродных нанотрубок, содержащий множество углеродных нанотрубок, и пленку металла, нанесенную поверх слоя материала из объемных углеродных нанотрубок. Пленка металла проникает в пустоты между отдельными углеродными нанотрубками и уменьшает электрическое сопротивление между множеством углеродных нанотрубок.
Первый композиционный материал на основе объемных углеродных нанотрубок и металла предпочтительно соединен со вторым композиционным материалом на основе объемных углеродных нанотрубок и металла с помощью по меньшей мере одного из способов, выбранных из способа ультразвуковой сварки и способа на основе ультразвуковой аддитивной технологии. По меньшей мере часть из указанного множества углеродных нанотрубок предпочтительно представляет собой металлические углеродные нанотрубки. Множество углеродных нанотрубок предпочтительно содержит по меньшей мере одну из нанотрубок, выбранных из одностенных углеродных нанотрубок и многостенных углеродных нанотрубок. Слой материала из объемных углеродных нанотрубок предпочтительно представляет собой по меньшей мере один из слоев, выбранных из нетканого листа и пряжи. Пленку металла предпочтительно наносят на указанный слой материала из объемных углеродных нанотрубок с помощью по меньшей мере одного из способов, выбранных из способа химического осаждения из паровой фазы, способа нанесения покрытия методом химического восстановления, способа напыления и способа физического осаждения из паровой фазы.
Согласно еще другому аспекту настоящего изобретения предложен способ изготовления композиционного материала на основе объемных углеродных нанотрубок и металла. Способ включает формирование первого слоя материала из объемных углеродных нанотрубок, содержащего множество углеродных нанотрубок, и осаждение пленки металла поверх слоя материала из объемных углеродных нанотрубок. Пленка металла проникает в пустоты между отдельными углеродными нанотрубками и уменьшает электрическое сопротивление между множеством углеродных нанотрубок.
Указанный способ предпочтительно включает изготовление второго композиционного материала на основе объемных углеродных нанотрубок и металла и соединение второго композиционного материала на основе объемных углеродных нанотрубок и металла с первым композиционным материалом на основе объемных углеродных нанотрубок и металла с получением полоски композиционного материала на основе объемных углеродных нанотрубок и металла. Указанный способ предпочтительно дополнительно включает соединение второго композиционного материала на основе объемных углеродных нанотрубок и металла с первым композиционным материалом на основе объемных углеродных нанотрубок и металла с помощью по меньшей мере одного из способов, выбранных из способа ультразвуковой сварки и способа на основе ультразвуковой аддитивной технологии. Формирование первого слоя материала из объемных углеродных нанотрубок предпочтительно включает формирование по меньшей мере части слоя с применением металлических углеродных нанотрубок. Формирование первого слоя материала из объемных углеродных нанотрубок предпочтительно включает формирование по меньшей мере части слоя с применением по меньшей мере одной из нанотрубок, выбранных из одностенных углеродных нанотрубок и многостенных углеродных нанотрубок. Формирование первого слоя материала из объемных углеродных нанотрубок предпочтительно включает формирование по меньшей мере части слоя с применением по меньшей мере одного из слоев, выбранных из нетканого листа и пряжи. Осаждение пленки металла предпочтительно включает нанесение пленки металла на слой материала из объемных углеродных нанотрубок с помощью по меньшей мере одного из способов, выбранных из способа химического осаждения из паровой фазы, способа нанесения покрытия методом химического восстановления, способа напыления и способа физического осаждения из паровой фазы. Осаждение пленки металла предпочтительно включает нанесение по меньшей мере одного из металлов, выбранных из алюминия, никеля, меди, титана, серебра, золота и хрома, на слой материала из объемных углеродных нанотрубок.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 представляет собой схематическое изображение типичного композиционного материала на основе объемных УНТ и металла;
Фиг. 2 представляет собой схематическое изображение типичной полоски композиционного материала на основе объемных УНТ и металла; и
Фиг. 3 представляет собой блок-схему типичного способа изготовления полоски композиционного материала на основе объемных УНТ и металла.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 1 показан типичный композиционный материал 10 на основе объемных углеродных нанотрубок (УНТ) и металла, содержащий слой 12 материала из объемных УНТ и одну или более тонких пленок или слоев 14 металла. Согласно типичному варианту реализации изобретения слой 12 объемных УНТ включает расположенные напротив друг друга первую и вторую стороны 16 и 18, соответственно, при этом слой пленки 14 металла осаждают на каждой стороне 16 и 18. На фиг. 2 показана типичная полоска 20 композиционного материала на основе объемных УНТ и металла, изготовленная путем сваривания вместе слоев 12 объемных УНТ, как будет описано более подробно. Способы, описанные в настоящей заявке, позволяют получить полоску 20 композиционного материала на основе объемных УНТ и металла, имеющую высокую нормализованную по массе электропроводность, высокую теплопроводность и высокую механическую прочность.
Согласно типичному варианту реализации изобретения слой 12 объемных УНТ изготавливают из множества металлических УНТ (не показано), таких как УНТ в форме «кресла», которые все ориентированы относительно хирального угла, то есть по существу параллельно оси трубки каждой УНТ. Когда лист графена (не показано), формирующий каждую УНТ, сворачивают при хиральности типа кресла, каждая образовавшаяся УНТ проявляет усиленные металлические свойства и характеризуется повышенной способностью к чрезвычайно высокой плотности тока. Согласно альтернативному варианту реализации изобретения слой 12 объемных УНТ может включать, наряду с металлическими УНТ, ряд полупроводниковых УНТ (не показано). Согласно типичному варианту реализации изобретения слой 12 объемных УНТ представляет собой нетканый лист или пряжу. Согласно альтернативному варианту реализации изобретения можно использовать любую другую форму слоя 12 объемных УНТ, которая позволяет композиционному материалу 10 функционировать, как описано в настоящей заявке.
Согласно типичному варианту реализации изобретения пленка 14 металла нанесена поверх сторон 16 и 18 слоя УНТ и проникает в пустоты между отдельными УНТ. Согласно типичному варианту реализации изобретения количество металла, применяемого для получения пленки 14 металла, достаточно, чтобы способствовать формированию соединений с низким электрическим сопротивлением между значительным числом УНТ. Согласно типичному варианту реализации изобретения пленка 14 металла представляет собой тонкую пленку алюминия, которая проникает в слой 12 объемных УНТ и покрывает большую часть УНТ. Согласно альтернативному варианту реализации изобретения пленка 14 металла может представлять собой любой проводящий электричество металл или комбинацию металлов, позволяющие композиционному материалу 10 на основе объемных УНТ и металла функционировать, как описано в настоящей заявке. Согласно типичному варианту реализации изобретения пленку 14 металла наносят непосредственно по всему слою 12 УНТ путем химического осаждения из паровой фазы и/или путем нанесения покрытия методом химического восстановления. По существу, согласно типичному варианту реализации изобретения указанный способ облегчает осаждение металла в пустотах слоя объемных УНТ. Согласно альтернативному варианту реализации изобретения пленку 14 металла можно нанести путем напыления и/или способом физического осаждения из паровой фазы. Однако можно использовать любой другой способ осаждения металла, который позволяет композиционному материалу 10 на основе объемных УНТ и металла функционировать, как описано в настоящей заявке.
Согласно типичному варианту реализации изобретения несколько композиционных материалов 10 на основе объемных УНТ и металла соединяют посредством сварки, что позволяет получить полоску 20 композиционного материала на основе объемных УНТ и металла. Согласно типичному варианту реализации изобретения и как показано на фиг. 2, три композиционных материала 10 на основе УНТ и металла соединены вдоль их сторон 16 и/или 18. Кроме того, композиционные материалы 10 на основе УНТ и металла можно соединить при ориентации торец к торцу (не показано). Более того, любое количество композиционных материалов 10 на основе УНТ и металла можно соединить с получением полоски 20 композиционного материала на основе объемных УНТ и металла, имеющей любую требуемую длину, ширину и/или толщину. Согласно типичному варианту реализации изобретения композиционные материалы 10 на основе УНТ и металла соединяют посредством ультразвуковой сварки. Согласно альтернативному варианту реализации изобретения композиционные материалы 10 на основе УНТ и металла соединяют с применением ультразвуковой аддитивной технологии (UAM), которая позволяет последовательно соединять слои структурированного металла с получением продуктов заданной формы, содержащих сложные внутренние полости.
На фиг. 3 показан типичный способ 100 изготовления полоски 20 композиционного материала на основе объемных УНТ и металла. Способ 100 включает формирование 102 множества слоев 12 материала на основе УНТ из множества одностенных углеродных нанотрубок (ОСУНТ) и/или многостенных углеродных нанотрубок (МСУНТ). Согласно типичному варианту реализации изобретения слои 12 материала из УНТ представляют собой нетканый лист или пряжу. Способ дополнительно включает осаждение 104 пленки 14 металла поверх одной или более сторон 16 и 18 слоя 12 материала из УНТ с получением композиционного материала 10 на основе объемных УНТ и металла. Согласно типичному варианту реализации изобретения пленку 14 металла осаждают с помощью по меньшей мере одного из способов, выбранных из способа химического осаждения из паровой фазы, способа нанесения покрытия методом химического восстановления, способа напыления и способа физического осаждения из паровой фазы. Указанный способ также включает соединение 106 нескольких композиционных материалов 10 на основе объемных УНТ и металла с получением полоски 20 композиционного материала на основе объемных УНТ и металла. Согласно типичному варианту реализации изобретения композиционные материалы 10 на основе объемных УНТ и металла соединяют с помощью меньшей мере одного из способов, выбранных из ультразвуковой сварки и способа на основе ультразвуковой аддитивной технологии.
ПРИМЕР
В одном из примеров были изготовлены нетканые листы из слоев 12 материалов на основе объемных УНТ, состоящие из отдельных ОСУНТ с диаметром от примерно 2 нм до примерно 5 нм, отдельных МСУНТ с диаметром от примерно 20 нм до примерно 50 нм, или комбинации и тех и других. Каждый слой 12 объемных УНТ изготавливали с толщиной поперечного среза от примерно 20 мкм до примерно 100 мкм. Композиционный материал 10 на основе объемных УНТ и металла получали путем нанесения на каждую сторону 16 и 18 слоя 12 объемных УНТ покрытия в виде металлического материала толщиной приблизительно 3000 Å (0,3 мкм). Например, согласно типичному варианту реализации изобретения для получения композиционного материала 10 на основе металла можно использовать такой металлический материал, как алюминий, медь, никель, титан, серебро, золото или хром или любую их комбинацию. Согласно альтернативному варианту реализации изобретения можно использовать любой металлический материал, который позволяет композиционному материалу 10 на основе металла функционировать, как описано в настоящей заявке. Полученные композиционные материалы 10 на основе объемных УНТ и металла соединяли способом ультразвуковой сварки с получением полоски 20 композиционного материала на основе объемных УНТ и металла. Способ ультразвуковой сварки способствовал уменьшению открытого пространства внутри композиционных материалов 10 и уменьшению толщины каждого композиционного материала 10 на основе объемных УНТ и металла приблизительно на 20%. По существу, композиционный материал 10 на основе объемных УНТ и металла имел пониженное электрическое сопротивление между отдельными УНТ и пониженное электрическое сопротивление. В настоящем примере полоску 20 композиционного материала на основе объемных УНТ и металла изготавливали с размером, ориентировочно составляющим один см в ширину и 10 см в длину, при этом толщина указанной полоски составляла от толщины одного композиционного материала 10 до толщины нескольких композиционных материалов 10.
Как описано в настоящей заявке, был получен композиционный материал на основе объемных УНТ и металла с повышенной удельной электропроводностью, которая превосходила электропроводность других материалов, таких как медь и алюминий. Кроме того, композиционный материал проявлял высокую электропроводность, высокую теплопроводность и высокую механическую прочность. Композиционный материал на основе объемных УНТ, полученный с применением описанных выше методов, характеризовался пониженным контактным сопротивлением между отдельными УНТ и уменьшенным открытым пространством внутри каждого композиционного материала на основе объемных УНТ и металла. Кроме того, множество композиционных материалов на основе объемных УНТ и металла были соединены с получением полоски композиционного материала на основе объемных УНТ и металла, обладающей высокой прочностью и высокой электрической проводимостью. Композиционный материал на основе объемных УНТ имел превосходные свойства, которые делают его идеальным для таких применений, как экранирование от электромагнитных помех, проволочные проводники для линий электропередач, оснащение космических аппаратов и электродвигатели.
Иллюстративные, неисключительные примеры предложенного в настоящей заявке предмета согласно настоящему изобретению описаны в пунктах А1-В15:
А1. Композиционный материал 10 на основе объемных углеродных нанотрубок и металла, содержащий:
слой 12 материала из объемных углеродных нанотрубок, содержащий множество углеродных нанотрубок; и
пленку 14 металла, нанесенную поверх указанного слоя 12 материала из объемных углеродных нанотрубок, проникающую в пустоты между отдельными углеродными нанотрубками и уменьшающую электрическое сопротивление между указанным множеством углеродных нанотрубок.
А2. Композиционный материал 10 по п. А1, отличающийся тем, что по меньшей мере часть из указанного множества углеродных нанотрубок представляет собой металлические углеродные нанотрубки.
A3. Композиционный материал 10 по любому из пп. А1-А2, отличающийся тем, что указанное множество углеродных нанотрубок содержит по меньшей мере одну из нанотрубок, выбранных из одностенных углеродных нанотрубок и многостенных углеродных нанотрубок.
А4. Композиционный материал 10 по любому из пп. А1-А3, отличающийся тем, что указанный слой 12 материала из объемных углеродных нанотрубок представляет собой по меньшей мере один из слоев, выбранных из нетканого листа и пряжи.
А5. Композиционный материал 10 по любому из пп. А1-А4, отличающийся тем, что указанная пленка 14 металла нанесена поверх указанного слоя 12 материала из объемных углеродных нанотрубок с помощью по меньшей мере одного из способов, выбранных из способа химического осаждения из паровой фазы, способа нанесения покрытия методом химического восстановления, способа напыления и способа физического осаждения из паровой фазы.
А6. Композиционный материал 10 по любому из пп. А1-А5, отличающийся тем, что указанная пленка 14 металла содержит по меньшей мере один из металлов, выбранных из алюминия, никеля, меди, титана, серебра, золота и хрома.
А7. Композиционный материал 10 по любому из пп. А1-А6, содержащий:
первый композиционный материал 10 на основе объемных углеродных нанотрубок и металла, соединенный со вторым композиционным материалом 10 на основе объемных углеродных нанотрубок и металла с получением полоски 20 композиционного материала на основе объемных углеродных нанотрубок и металла.
B8. Способ 100 изготовления композиционного материала 10 на основе объемных углеродных нанотрубок и металла, включающий:
формирование 102 первого слоя 12 материала из объемных углеродных нанотрубок, содержащего множество углеродных нанотрубок; и
осаждение 104 пленки 14 металла поверх слоя 12 материала из объемных углеродных нанотрубок, проникающей в пустоты между отдельными углеродными нанотрубками и уменьшающей электрическое сопротивление между множеством углеродных нанотрубок.
B9. Способ 100 по п. В8, дополнительно включающий изготовление второго композиционного материала 10 на основе объемных углеродных нанотрубок и металла и соединение 106 второго композиционного материала 10 на основе объемных углеродных нанотрубок и металла с первым композиционным материалом 106 на основе объемных углеродных нанотрубок и металла с получением полоски 20 композиционного материала на основе объемных углеродных нанотрубок и металла.
В10. Способ 100 по п. В9, дополнительно включающий соединение второго композиционного материала 10 на основе объемных углеродных нанотрубок и металла с первым композиционным материалом 10 на основе объемных углеродных нанотрубок и металла с помощью по меньшей мере одного из способов, выбранных из способа ультразвуковой сварки и способа на основе ультразвуковой аддитивной технологии.
В11. Способ 100 по любому из пп. В8-В10, отличающийся тем, что формирование первого слоя 12 материала из объемных углеродных нанотрубок включает формирование по меньшей мере части слоя 12 с применением металлических углеродных нанотрубок.
B12. Способ 100 по любому из пп. В8-В11, отличающийся тем, что формирование первого слоя 12 материала из объемных углеродных нанотрубок включает формирование по меньшей мере части слоя 12 с применением по меньшей мере одной из нанотрубок, выбранных из одностенных углеродных нанотрубок и многостенных углеродных нанотрубок.
B13. Способ 100 по любому из пп. В8-В12, отличающийся тем, что формирование первого слоя 12 материала из объемных углеродных нанотрубок включает формирование по меньшей мере части слоя 12 с применением по меньшей мере одного из слоев, выбранных из нетканого листа и пряжи.
B14. Способ 100 по любому из пп. В8-В13, отличающийся тем, что осаждение пленки 14 металла включает нанесение пленки 14 металла на слой 12 материала из объемных углеродных нанотрубок с помощью по меньшей мере одного из способов, выбранных из способа химического осаждения из паровой фазы, способа нанесения покрытия методом химического восстановления, способа напыления и способа физического осаждения из паровой фазы.
B15. Способ 100 по любому из пп. В8-В14, отличающийся тем, что осаждение пленки 14 металла включает нанесение по меньшей мере одного из металлов, выбранных из алюминия, никеля, меди, титана, серебра, золота и хрома, на слой 12 материала из объемных углеродных нанотрубок.
В настоящем описании используют примеры для описания различных вариантов реализации изобретения, в том числе наилучшего варианта реализации, а также для предоставления любому специалисту в данной области возможности практического применения указанных вариантов, в том числе создания и использования любых устройств или систем и воплощения любых включенных способов. Патентоспособный объем определен формулой изобретения и может включать другие примеры, которые встречаются специалистам в данной области техники. Подразумевают, что такие другие примеры находятся в пределах объема формулы изобретения, если они имеют конструктивные элементы, которые не отличаются от буквального изложения формулы изобретения, или если они включают эквивалентные конструктивные элементы с несущественными отличиями от буквального изложения формулы изобретения.