CN101964229B - 碳纳米管绞线及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳纳米管绞线的制备方法，其包括以下步骤：提供至少一碳纳米管膜，该碳纳米管膜包括多个通过范德华力首尾相连的碳纳米管，该多个碳纳米管的轴向基本沿同一方向延伸；沿碳纳米管的轴向施加两个相反外力作用于该至少一碳纳米管膜，使该至少一碳纳米管膜中至少部分的碳纳米管在该外力拉力的作用下沿碳纳米管轴向绷直；以及扭转该至少一碳纳米管膜，获得一碳纳米管绞线。本发明还涉及一碳纳米管绞线。

Description

碳纳米管绞线及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种绞线及其制备方法，尤其涉及一种基于碳纳米管的绞线及其制备方法。

背景技术

碳纳米管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。碳纳米管应用领域非常广阔，例如，它可用于制作场效应晶体管、原子力显微镜针尖、场发射电子枪、纳米模板等等。但是，目前基本上都是在微观尺度下应用碳纳米管，操作较困难。所以，将碳纳米管组装成宏观尺度的结构对于碳纳米管的宏观应用具有重要意义。

Baughman等人在2008年7月17日公开的美国第US20080170982号公开专利中揭露了一种碳纳米管绞线的制备方法，如该专利的图2所示，其以扭转拉伸的方式从碳纳米管阵列中边扭转边拉取，从而获得一碳纳米管绞线。该碳纳米管绞线中，碳纳米管绕绞线的轴向螺旋排列。

然而，以扭转拉取的方式形成碳纳米管绞线的过程中，由于碳纳米管阵列对该碳纳米管绞线提供的拉力有限，该绞线内部的碳纳米管间仍然具有较大间隙，从而使该碳纳米管绞线的密度较低，拉伸应力(tensile stress)仍需进一步提高。

发明内容

有鉴于此，确有必要提供一种具有较高密度及拉伸应力的碳纳米管绞线及其制备方法。

一种碳纳米管绞线的制备方法，其包括以下步骤：提供至少一碳纳米管膜，该碳纳米管膜包括多个通过范德华力首尾相连的碳纳米管，该多个碳纳米管的轴向基本沿同一方向延伸；沿碳纳米管的轴向施加两个相反外力作用于该至少一碳纳米管膜，使该至少一碳纳米管膜中至少部分的碳纳米管在该外力拉力的作用下沿碳纳米管轴向绷直；以及扭转该至少一碳纳米管膜，获得一碳纳米管绞线。

一种碳纳米管绞线的制备方法，其包括以下步骤：提供至少一碳纳米管阵列；采用至少一拉伸工具分别从该至少一碳纳米管阵列中拉取获得至少一碳纳米管膜，所述拉伸工具与该碳纳米管膜的一端固定，该碳纳米管膜的另一端与所述碳纳米管阵列相连接，该碳纳米管膜中的碳纳米管的轴向基本沿拉伸方向延伸；提供至少一支撑体；将该拉取获得的碳纳米管膜通过该至少一支撑体支撑；通过所述拉伸工具与至少一支撑体对该碳纳米管膜施加两个方向相反且平行于该碳纳米管膜中碳纳米管的轴向的拉力，使该至少一碳纳米管膜中至少部分碳纳米管在该拉力的作用下沿碳纳米管轴向绷直；以及扭转所述碳纳米管膜，形成一碳纳米管绞线。

一种碳纳米管绞线，其包括：多个通过范德华力首尾相连的碳纳米管，该多个碳纳米管绕该碳纳米管绞线的轴向螺旋状旋转排列，其中，该碳纳米管绞线的力学拉伸应力大于1200Mpa。

与现有技术比较，所述的碳纳米管绞线及其制备方法通过先对从碳纳米管阵列中拉取获得的碳纳米管膜施加力的作用，然后扭转碳纳米管膜形成碳纳米管绞线，其中，所施加的力可使该碳纳米管膜中的碳纳米管绷直。当该碳纳米管绷直后，相邻的碳纳米管之间的间隙减小，从而使形成的碳纳米管绞线具有更高的密度及拉伸应力。

附图说明

图1是本发明第一实施例碳纳米管绞线的制备方法的流程图。

图2是本发明第一实施例碳纳米管绞线的制备方法的过程示意图。

图3是形成本发明第一实施例碳纳米管绞线的碳纳米管膜的扫描电镜照片。

图4是图3的碳纳米管膜中碳纳米管片段的结构示意图。

图5是本发明第二实施例碳纳米管绞线的制备方法的流程图。

图6是本发明第二实施例碳纳米管绞线的制备方法的过程示意图。

图7是本发明第二实施例同时拉取多个碳纳米管阵列制备碳纳米管绞线的过程示意图。

图8是本发明第二实施例有机溶剂处理的过程示意图。

图9是本发明第三实施例碳纳米管绞线的制备方法的流程图。

图10是本发明第三实施例碳纳米管绞线的制备方法的过程示意图。

图11是本发明第四实施例碳纳米管绞线的制备方法的流程图。

图12是本发明第四实施例碳纳米管绞线的制备方法的俯视示意图。

图13是本发明实施例碳纳米管绞线的扫描电镜照片。

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绞线的结构及其制备方法。

请参阅图1及图2，本发明第一实施例中碳纳米管绞线10的制备方法主要包括以下步骤：

步骤一：提供至少一碳纳米管膜100。

该碳纳米管膜100包括多个碳纳米管基本相互平行且该多个碳纳米管的轴向基本沿该碳纳米管膜100的长度方向延伸。请参阅图3，所述碳纳米管膜包括多个平行于碳纳米管膜100表面，且基本沿同一方向择优取向排列的碳纳米管。所述碳纳米管通过范德华力首尾相连。具体地，请参阅图4，每一碳纳米管膜100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。在该碳纳米管膜中，相邻且并排的碳纳米管之间具有间隙。由于该碳纳米管膜100中的多个碳纳米管通过范德华力首尾相连，所述碳纳米管膜100为一自支撑结构。所谓自支撑结构即该碳纳米管膜100无需通过支撑体支撑，也能保持自身特定的形状。

所述碳纳米管膜100的制备方法可包括以下步骤：

首先，提供一碳纳米管阵列形成于一生长基底。

该碳纳米管阵列的制备方法可采用化学气相沉积法、石墨电极恒流电弧放电沉积法或激光蒸发沉积法等。该碳纳米管阵列为多个彼此平行且垂直于生长基底生长的碳纳米管形成的纯碳纳米管阵列。通过上述控制生长条件，该定向排列的碳纳米管阵列中基本不含有杂质，如无定型碳或残留的催化剂金属颗粒等。本发明实施例提供的碳纳米管阵列为单壁碳纳米管阵列、双壁碳纳米管阵列及多壁碳纳米管阵列中的一种。所述碳纳米管的直径为1～50纳米，长度为50纳米～5毫米。本实施例中，碳纳米管的长度优选为100～900微米。

其次，采用一拉伸工具从碳纳米管阵列中拉取碳纳米管获得至少一碳纳米管膜100，其具体包括以下步骤：(a)从所述超顺排碳纳米管阵列中选定一个或具有一定宽度的多个碳纳米管，本实施例优选为采用具有一定宽度的胶带、镊子或夹子接触碳纳米管阵列以选定一个或具有一定宽度的多个碳纳米管；(b)以一定速度拉伸该选定的碳纳米管，从而形成首尾相连的多个碳纳米管片段，进而形成一连续的碳纳米管膜100。该拉取方向沿基本垂直于碳纳米管阵列的生长方向。

在上述拉伸过程中，该多个碳纳米管片段在拉力作用下沿拉伸方向逐渐脱离生长基底的同时，由于范德华力作用，该选定的多个碳纳米管片段分别与其它碳纳米管片段首尾相连地连续地被拉出，从而形成一连续、均匀且具有一定宽度的碳纳米管膜100。该碳纳米管膜100包括多个首尾相连的碳纳米管，该碳纳米管基本沿拉伸方向择优取向排列。

该碳纳米管膜100的宽度与碳纳米管阵列的尺寸以及步骤(a)中选定的多个碳纳米管的宽度有关，该碳纳米管膜100的长度不限，可根据实际需求制得。当该碳纳米管阵列的面积为4英寸时，该碳纳米管膜100的宽度为0.5纳米～10厘米。该碳纳米管膜100的厚度为0.5纳米～100微米。

可以理解，在该碳纳米管膜100从所述碳纳米管阵列中拉出的过程中，所述碳纳米管阵列面积不断减小，所述碳纳米管阵列中的碳纳米管不断被从碳纳米管阵列中首尾相连的拉出从而形成所述碳纳米管膜100，该碳纳米管膜100一端与所述拉伸工具相连，一端与所述碳纳米管阵列相连。当碳纳米管阵列中的所有碳纳米管全部被从生长基底上拉取完毕，或该碳纳米管阵列无法为该碳纳米管膜100提供足够的范德华力作用时，该碳纳米管膜100从该碳纳米管阵列中分离。可以理解，在上述拉取过程中，可通过一外加的截断步骤，将该碳纳米管膜100与碳纳米管阵列分离。该阶段步骤可包括采用一激光切割或一机械剪切的方式，切断该碳纳米管膜100，从而使该碳纳米管膜100与该碳纳米管阵列分离。

所述步骤一可进一步包括将所述多个碳纳米管膜100沿相同方向层叠设置。当将多个碳纳米管膜100层叠设置时，该多个碳纳米管膜100中碳纳米管的轴向均沿同一方向延伸。由于该碳纳米管膜100具有较大的比表面积，因此该碳纳米管膜100具有较大粘性。因此一旦该多个碳纳米管膜100相互接触，由于范德华力的作用，该多个碳纳米管膜100相互结合形成一稳定整体。该多个层叠的碳纳米管膜100能够承受更大的拉力。

步骤二：提供两固定装置120，以所述两固定装置分别夹持该至少一碳纳米管膜100沿长度方向的两端。

该固定装置120可以与所述拉伸工具具有相同的结构，本实施例优选为采用具有一定宽度的胶带、镊子或夹子。该固定装置120与所述碳纳米管膜100沿长度方向的两端固定。

步骤三：通过该两固定装置120在该碳纳米管膜100的两端沿平行于该碳纳米管膜100的长度方向施加两个方向相反大小相等的拉力。

具体地，该两固定装置120沿相背的方向拉伸该碳纳米管膜100。由于该碳纳米管膜100中的碳纳米管的轴向基本沿该碳纳米管膜的长度方向延伸，该碳纳米管膜100中的碳纳米管受到沿轴向的两个相反的拉力，从而使该碳纳米管膜100中的至少大部分碳纳米管在该拉力的作用下沿轴向绷直，从而使相邻的碳纳米管间的间隙减小，并使该碳纳米管的顺排程度提高。该拉力的大小与该碳纳米管膜100的宽度有关。优选地，该拉力F与该碳纳米管膜的宽度L之比应满足0.005牛/厘米＜F/L＜0.02牛/厘米。

步骤四：扭转所述碳纳米管膜100，形成一碳纳米管绞线10。

该两固定装置120沿相反的方向相对转动，从而扭转该碳纳米管膜100。该转动所在的面与所述碳纳米管膜100的长度方向垂直。可以理解，可保持其中一固定装置120固定不动，只由另一固定装置120转动；也可同时使该两固定装置120沿相反的方向转动。具体地，该固定装置120可固定于旋转电机上，从而实现连续转动。该转动的圈数与碳纳米管膜100的长度相关。本实施例中，当该碳纳米管膜100的长度为1米时，该碳纳米管膜100被扭转1000圈～1500圈。

可以理解，在扭转的过程中，该两固定装置120仍需对该碳纳米管膜100施加所述两个相反的拉力，从而使该碳纳米管膜100中的碳纳米管在绷直的情况下扭转。该先拉取后扭转形成的碳纳米管绞线10与边扭转边拉取形成的碳纳米管绞线相比，由于其两端均由固定装置120通过机械力固定，该固定装置120对该碳纳米管膜100能够提供较大的拉力，从而使该碳纳米管膜100中的碳纳米管绷直。与之相比，当拉取碳纳米管膜100的同时进行扭转时，该碳纳米管膜100与碳纳米管阵列相连的一端只能通过范德华力的作用连接，该碳纳米管阵列无法为该碳纳米管膜100提供足够的拉力的作用，因此无法使该碳纳米管膜100中的碳纳米管绷直。当该碳纳米管绷直后，相邻的碳纳米管之间的间隙减小，从而使形成的碳纳米管绞线10具有更高的密度及拉伸应力。

可以理解，本实施例碳纳米管绞线10的制备方法可进一步包括一截断步骤，使该碳纳米管绞线10的两端与该固定装置120分离。

本实施例碳纳米管绞线10的制备方法可进一步包括一通过挥发性有机溶剂处理该碳纳米管绞线10的步骤，从而使该碳纳米管绞线10具有更小的直径。该采用挥发性有机溶剂处理的步骤可在形成所述碳纳米管绞线10之后进行。具体地，可将有机溶剂浸润所述碳纳米管绞线10的整个表面，在挥发性有机溶剂挥发时产生的表面张力的作用下，碳纳米管绞线10中的相互平行的多个碳纳米管通过范德华力紧密结合，使相邻的碳纳米管之间的间隙进一步减小，从而使碳纳米管绞线10的直径收缩，比表面积减小，粘性降低。

该采用挥发性有机溶剂处理的步骤也可于步骤三与步骤四之间进行，或着先于步骤三进行，即，采用挥发性有机溶剂处理被施加力的碳纳米管膜100，从而使所述碳纳米管膜100中相邻的碳纳米管之间的间隙减小，进而使扭转后得到的碳纳米管绞线10的直径减小，比表面积减小，粘性降低。

请参阅图5及图6，本发明第二实施例提供一种碳纳米管绞线20的制备方法，其主要包括以下步骤：

步骤一：提供至少一碳纳米管阵列210，采用至少一拉伸工具220分别从该至少一碳纳米管阵列210中拉取获得至少一碳纳米管膜230。该第二实施例的步骤一与上述第一实施例的步骤一基本相同，其区别在于，该碳纳米管膜230仍处于拉取阶段，并未与碳纳米管阵列210脱离，该碳纳米管膜230的一端与该碳纳米管阵列210通过范德华力相连，另一端通过所述拉伸工具220夹持固定。该碳纳米管膜中的碳纳米管的轴向基本沿拉伸方向延伸。

步骤二：提供至少一支撑轴240，将上述至少一碳纳米管膜230与该至少一支撑轴240接触，并通过至少一支撑轴240支撑。

该支撑轴240作为一支撑体对该碳纳米管膜230提供一支撑力。具体地，该支撑轴240为一具有较为光滑表面的圆柱体，该支撑轴240的宽度大于或等于该碳纳米管膜230的宽度，从而使该碳纳米管膜230在通过该支撑轴240时宽度不变且均能够通过该支撑轴240支撑。该至少一支撑轴240为所述碳纳米管膜230提供一垂直于所述碳纳米管膜230表面的支撑力。具体地，当该碳纳米管膜230从该支撑轴240上部通过该支撑轴240时，该支撑轴240的位置应高于该碳纳米管阵列210，当该碳纳米管膜230从该支撑轴240下部通过该支撑轴时，该支撑轴240的位置应低于该碳纳米管阵列210。优选地，该支撑轴240的轴向与该碳纳米管阵列210的表面平行，且与该碳纳米管膜230的拉取方向垂直。

可以理解，该支撑轴240的数量不限。当该支撑轴240为多个时，优选地，该多个支撑轴的高度可交替变化，从而为该碳纳米管膜230提供支撑力的作用。

可以理解，与第一实施例的碳纳米管绞线10的制备方法相似地，该第二实施例中，可进一步包括沿相同方向重叠多个所述碳纳米管膜230的步骤。

请参阅图7，该步骤可与上述拉取碳纳米管膜的步骤同时进行，具体为：将多个仍处于拉取过程中且与碳纳米管阵列210相连的碳纳米管膜230通过共同的支撑轴240表面，从而使该多个碳纳米管膜230在该支撑轴240表面上重叠。可以理解，多层重叠的碳纳米管膜230能够承受更大的拉力，在通过支撑轴240以及下述的扭转过程中不易被破坏。

步骤三，以所述拉伸工具220与该至少一支撑轴240共同作用，为该碳纳米管膜230施加两个方向相反且平行于碳纳米管膜的拉伸方向的拉力。

由于该支撑轴240为该碳纳米管膜230提供一支撑力，因此该碳纳米管膜230在拉伸工具220的作用下受到一沿拉伸工具220移动方向的拉力，以及与该拉力相背的由该支撑轴240提供的拉力。该支撑轴240提供的拉力与支撑力成正比。由于该支撑轴240自身不发生滚动，故由支撑轴240提供的拉力的最大值为该支撑轴240对该碳纳米管膜230产生的滑动摩擦力。该滑动摩擦力与该支撑轴240对该碳纳米管膜230提供的支撑力成正比。当该支撑轴240的数量越多，该碳纳米管膜230通过该支撑轴240改变的方向与原方向的角度越大，该支撑轴240能为该碳纳米管膜230提供的拉力越大。由于该碳纳米管膜230与该碳纳米管阵列210通过范德华力连接，其结合力较弱，故至少与碳纳米管阵列210距离最近的支撑轴240与该碳纳米管阵列表面所呈角度a应小于30°，即最初拉取的碳纳米管膜230与碳纳米管阵列210所呈角度a＜30°。可以理解，即使该碳纳米管膜230只通过一个支撑轴240，该支撑轴240为该碳纳米管膜230提供的最大拉力仍大于该碳纳米管阵列210能够为该碳纳米管膜230提供的最大范德华力，从而使该碳纳米管膜230中的大部分碳纳米管能够在该支撑轴240与该拉伸工具220的拉力的共同作用下绷直，从而使相邻的碳纳米管间的间隙减小，并使该碳纳米管的顺排程度提高。该支撑轴240施加于碳纳米管膜的拉力不能过大或过小，其大小与该碳纳米管膜230的宽度有关。优选地，该拉力F与该碳纳米管膜230的宽度L之比应满足0.005牛/厘米＜F/L＜0.02牛/厘米，使该碳纳米管膜230中的碳纳米管绷直而不致使该碳纳米管膜230被破坏。该拉伸工具220施加于碳纳米管膜的拉力可等于该支撑轴240施加于碳纳米管膜的拉力，此时该碳纳米管膜230静止。该拉伸工具220施加于碳纳米管膜的拉力也可大于该支撑轴240施加于该碳纳米管膜的拉力以及所述碳纳米管阵列与该碳纳米管膜之间的范德华力的合力，此时该碳纳米管膜230被拉伸工具220拉动，具体地，该拉伸工具220可继续拉取该碳纳米管膜230。

该支持轴240与碳纳米管膜230之间的摩擦力不应太大，以使碳纳米管膜230能够在该拉伸工具220施加的拉力的作用下在该支撑轴240表面滑动，避免该碳纳米管膜230在该拉力的作用下破坏。

步骤四：扭转所述碳纳米管膜230，并形成一碳纳米管绞线20。

该拉伸工具220不断转动，该转动所在的面与所述碳纳米管膜230的长度方向垂直。具体地，该拉伸工具220可固定于旋转电机上，从而实现连续转动。可以理解，在扭转的过程中，该拉伸工具220仍需对该碳纳米管膜230施加所述拉力，即该拉伸工具220继续拉取该碳纳米管膜230，使该碳纳米管膜230中的碳纳米管在绷直的状态发生扭转。进一步地，可通过拉伸工具220施加拉力，使该碳纳米管膜230继续从所述碳纳米管阵列210中不断被拉出。具体地，在该拉伸工具220的作用下，所述碳纳米管膜230扭转的同时，所述碳纳米管阵列中的碳纳米管继续从所述碳纳米管阵列中不断被拉出，使碳纳米管膜230长度延长。本实施例的碳纳米管绞线20的制备方法可实现碳纳米管绞线20的连续生产。

可以理解，当多个碳纳米管膜230同时从多个碳纳米管阵列210中拉取并同时通过同一个支撑轴240时，该步骤四中，通过拉伸工具220的不断转动，该多个相互层叠的碳纳米管膜230被整体扭转，并形成一具有较大直径及较高拉伸应力的碳纳米管绞线20。

与上述第一实施例相似地，本实施例可进一步包括一采用有机溶剂处理该碳纳米管绞线20或形成该碳纳米管绞线20的碳纳米管膜230的步骤。具体地，可在碳纳米管绷直的状态下通过挥发性有机溶剂处理该碳纳米管膜230，或在碳纳米管绷直前通过挥发性有机溶剂处理该碳纳米管膜230。

请参阅图8，可在该碳纳米管膜230的上方通过一底端开口的容器(图未示)垂下一水帘260。该水帘260由挥发性有机溶剂形成。当该碳纳米管膜230不断的通过该水帘260，该挥发性有机溶剂浸润该碳纳米管膜230的表面。该水帘260可设置于该碳纳米管阵列210与最相邻的支撑轴240之间，或设置于该支撑轴240与所述拉伸工具220之间。另外，可在该碳纳米管绞线20的下方设置一水盆250。该水盆250中盛有挥发性有机溶剂。该碳纳米管绞线20绕过一位于该水盆250中的支撑轴240，从而不断被该水盆250中的有机溶剂浸润。

请参阅图9及图10，本发明第三实施例提供一种碳纳米管绞线30的制备方法，其主要包括以下步骤：

步骤一：提供至少一碳纳米管阵列310，采用至少一拉伸工具320分别从该碳纳米管阵列310中拉取获得至少一碳纳米管膜330。该第三实施例的步骤一与上述第二实施例的步骤一基本相同。

步骤二：提供至少一夹持装置340，以该夹持装置340夹持所述碳纳米管膜330。

该夹持装置340可作为一支撑体对该碳纳米管膜330提供一作用力。具体地，该夹持装置340的宽度大于或等于该碳纳米管膜330的宽度。本实施例中，该夹持装置340为两个相贴合的圆柱体。该碳纳米管膜330通过该两圆柱体之间，并保持宽度不变且均能够通过该夹持装置340夹持。该夹持装置340为所述碳纳米管膜330提供一垂直于所述碳纳米管膜330表面的压力。该两圆柱体之间应具有一相互作用力。

可以理解，该夹持装置340的数量不限。当该夹持装置340为多个时，该多个夹持装置340可位于同一高度，且与该碳纳米管阵列的表面处于同一平面。此时，该碳纳米管膜330通过该夹持装置340而拉伸方向不变。

可以理解，与第二实施例的碳纳米管绞线20的制备方法相似地，该第三实施例中，可进一步包括将多个从处于拉取过程中且分别与不同碳纳米管阵列310相连的碳纳米管膜330通过共同的夹持装置340，从而使该多个碳纳米管膜330在该夹持装置340中层叠的步骤。可以理解，多层层叠的碳纳米管膜330具有较大的拉伸应力，在通过夹持装置340以及下述的扭转过程中不易被破坏。

步骤三，以所述拉伸工具320与该至少一夹持装置340共同作用，为该碳纳米管膜330施加两个方向相反且平行于碳纳米管膜的拉伸方向的拉力。

由于该夹持装置340为该碳纳米管膜330提供一压力，因此该碳纳米管膜330在拉伸工具320的作用下受到一沿拉伸工具320移动方向的拉力，以及与该拉力相背的由该夹持装置340提供的拉力。该夹持装置340提供的拉力与压力成正比。由于该夹持装置340自身固定，故由夹持装置340提供的拉力的最大值为该夹持装置340对该碳纳米管膜230产生的滑动摩擦力。该滑动摩擦力与该夹持装置340对该碳纳米管膜230提供的压力成正比。当该夹持装置340的数量越多，该支撑轴340能为该碳纳米管膜330提供的拉力越大。可以理解，即使该碳纳米管膜330只通过一个夹持装置340夹持，该夹持装置340为该碳纳米管膜330提供的最大拉力仍大于该碳纳米管阵列310能够为该碳纳米管膜330提供的最大范德华力，从而使该碳纳米管膜330中的大部分碳纳米管能够在该夹持装置340与该拉伸工具320的拉力的共同作用下绷直，从而使相邻的碳纳米管间的间隙减小，并使该碳纳米管的顺排程度提高。该夹持装置340施加于碳纳米管膜的拉力不能过大或过小，其大小与该碳纳米管膜330的宽度有关。优选地，该拉力F与该碳纳米管膜330的宽度L之比应满足0.005牛/厘米＜F/L＜0.02牛/厘米，使该碳纳米管膜330中的碳纳米管绷直而不致使该碳纳米管膜330被破坏。

另外，夹持装置340与碳纳米管膜330之间的摩擦力不应太大，以使碳纳米管膜330能够在拉伸工具320的拉力的作用下在该夹持装置340表面滑动，避免该碳纳米管膜330在该拉力的作用下被破坏。

步骤四：扭转所述碳纳米管膜330，并形成一碳纳米管绞线30。

本实施例步骤四与上述第二实施例步骤四基本相同。当本实施例步骤二包括从多个碳纳米管阵列310同时拉取多个碳纳米管膜330，并同时通过同一个夹持装置340，形成碳纳米管结构时，该步骤四中，通过拉伸工具320的不断转动，该碳纳米管结构被整体扭转，并形成一具有较大直径及较高拉伸应力的碳纳米管绞线30。另外，本实施例可进一步包括一与第二实施例相似的采用有机溶剂处理该碳纳米管绞线30或形成该碳纳米管绞线30的碳纳米管膜330的步骤。

请参阅图11及图12，本发明第四实施例提供一种碳纳米管绞线40的制备方法，其主要包括以下步骤：

步骤一：提供至少一碳纳米管阵列410，采用至少一拉伸工具分别从该碳纳米管阵列410中拉取获得至少一碳纳米管膜430。该第四实施例的步骤一与上述第二实施例的步骤一基本相同。

步骤二：提供至少一汇聚装置440，将上述至少一碳纳米管膜430与该至少一汇聚装置440接触，并通过该至少一汇聚装置440支撑并汇聚所述碳纳米管膜430。该汇聚装置440为所述碳纳米管膜430提供一垂直于所述碳纳米管膜430表面的支撑力。该汇聚装置440使该碳纳米管膜430的宽度减小。具体地，该汇聚装置440可以为一钩子或一圆环，其具有一较小的曲率半径。该碳纳米管膜430通过该钩子或穿过该圆环。该汇聚装置440的设置方式与第二实施例支撑轴240的设置方式相似，从而为该碳纳米管膜430提供一支撑力。可以理解，该汇聚装置440的数量不限。

可以理解，与第二实施例的碳纳米管绞线20的制备方法相似地，该第四实施例中，可进一步包括将多个从处于拉取过程中且分别与不同碳纳米管阵列410相连的碳纳米管膜430通过共同的汇聚装置440，从而使该多个碳纳米管膜430在该汇聚装置440中重叠并汇聚的步骤。

步骤三，以所述拉伸工具与该汇聚装置440共同作用，为该碳纳米管膜430施加两个方向相反且平行于该碳纳米管膜430的拉伸方向的拉力。

具体地，该拉伸工具可继续拉取该碳纳米管膜430。与第二实施例步骤三相似地，该碳纳米管膜430中的碳纳米管能够在该汇聚装置440与该拉伸工具的共同作用下绷直，从而使相邻的碳纳米管间的间隙减小，并使该碳纳米管的顺排程度提高。该汇聚装置440施加的拉力的大小与该碳纳米管膜430的宽度有关。优选地，该汇聚装置440施加的拉力F与该碳纳米管膜430的宽度L之比应满足0.005牛/厘米＜F/L＜0.02牛/厘米。

步骤四：扭转所述碳纳米管膜430，并形成一碳纳米管绞线40。

本实施例步骤四与上述第二实施例步骤四基本相同。另外，如图12所示，可进一步包括：首先，提供一绞线装置450以及一绕线装置455，该绞线装置450与绕线装置455同轴设置且均可沿该轴旋转；将碳纳米管膜430与所述拉伸工具连接的一端从该拉伸工具上取下，并穿过该绞线装置450与该绕线装置455相连接；其次，使该绞线装置450与该绕线装置455以相同的速度同向旋转；再次，使该绕线装置455的旋转速度大于或小于该绞线装置450。该绞线装置450可带动穿过该绞线装置450中的碳纳米管膜430转动。该绕线装置455可通过自身转动将该碳纳米管绞线40卷绕于该绕线装置455上。该绞线装置450与该绕线装置455的转轴与该碳纳米管绞线40同轴。当该绞线装置450旋转时，该碳纳米管膜4305被扭转，从而形成所述碳纳米管绞线40。当该绕线装置455的以大于或小于该绞线装置450的旋转速度旋转时，该碳纳米管绞线40在扭转的同时发生进动，使该碳纳米管膜430继续从所述碳纳米管阵列410中不断被拉出，连续的形成碳纳米管绞线40，并缠绕在该绕线装置455上。可以理解，该绞线装置450与绕线装置455由电机驱动，其转速均可调节，使该碳纳米管绞线40的绞距随之得到调节。具体地，可调节该绞线装置450与绕线装置455的转速，使该碳纳米管绞线40的绞距大于1毫米/圈。该碳纳米管绞线40的绞距越大，该碳纳米管绞线40的拉伸应力越大。可以理解，上述通过绞线装置450与绕线装置455扭转所述碳纳米管膜430的方式同样可以附加于上述第二及第三实施例的扭转碳纳米管膜230，330，形成碳纳米管绞线20，30的步骤四中。

当本实施例步骤二包括从多个碳纳米管阵列410同时拉取多个碳纳米管膜430，并同时通过同一个汇聚装置440，形成碳纳米管结构时，该步骤四中，通过绞线装置450与绕线装置455的不断转动，该碳纳米管膜被整体扭转，并形成一具有较大直径及较高拉伸应力的碳纳米管绞线40。另外，本实施例可进一步包括一与第二实施例相似的采用有机溶剂处理该碳纳米管绞线40或形成该碳纳米管绞线40的碳纳米管膜430的步骤。

可以理解，本发明并不限于上述方法获得碳纳米管绞线，只要能在扭转碳纳米管膜之前在该碳纳米管膜上施加一沿碳纳米管膜长度方向的拉力，使所述碳纳米管膜中的碳纳米管绷直，进而形成绞线的方法都在本发明的保护范围之内。

请参阅图13，本发明实施例提供一种碳纳米管绞线，该绞线由碳纳米管构成。具体地，该碳纳米管绞线包括多个碳纳米管，该多个碳纳米管通过范德华力首尾相连，且该多个碳纳米管连续地绕该碳纳米管绞线的轴向螺旋状旋转排列。该碳纳米管绞线的直径可以为4.5纳米～100微米。

经实验测试可知，当所述碳纳米管结构由一碳纳米管膜形成时，该碳纳米管绞线的电阻率则为1×10^-5Ω·m～2×10^-5Ω·m。本实施例中，该碳纳米管绞线由一碳纳米管膜扭转形成，该碳纳米管绞线电阻率为1.91×10^-5Ω·m。与边从碳纳米管阵列中拉取边扭转获得的碳纳米管绞线相比，本发明实施例的碳纳米管绞线具有较大的密度，该碳纳米管绞线的截面积减小20％～40％。由于密度的增大，该碳纳米管绞线的电阻率减小50％，且该碳纳米管绞线的最大承重提高20％～50％，力学拉伸应力提高60％～120％。具体地，该碳纳米管绞线的力学拉伸应力大于1200Mpa。本实施例中，该碳纳米管绞线的直径为10微米，力学拉伸应力为1.5GPa。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (15)

1.一种碳纳米管绞线的制备方法，其包括以下步骤：

提供至少一碳纳米管膜，该碳纳米管膜包括多个通过范德华力首尾相连的碳纳米管，该多个碳纳米管的轴向基本沿同一方向延伸；

沿碳纳米管的轴向施加两个相反外力作用于该至少一碳纳米管膜，使该至少一碳纳米管膜中至少部分碳纳米管在该外力的作用下沿碳纳米管轴向绷直；以及

扭转该至少一碳纳米管膜，获得一碳纳米管绞线。

2.如权利要求1所述的碳纳米管绞线的制备方法，其特征在于，所述外力F与碳纳米管膜的宽度L之比满足0.005牛/厘米＜F/L＜0.02牛/厘米。

3.如权利要求1所述的碳纳米管绞线的制备方法，其特征在于，施加外力前进一步包括以下步骤：

将多个碳纳米管膜层叠设置，该层叠的碳纳米管膜中的碳纳米管的轴向均沿同一方向延伸。

4.如权利要求1所述的碳纳米管绞线的制备方法，其特征在于，所述施加两个相反外力作用于该至少一碳纳米管膜的方法进一步包括以下步骤：

提供两固定装置；

以所述两固定装置分别夹持该碳纳米管膜沿碳纳米管轴向的延伸方向的两端；以及

通过该两固定装置在该碳纳米管膜的两端沿平行碳纳米管轴向的方向施加两方向相反的力。

5.如权利要求4所述的碳纳米管绞线的制备方法，其特征在于，所述扭转进一步包括：

将所述两固定装置沿相反的方向相对转动。

6.一种碳纳米管绞线的制备方法，其包括以下步骤：

提供至少一碳纳米管阵列；

采用至少一拉伸工具分别从该至少一碳纳米管阵列中拉取获得至少一碳纳米管膜，所述拉伸工具与该碳纳米管膜的一端固定，该碳纳米管膜的另一端与所述碳纳米管阵列相连接，该碳纳米管膜中的碳纳米管的轴向基本沿拉伸方向延伸；

提供至少一支撑体；

将该拉取获得的碳纳米管膜通过该至少一支撑体支撑；

通过所述拉伸工具与至少一支撑体对该碳纳米管膜施加两个方向相反且平行于该碳纳米管膜中碳纳米管的轴向的拉力，使该至少一碳纳米管膜中至少部分碳纳米管在该拉力的作用下沿碳纳米管轴向绷直；以及

扭转所述碳纳米管膜，形成一碳纳米管绞线。

7.如权利要求6所述的碳纳米管绞线的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管膜扭转的同时所述碳纳米管阵列中的碳纳米管继续从所述碳纳米管阵列中不断被拉出，使碳纳米管膜长度延长。

8.如权利要求6所述的碳纳米管绞线的制备方法，其特征在于，所述支撑体为一夹持装置，所述碳纳米管膜通过至少一夹持装置夹持，该夹持装置为所述碳纳米管膜提供一垂直于所述碳纳米管膜表面的压力，以及与该压力成正比的所述拉力。

9.如权利要求6所述的碳纳米管绞线的制备方法，其特征在于，所述支撑体为一支撑轴，该支撑轴的宽度大于或等于该碳纳米管膜的宽度，该支撑轴为所述碳纳米管膜提供一垂直于所述碳纳米管膜表面的支撑力，以及与该支撑力成正比的所述拉力。

10.如权利要求6所述的碳纳米管绞线的制备方法，其特征在于，进一步包括通过挥发性有机溶剂处理该碳纳米管绞线，使该碳纳米管绞线收缩，获得一小直径碳纳米管绞线的步骤。

11.如权利要求6所述的碳纳米管绞线的制备方法，其特征在于，进一步包括在碳纳米管绷直的状态下通过挥发性有机溶剂处理该碳纳米管膜的步骤。

12.如权利要求6所述的碳纳米管绞线的制备方法，其特征在于，进一步包括在碳纳米管绷直前通过挥发性有机溶剂处理该碳纳米管膜的步骤。

13.如权利要求6所述的碳纳米管绞线的制备方法，其特征在于，所述扭转所述碳纳米管膜的方法包括以下步骤：

提供一绞线装置以及一同轴设置的绕线装置；

将所述碳纳米管膜与所述拉伸工具连接的一端从该拉伸工具取下，并穿过该绞线装置与该绕线装置相连接；

使该绞线装置以一定速度旋转，该绞线装置带动穿过该绞线装置的碳纳米管膜转动，从而形成所述碳纳米管绞线；

使该绕线装置以大于或小于该绞线装置的旋转速度旋转，从而使形成的所述碳纳米管绞线缠绕在该绕线装置上。

14.如权利要求6所述的碳纳米管绞线的制备方法，其特征在于，所述支撑体施加于碳纳米管膜的拉力F与碳纳米管膜的宽度L之比满足0.005牛/厘米＜F/L＜0.02牛/厘米。

15.一种通过如权利要求1所述的碳纳米管绞线的制备方法制备得到的碳纳米管绞线，其包括：

多个通过范德华力首尾相连的碳纳米管，该多个碳纳米管绕该碳纳米管绞线的轴向螺旋状旋转排列，

其特征在于，该碳纳米管绞线的力学拉伸应力大于1200Mpa。

Images