CN106219514B - 碳纳米管结构的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种碳纳米管结构的制备方法，其包括以下步骤：提供一筒状碳纳米管阵列；采用一拉伸工具与该筒状碳纳米管阵列接触，从该筒状碳纳米管阵列中选定一碳纳米管片段；以及沿该筒状碳纳米管阵列的径向方向移动该拉伸工具远离该筒状碳纳米管阵列，拉取该选定的碳纳米管片段，从而形成一碳纳米管结构，该碳纳米管结构一端连接该拉伸工具，另一端连接该筒状碳纳米管阵列，在拉伸过程中，在所述碳纳米管结构与该筒状碳纳米管阵列的连接处，该筒状碳纳米管阵列的切面与该碳纳米管结构成一角度，该角度大于等于0度，小于等于60度。

Description

碳纳米管结构的制备方法

本发明为公开号为CN102092703A(以下简称申请A)的发明专利的分案申请，申请A的申请日为2009年12月11日，申请号为200910250642.6，发明名称为碳纳米管结构的制备方法。

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管结构的制备方法。

背景技术

碳纳米管(Carbon Nanotube,CNT)是一种由石墨烯片卷成的中空管状物，其具有优异的力学、热学及电学性质，因此具有广阔的应用领域。由于单根碳纳米管的尺寸为纳米级，难于进行加工，为便于实际应用，人们尝试将多个碳纳米管作为原材料，制成具有较大尺寸的宏观结构。该宏观结构由多个碳纳米管组成，可以是膜状、线状或其它形状。现有技术中一般将由多个碳纳米管组成的宏观膜状结构称为碳纳米管膜(Carbon NanotubeFilm)，将由多个碳纳米管组成的宏观线状结构称为碳纳米管线(Carbon Nanotube Wire)或碳纳米管线缆(Carbon Nanotube Cable)。

姜开利等人于2008年8月20日公告的第CN100411979C号中国发明专利说明书中揭露了一种从碳纳米管阵列中直接拉取获得的碳纳米管绳，这种碳纳米管绳具有宏观尺度且能够自支撑，其包括多个在范德华力作用下首尾相连的碳纳米管。由于该碳纳米管绳中碳纳米管基本沿同一方向排列，因此该碳纳米管绳能够较好的发挥碳纳米管轴向具有的导电及导热等各种优异性质，具有极为广泛的应用前景。另外，与上述拉取碳纳米管绳相似地，可从碳纳米管阵列中拉取一碳纳米管膜。

现有技术中的碳纳米管阵列一般采用化学气相沉积法生长获得，具体为将一平整的圆形硅片作为基底，一表面形成一催化剂薄膜，放置于反应炉中加热，并通入碳源气及保护气体，该碳源气在硅片表面的催化剂作用下分解，并在硅片表面生长获得平面圆形的碳纳米管阵列。目前用于生长碳纳米管阵列的反应炉通常为管式反应炉。由于在上述生长过程中，管式反应炉内的气压小于炉外的大气压力，管式反应炉的炉壁将承受向内的压力，使该管式反应炉的内径难以做到很大。一般地，当管式反应炉的直径为10英寸，长度为2米，内部气压为10托(Torr)时，内外壁压力差为5万牛顿。而当管式反应炉的直径增加到40英寸时，内外壁压力差可达到20万牛顿。并且，当直径增加时，由于管式反应炉的炉壁曲率下降，其支撑作用也会减弱，使管式反应炉的稳定性和使用寿命受到影响。

因此，当采用圆形硅片作为基底在管式反应炉内生长碳纳米管阵列时，该圆形硅片的最大直径受到管式反应炉内的直径的限制，使生长于其上的碳纳米管阵列的最大直径亦受到限制，从而使从该圆形硅片生长的碳纳米管阵列中拉取的碳纳米管结构的尺寸，如碳纳米管膜的宽度、面积或碳纳米管绳的长度受到限制。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种能够获得尺寸较大的碳纳米管结构的制备方法。

一种碳纳米管结构的制备方法，其包括以下步骤：提供一筒状碳纳米管阵列；采用一拉伸工具与该筒状碳纳米管阵列接触，从该筒状碳纳米管阵列中选定一碳纳米管片段；以及沿该筒状碳纳米管阵列的径向方向移动该拉伸工具远离该筒状碳纳米管阵列，拉取该选定的碳纳米管片段，从而形成一碳纳米管结构，该碳纳米管结构一端连接该拉伸工具，另一端连接该筒状碳纳米管阵列，在拉伸过程中，在所述碳纳米管结构与该筒状碳纳米管阵列的连接处，该筒状碳纳米管阵列的切面与该碳纳米管结构成一角度，该角度大于等于0度，小于等于60度。

相较于现有技术，由于该碳纳米管阵列为筒状，因此在相同的现有反应炉中制备的该筒状碳纳米管阵列比平面碳纳米管阵列具有更大的尺寸，使从中拉取获得的碳纳米管结构也具有更大的尺寸。

附图说明

图1是本发明第一实施例中从筒状碳纳米管阵列中拉伸获得一碳纳米管膜的过程示意图。

图2是本发明第一实施例形成于圆形筒状体外周面的筒状碳纳米管阵列垂直于筒状体轴向的剖视示意图。

图3是本发明第一实施例形成于具有开口的圆形筒状体外周面的筒状碳纳米管阵列垂直于筒状体轴向的剖视示意图。

图4是本发明第一实施例形成于具有导角的矩形筒状体外周面的筒状碳纳米管阵列垂直于筒状体轴向的剖视示意图。

图5是本发明第一实施例形成于具有开口和导角的矩形筒状体外周面的筒状碳纳米管阵列垂直于筒状体轴向的剖视示意图。

图6是本发明第一实施例一碳纳米管片段的结构示意图。

图7是本发明第一实施例非扭转的碳纳米管线的扫描电镜照片。

图8是本发明第一实施例扭转的碳纳米管线的扫描电镜照片。

图9是本发明第一实施例碳纳米管膜的扫描电镜照片。

图10是本发明第二实施例从具有螺旋形带状子碳纳米管阵列中拉伸获得一碳纳米管线的过程示意图。

主要元件符号说明

碳纳米管结构 100，200

筒状碳纳米管阵列 120，120a，120b，120c，220

凹槽 22

基底 140，140a，140b，140c，240

开口 142

碳纳米管片段 143

圆角 144

碳纳米管 145

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明实施例碳纳米管结构的制备方法。

请参阅图1至图6，本发明第一实施例提供一种碳纳米管结构100的制备方法，其包括以下步骤：

步骤一：提供一筒状碳纳米管阵列120。

步骤二：采用一拉伸工具与该筒状碳纳米管阵列120接触，从该筒状碳纳米管阵列120中选定一碳纳米管片段143。

步骤三：使该拉伸工具沿该筒状碳纳米管阵列120的径向方向移动，并远离该筒状碳纳米管阵列120拉取该选定的碳纳米管片段143，从而形成一碳纳米管结构100，该碳纳米管结构100一端连接该拉伸工具，另一端连接该筒状碳纳米管阵列120，在拉伸过程中，在所述碳纳米管结构100与该筒状碳纳米管阵列120的连接处，该筒状碳纳米管阵列120的切面与该碳纳米管结构100成一角度。

下面分别对各步骤展开说明。

首先对步骤一进一步说明。该筒状碳纳米管阵列120是通过化学气相沉积法形成于一基底140表面，优选为超顺排的筒状碳纳米管阵列120。本实施例中，该超顺排筒状碳纳米管阵列120的制备方法具体包括：

(a)提供一基底140，该基底140包括至少一柱面；

(b)在该基底140的所述至少一柱面上均匀形成一催化剂层；

(c)将上述形成有催化剂层的基底140在300℃～900℃的空气中退火约30分钟～90分钟；以及

(d)将基底140置于反应炉中，在保护气体环境下加热到400℃～900℃，然后通入碳源气体反应约5分钟～30分钟，生长得到超顺排的筒状碳纳米管阵列120。

该基底140为筒状体，其外周面可形成所述柱面，其中该柱面可为圆柱面、椭圆柱面或具有导角的棱柱面，该棱柱面包括三棱柱面或四棱柱面等；可进一步在筒状体外周面筒壁沿筒状体轴向设置长条状开口，该长条状开口平行于筒状体的轴向，从而形成轴向具有开口的柱面，此时该筒状体的横截面呈未封闭的圆、椭圆或者圆角多边形等，为方便描述，将设有开口(未封闭)和未设有开口(封闭)的这两种情况统称为筒状体。具体地，请参阅图2，在本实施例中，该基底140是截面为圆形的筒状体，所述碳纳米管阵列120形成于该筒状体的外周面，从而形成一筒状碳纳米管阵列120。请参阅图3，该基底140a可以为具有一平行于筒状体轴向的开口142的未封闭筒状体，该筒状体的横截面为未封闭的圆形。所述碳纳米管阵列120a形成于该未封闭筒状体的外周面，形成一未封闭的筒状碳纳米管阵列120a，即该未封闭的筒状碳纳米管阵列120a包括一平行于该筒状碳纳米管阵列120a轴向的开口。请参阅图4，该基底140b也可以是截面为矩形的筒状体，该矩形具有圆角144。所述碳纳米管阵列120b形成于该筒状体的外周面，形成一封闭的筒状碳纳米管阵列120b。请参阅图5，该基底140c还可以为具有一平行于筒状体轴向的开口142的未封闭筒状体，该筒状体的截面为未封闭的圆角矩形。所述碳纳米管阵列120c形成于该未封闭筒状体的外周面，形成一未封闭的筒状碳纳米管阵列120c，即该未封闭的筒状碳纳米管阵列120c包括一平行于该筒状碳纳米管阵列轴向的开口。可以理解，所述基底不限于上述形状，该基底的截面也可是椭圆或者具有圆角的其他多边形等。

该基底也可以包括但不限于以下形状，从而得到所述柱面：该基底可为柱状体(实心体)，该柱状体外周面形成所述柱面，其中，与上述筒状体相似，该柱状体的横截面可以是圆、椭圆或者圆角多边形，也可进一步在柱状体外周面沿轴向设置长条状沟槽，从而形成轴向具有缺口的柱面，此时该柱状体的横截面呈未封闭的圆、椭圆或者圆角多边形等。

该基底可选用石英基底、耐高温玻璃基底、P型或N型硅基底，金属基底、或选用形成有氧化层的硅基底，本实施例中，该基底140优选为一具有较为平滑表面的石英管。

该催化剂层材料可选用铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)或其任意组合的合金之一，优选为约5纳米厚的铁催化剂层。该催化剂层可形成在该石英管的外周面。

当所述反应炉为管式反应炉时，该基底140可沿管式反应炉的轴向设置于该管式反应炉内，即该基底140的轴线方向平行于管式反应炉的轴线方向。进一步地，可通过一支架支撑该基底140的两端，该支架可使该基底140悬于该反应炉内并可绕该基底140的轴线方向原位旋转。该碳源气可选用乙炔、乙烯、乙烷等，优选为乙炔等化学性质较活泼的碳氢化合物，保护气体可选用氮气、氨气或惰性气体。

该筒状碳纳米管阵列120包括多个碳纳米管，其中，大多数碳纳米管基本彼此平行且垂直于该基底140表面。该筒状碳纳米管阵列120的顶面为与该基底140表面平行的柱面。通过上述控制生长条件，该筒状碳纳米管阵列120中基本不含有杂质，如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等。该筒状碳纳米管阵列120中的碳纳米管彼此通过范德华力紧密接触形成阵列。该筒状碳纳米管阵列120的生长面积可以与上述基底140面积基本相同。该筒状碳纳米管阵列120中的碳纳米管可以至少包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管及多壁碳纳米管中的一种。该筒状碳纳米管阵列120中碳纳米管的高度为2微米～10毫米，优选为100～900微米。该碳纳米管的直径为1～50纳米。

其次，对步骤二进一步说明，请参阅图6，在该步骤中，该碳纳米管片段143由该筒状碳纳米管阵列120中的一个或相邻的多个碳纳米管145组成，该多个碳纳米管145通过范德华力相互作用。该拉伸工具用于选定并拉取该碳纳米管片段143。该拉伸工具可以为镊子、夹子、胶带或表面具有黏胶的硬质基条。该选定所述碳纳米管片段143的过程可以是采用镊子或夹子夹取筒状碳纳米管阵列120中的部分碳纳米管145，或者是采用胶带或基条的黏胶接触该筒状碳纳米管阵列120。

具体地，所述拉伸工具可直接沿平行于所述筒状碳纳米管阵列120的轴线方向选定所述碳纳米管片段143，请参阅图3，当该筒状碳纳米管阵列120a具有一开口时，所述拉伸工具可从该筒状碳纳米管阵列120a靠近开口的边缘处沿平行于所述筒状碳纳米管阵列120a的轴线方向选定所述碳纳米管片段，从而避免有不参与后续拉伸的碳纳米管粘结到拉伸工具上，降低所拉伸获得的碳纳米管结构100的质量。

当该拉伸工具选定的碳纳米管片段143的宽度与所述筒状碳纳米管阵列120的轴长度(沿平行于基底140的轴线方向的尺寸)相同时，该拉伸工具可在后续拉伸的步骤之后获得一具有固定宽度的碳纳米管膜或固定直径的碳纳米管线。

最后，对步骤三进一步说明。所述径向指垂直于筒状碳纳米管阵列120轴向的方向。具体地，该拉伸工具沿该筒状碳纳米管阵列120的径向方向移动的过程中，由于相邻的碳纳米管之间存在相互的范德华力作用，从而使多个碳纳米管首尾相连地被连续拉出，即该碳纳米管结构100中的碳纳米管连续不断地从该筒状碳纳米管阵列120中拉出，进而形成一连续的碳纳米管结构100。另外，由于所述基底140可活动且可绕其轴向原位旋转，因此当所述拉伸工具在外力的作用下逐渐移动时，所述基底140也可在外力的作用下同时绕其轴向原位旋转以补偿筒状碳纳米管阵列120中碳纳米管的消耗，从而在筒状碳纳米管阵列120中的碳纳米管逐渐脱离所述基底140。另外，若所述基底140固定不能旋转，则所述拉伸工具可在拉伸过程中随着碳纳米管逐渐脱离所述基底140的同时绕该基底140逐渐调整拉伸位置以确保补偿所述筒状碳纳米管阵列120的消耗。该碳纳米管结构100可以为一碳纳米管膜或一碳纳米管线。该形成的碳纳米管结构100是碳纳米管线还是碳纳米管膜由该拉伸工具选定的碳纳米管片段143的宽度决定。

此外，在拉伸过程中，在所述碳纳米管结构100与该筒状碳纳米管阵列120的连接处，该筒状碳纳米管阵列120的切面与该碳纳米管结构100需成一角度，该角度可大于等于0度，小于等于60度，优选为大于0度小于等于15度，本实施例中，该角度为15度。具体为，如果该角度为0°，所拉出的碳纳米管结构100容易与所述筒状碳纳米管阵列120的生长基底140接触，由于生长基底140可能残留有催化剂或无定形碳，这些杂质会吸附到碳纳米管结构上影响该碳纳米管结构的质量；若角度太大，碳纳米管结构中碳纳米管片段之间的范德华力会变小，使得碳纳米管片断结合不牢固，容易破裂。

以下将分别就该形成碳纳米管线及碳纳米管膜的两种情况进行具体介绍。

当该选定的碳纳米管片段的宽度较窄时，可形成一碳纳米管线。具体地，当该拉伸工具沿该筒状碳纳米管阵列120的径向方向拉取该碳纳米管片段时，与该选定的碳纳米管片段相邻的碳纳米管片段通过范德华力的作用被首尾相连地不断从筒状碳纳米管阵列120中拉出并形成一碳纳米管线。

另外，当所选定的碳纳米管片段的宽度较宽时，通过拉伸可形成一宽度较窄的碳纳米管膜，为形成一碳纳米管线，该过程可进一步包括采用一有机溶剂处理该宽度较窄的碳纳米管膜，使该碳纳米管膜中的碳纳米管迅速在聚拢形成所述碳纳米管线。本实施例具体为使该碳纳米管膜通过该有机溶剂浸润并汇聚成碳纳米管线后使该有机溶剂挥发。该有机溶剂为挥发性有机溶剂，如乙醇、甲醇、丙酮、二氯乙烷或氯仿，本实施例中采用乙醇。请参阅图7和图8，在挥发性有机溶剂挥发时产生的表面张力的作用下，该碳纳米管膜中的碳纳米管通过范德华力聚拢，从而形成一非扭转的碳纳米管线102。

该形成碳纳米管线的过程还可进一步包括扭转所述碳米管膜，从而使所述碳纳米管膜扭转成一扭转的碳纳米管线，具体可在移动所述拉伸工具的同时，使该拉伸工具绕拉伸工具的移动方向旋转该拉伸工具，从而使碳纳米管膜也随之旋转，从而形成一扭转的碳纳米管线。

该碳纳米管线包括多个碳纳米管通过范德华力首尾相连。具体地，该碳纳米管线包括多个连续且定向排列的碳纳米管片段。该多个碳纳米管片段通过范德华力首尾相连。每一碳纳米管片段包括多个相互平行的碳纳米管，该多个相互平行的碳纳米管通过范德华力紧密结合。该碳纳米管片段具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。该碳纳米管线长度不限，直径与所形成的筒状碳纳米管阵列120的轴长度有关，当该筒状碳纳米管阵列120的轴长度为400寸时，该碳纳米管线的直径可达300微米。请参阅图7，当该碳纳米管线为非扭转的碳纳米管线时包括多个基本平行于所述碳纳米管线长度方向排列的碳纳米管。请参阅图8，当该碳纳米管线为扭转的碳纳米管线时包括多个绕该碳纳米管线轴向螺旋排列的碳纳米管。

当选定的碳纳米管片段的宽度较宽时，可形成一碳纳米管膜。具体地，当该拉伸工具沿该筒状碳纳米管阵列120的径向方向拉取该碳纳米管片段时，一连续的碳纳米管膜便从碳纳米管阵列中拉出。

请参阅图9，所述碳纳米管膜是由若干碳纳米管组成的自支撑结构。所述若干碳纳米管为沿同一方向择优取向排列。所述择优取向是指在碳纳米管膜中大多数碳纳米管的整体延伸方向基本朝同一方向。而且，所述大多数碳纳米管的整体延伸方向基本平行于碳纳米管膜的表面。进一步地，所述碳纳米管膜中多数碳纳米管是通过范德华力首尾相连。具体地，所述碳纳米管膜中基本朝同一方向延伸的大多数碳纳米管中每一碳纳米管与在延伸方向上相邻的碳纳米管通过范德华力首尾相连。当然，所述碳纳米管膜中存在少数随机排列的碳纳米管，这些碳纳米管不会对碳纳米管膜中大多数碳纳米管的整体取向排列构成明显影响。所述自支撑为碳纳米管膜不需要大面积的载体支撑，而只要相对两边提供支撑力即能整体上悬空而保持自身膜状状态，即将该碳纳米管膜置于(或固定于)间隔一定距离设置的两个支撑体上时，位于两个支撑体之间的碳纳米管膜能够悬空保持自身膜状状态。所述自支撑主要通过碳纳米管膜中存在连续的通过范德华力首尾相连延伸排列的碳纳米管而实现。

具体地，所述碳纳米管膜中基本朝同一方向延伸的多数碳纳米管，并非绝对的直线状，可以适当的弯曲；或者并非完全沿延伸方向排列，可以适当的偏离延伸方向。因此，不能排除碳纳米管膜的基本朝同一方向延伸的多数碳纳米管中并列的碳纳米管之间可能存在部分接触。

具体地，请参阅图6，所述碳纳米管膜包括多个连续且定向排列的碳纳米管片段143。该多个碳纳米管片段143通过范德华力首尾相连。每一碳纳米管片段143包括多个相互平行的碳纳米管145，该多个相互平行的碳纳米管145通过范德华力紧密结合。该碳纳米管片段143具有任意的长度、厚度、均匀性及形状。该碳纳米管膜中的碳纳米管145沿同一方向择优取向排列。所述碳纳米管膜的厚度为0.5纳米～100微米，最大宽度与所述筒状碳纳米管阵列120的轴长度相等。该碳纳米管膜106的比表面积大于100平方米每克。该碳纳米管膜具有较好的透光性，可见光透过率可以达到75％以上。

请参阅图10，本发明第二实施例提供一种碳纳米管结构200的制备方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤一：提供一筒状碳纳米管阵列220。

步骤二：预处理该筒状碳纳米管阵列220，使在该筒状碳纳米管阵列220的表面形成至少一凹槽22，该至少一凹槽22可将该筒状碳纳米管阵列分割成至少一子碳纳米管阵列。

步骤三：采用一拉伸工具接触该子碳纳米管阵列，从该子碳纳米管阵列中选定一宽度与该子碳纳米管阵列的宽度相同的碳纳米管片段。

步骤四：使拉伸工具沿该筒状碳纳米管阵列220的径向方向移动并远离该筒状碳纳米管阵列220，拉取该选定的碳纳米管片段，从而形成一碳纳米管结构200，该碳纳米管结构200一端连接该拉伸工具，另一端连接该子碳纳米管阵列，在拉伸过程中，在所述碳纳米管结构200与该子碳纳米管阵列的连接处，该筒状碳纳米管阵列的切面与该碳纳米管结构构成一角度，该角度大于等于0度，小于等于60度。

下面分别对各步骤展开说明。

本实施例中的步骤一与步骤四与上述第一实施例的步骤一与步骤三完全相同，在此将不再赘述以下将仅对步骤二和步骤三进行说明。

首先，对步骤二进一步说明。

本实施例中，为获得实际需求尺寸的碳纳米管结构200，可将所述筒状碳纳米管阵列220分割成至少一个具有一预定尺寸的子碳纳米管阵列。即可根据实际需要碳纳米管结构200的尺寸，将碳纳米管阵列220分割成具有预定尺寸的子碳纳米管阵列，从该具有预定尺寸的子碳纳米管阵列中便可拉伸出所述实际需求尺寸的碳纳米管结构200。具体地，采用激光刻蚀的方法在所述筒状碳纳米管阵列220的表面加工形成至少一凹槽22，该至少一凹槽22可将所述筒状碳纳米管阵列220分割成至少一个子碳纳米管阵列，该子碳纳米管阵列具有一预定尺寸。如所形成的至少一凹槽22沿该筒状碳纳米管阵列220的轴向螺旋延伸，从而将该筒状碳纳米管阵列220分割成至少一呈连续的螺旋形缠绕在基底240表面的带状子碳纳米管阵列，或者该至少一凹槽环绕该筒状碳纳米管阵列220，从而将该筒状碳纳米管阵列220分割成至少两个筒状碳纳米管子阵列。

形成所述呈螺旋形的带状子碳纳米管阵列的方法具体为:

S101，固定筒状碳纳米管阵列220连同基底240。

S102，提供一可移动的激光器。

所述激光器包括固体激光器、液体激光器、气体激光器或半导体激光器。本实施例中，所述激光器为二氧化碳激光器。所述激光器的移动方法不限，可以通过外力移动激光器使其按照一定路径移动，也可以通过其它方法移动激光器。本实施例中，该二氧化碳激光器的激光束的照射路径通过电脑过程控制，将确定好筒状碳纳米管阵列220中所需要形成的螺旋带的图形和位置等数据输入电脑程序中。

S103，移动该激光器使激光束照射该筒状碳纳米管阵列220，使筒状碳纳米管阵列220中被激光处理过的部分形成一凹槽22，该凹槽22在所述筒状碳纳米管阵列220上沿该筒状碳纳米管阵列220的轴向螺旋延伸。

经过上述激光处理，凹槽22处碳纳米管的高度小于100微米。且该凹槽22可使中间未被激光处理的筒状碳纳米管阵列220也被分割成具有一定宽度的呈连续的螺旋形缠绕在基底240表面的带状子碳纳米管阵列。

上述被形成的呈螺旋形的带状子碳纳米管阵列的宽度可通过控制由凹槽22构成的螺旋线的螺旋角大小加以控制。本实施例中，所述呈螺旋形的带状子碳纳米管阵列宽度为1英寸。

所采用的激光束为波长为1064纳米的红光激光束、波长为10640纳米的二氧化碳激光束或波长为532纳米的绿光激光束。所述激光束的扫描速度为50毫米/秒至150毫米/秒。所述激光束的功率密度优选地为5×10⁷瓦/平方米至5×10⁹瓦/平方米。本实施例中，采用波长为1054纳米的红外激光束，该红外激光束的扫描速度为100毫米/秒，功率密度为1×10⁸瓦/平方米。

激光照射过程中，由于激光束所具有的高能量被碳纳米管吸收，产生的高温将处于激光照射路径处的碳纳米管全部或部分烧蚀，从而在筒状碳纳米管阵列220中形成预定深度和距离的凹槽22。激光处理后碳纳米管的高度会降低，当被激光处理后的碳纳米管的高度小于100微米时，则该部分碳纳米管就无法参与后续的拉伸过程。以拉伸获得一碳纳米管膜为例，即只要被激光处理后的碳纳米管的高度小于100微米，就可保证所制备的碳纳米管膜具有一致的宽度。但若要所制备的碳纳米管膜不仅宽度一致，且碳纳米管膜中碳纳米管的密度分布均匀，则凹槽22处被处理后的碳纳米管的高度不可太低，其应大于1微米。这是因为，在后续的拉膜步骤中，只有凹槽22处的碳纳米管具有一定高度才可保持对与其相邻的碳纳米管的范德华力的作用。因此在拉膜过程中，与凹槽22相邻的碳纳米管的消耗速度同不与凹槽22相邻的碳纳米管消耗速度基本相同，从而保证所得的膜的宽度一致性以及碳纳米管膜中碳纳米管的均匀性。如果凹槽22处的碳纳米管高度太低，该凹槽22中碳纳米管对与其相邻的并未被激光处理的碳纳米管就会没有范德华力作用，因此，与凹槽22相邻的碳纳米管的消耗速度将大于不与凹槽22相邻的碳纳米管消耗速度。如此在拉膜过程中使筒状碳纳米管阵列220中消耗碳纳米管的边界线呈弧形，则使所制备的碳纳米管膜不仅宽度不一致，而碳纳米管膜中碳纳米管的密度也不一致。因此，通过控制激光的功率以及扫描速度等参数以使激光处理过的凹槽22中的碳纳米管的高度范围为1-100微米。优选地，凹槽22中的碳纳米管的高度为50-100微米。本实施例中，所述凹槽22中的碳纳米管的高度为100微米。

所述凹槽22的宽度优选的大于筒状碳纳米管阵列220中碳纳米管的高度。这是因为，在拉膜过程中，位于凹槽22的另一侧的碳纳米管有可能倾倒从而跨过凹槽22的间隙参与到位于螺旋状凹槽22之间的碳纳米管的拉膜过程中。这将会导致获取的碳纳米管膜的宽度不一致。本实施例中，碳纳米管阵列中的碳纳米管的高度为200微米，因此控制凹槽22的宽度为250微米。

可以理解，该采用激光处理筒状碳纳米管阵列220的制备方法还可以为固定激光装置，移动筒状碳纳米管阵列220使激光照射该筒状碳纳米管阵列220的方法，其具体包括以下步骤：提供一固定的激光器，该激光器在一固定区域形成一激光扫描区；使筒状碳纳米管阵列220连同基底240以一定的速度经过该激光扫描区，使筒状碳纳米管阵列220表面形成一由凹槽22构成的螺旋线。

此外，也可在该筒状碳纳米管阵列220的表面刻蚀两条以上由凹槽22构成的相互间隔且平行排列的螺旋线，形成两个以上的螺旋形带状子碳纳米管阵列，从而可在该处理后的碳纳米管阵列上同时拉出两个以上的碳纳米管结构。

所述将筒状碳纳米管阵列220采用激光刻蚀的方法刻蚀成多个具有固定轴长度的圆筒形的子碳纳米管阵列与上述方法基本相同，在此将不再赘述。

其次，对步骤三进一步说明。

具体地，该步骤中，本实施例与第一实施例的区别在于，在第一实施例中，若拉伸工具选择的碳纳米管片段143的宽度小于所述基底140的长度时，虽然初始被选定的碳纳米管片段143的宽度一定，然而由于在拉伸过程中所选定的碳纳米管片段143的边缘处的碳纳米管与其附近的碳纳米管之间存在范德华力，因此在拉伸过程中，这些与选定的碳纳米管片段143中的碳纳米管相邻的碳纳米管也会由于范德华力的相互作用而陆续被拉出，从而使得碳纳米管膜的宽度并不等于所选定的碳纳米管片段143的宽度，或碳纳米管线也并不具有固定的直径。而是在拉伸过程中，碳纳米管膜的宽度或碳纳米管线的直径逐渐增大。

为获得具有固定宽度的碳纳米管膜或固定直径的碳纳米管线，上述第一实施例可采用拉伸工具直接选定一宽度与筒状碳纳米管阵列120的轴向长度相同的碳纳米管片段。而本实施例中可采用所述拉伸工具在该呈螺旋形带状子碳纳米管阵列上选定一宽度与该螺旋形带状子碳纳米管阵列宽度相同的碳纳米管片段，或在上述被加工成的多个具有固定轴长度的圆筒形子碳纳米管阵列的其中之一个中选定一宽度与该加工后的圆筒形子碳纳米管阵列轴长度相同的碳纳米管片段，从而在拉伸过程中拉伸获得一具有固定宽度的碳纳米管膜和具有固定直径的碳纳米管线，可见，本实施例中，可根据实际需要碳纳米管结构200的尺寸，将碳纳米管阵列220分割成具有预定尺寸的子碳纳米管阵列，从该具有预定尺寸的子碳纳米管阵列中拉伸出所述实际需求尺寸的碳纳米管结构200。

由于本发明的基底包括柱面，用于生长碳纳米管阵列，其具有较大的表面积，与平面基底比较，在相同的反应炉中，可充分利用反应炉内的空间，生长出较大尺寸的碳纳米管阵列，从而使从该碳纳米管阵列中拉取获得的碳纳米管膜具有较大的面积，尤其轴向全尺寸拉取膜时可以获得较大的具有固定尺寸的膜，可以用于制备大尺寸的产品，而拉取获得的碳纳米管线具有较大的直径或长度。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种碳纳米管结构的制备方法，其包括以下步骤：

提供一筒状碳纳米管阵列；

在该筒状碳纳米管阵列的表面形成一凹槽，该凹槽沿所述筒状碳纳米管阵列的轴向螺旋延伸，所述凹槽处的碳纳米管阵列的高度为1微米～100微米，所述凹槽将筒状碳纳米管阵列分割成多个子碳纳米管阵列；

采用一拉伸工具从该子碳纳米管阵列中选定一宽度与该子碳纳米管阵列的宽度相同的碳纳米管片段；以及

使所述拉伸工具沿筒状碳纳米管阵列的径向方向向远离筒状碳纳米管阵列的方向移动。

2.如权利要求1所述的碳纳米管结构的制备方法，其特征在于，在所述碳纳米管结构与所述筒状碳纳米管阵列的连接处，所述筒状碳纳米管阵列的切面与所述碳纳米管结构成一角度，该角度大于等于0度，且小于等于60度。

3.如权利要求1所述的碳纳米管结构的制备方法，其特征在于，所述筒状碳纳米管阵列包括多个相互平行的碳纳米管，且该多个碳纳米管垂直于所述筒状碳纳米管阵列的轴向。

4.如权利要求1所述的碳纳米管结构的制备方法，其特征在于，所述筒状碳纳米管阵列的制备方法包括以下步骤：

提供一基底，所述基底包括至少一柱面；

在所述基底的至少一柱面上均匀形成一催化剂层；以及

采用化学气相沉积法在该基底的至少一柱面上形成一筒状碳纳米管阵列。

5.如权利要求4所述的碳纳米管结构的制备方法，其特征在于，该基底为一实心柱体或筒状体，该实心柱体或筒状体的外周面形成所述柱面。

6.如权利要求5所述的碳纳米管结构的制备方法，其特征在于，该筒状体具有一平行于筒状体轴向的开口，所述选定的碳纳米管片段位于该筒状体的开口的边缘处。

7.如权利要求4所述的碳纳米管结构的制备方法，其特征在于，使所述拉伸工具移动的过程中，所述基底原位旋转以补偿所述筒状碳纳米管阵列中碳纳米管的消耗。

8.如权利要求1所述的碳纳米管结构的制备方法，其特征在于，采用激光刻蚀法在所述筒状碳纳米管阵列的表面形成所述凹槽。

9.一种碳纳米管结构的制备方法，其包括以下步骤：

提供一筒状碳纳米管阵列，该筒状碳纳米管阵列包括多个相互平行的碳纳米管，且该多个碳纳米管垂直于所述筒状碳纳米管阵列的轴向；

在该筒状碳纳米管阵列的表面形成至少一凹槽，该至少一凹槽处的碳纳米管阵列的高度为1微米～100微米，该至少一凹槽将所述筒状碳纳米管阵列分割成多个子碳纳米管阵列；

采用一拉伸工具从所述多个子碳纳米管阵列中选定一宽度与该子碳纳米管阵列的宽度相同的碳纳米管片段；以及

使所述拉伸工具沿筒状碳纳米管阵列的径向方向向远离筒状碳纳米管阵列的方向移动。

10.如权利要求9所述的碳纳米管结构的制备方法，其特征在于，在所述筒状碳纳米管阵列的表面刻蚀两条以上由所述凹槽构成的相互间隔且平行排列的螺旋线，该螺旋线是沿所述筒状碳纳米管阵列的轴向延伸。