一种碳纳米管灯丝及其制备方法 【技术领域】
本发明属于碳纳米材料应用技术领域。
背景技术
近年来，基于碳纳米管的应用研究迅速开展，以碳纳米管为原料的平板显示器和超级电容器被认为是最能够得到实际应用的两项成果。这里本发明人给出另一种可以使碳纳米管得到很快应用的研究成果。碳纳米管具有很高的导电能力，对于单根碳纳米管，其载流能力可以达109A/cm2，为铜的1000倍。碳纳米管具有优越的光学性能，O′Connell，M.J.等人(O’Connell M.J.et al.，Science，2002，297：593-596)和Bachilo，S.M等人(Bachilo S.M.et al.，Science，2002，298：2361-2366)分别报道了碳纳米管在某一波长的激光激励下会发生荧光效应。清华大学的王鹏等人(Wang P.et al.，Applied Physics Letters，2003，82：1763-1765)当对一束长度为0.6mm粗细约为20微米的多壁碳纳米管束加一电流时，碳纳米管会发出偏振的白热光。
双壁碳纳米管是由两层石墨层片按照一定螺旋角卷曲而成的一维纳米结构，是最简单的多壁碳纳米管。由于双壁碳纳米管的直径和单壁碳纳米管接近，而且其层间距较大(在0.34～0.41nm之间)，所以，双壁碳纳米管的性能接近或优于单壁碳纳米管，本发明人的研究结果表明，双壁碳纳米管具有比单壁碳纳米管更低的电阻转变温度(Wei J.Q.et al.Carbon，2003，41：2495-2500)。由于单壁碳纳米管的制备工艺所限制，获得较大量的高纯度的宏观尺寸的单壁碳纳米管还比较困难，因而限制了它地应用研究。但是，由于碳纳米管的长度通常在数十微米量级，呈粉末态，这些碳纳米管粉末限制了其的应用。2003年6月9日，本发明人申请的发明专利“双壁碳纳米管的合成方法”(专利申请号：03143102.X)中公开了制备克量级的、具有宏观尺寸的双壁碳纳米管膜的方法。
将上述双壁碳纳米管膜用双氧水浸泡72小时，然后加入浓盐酸，经过蒸馏水清洗之后可以获得纯度为90wt％以上的双壁碳纳米管，而且双壁碳纳米管依然保持宏观膜状结构。这些技术使得本发明人可以很方便地对碳纳米管进行宏观操作，研究双壁碳纳米管的宏观性能，制备出实用的器件。
【发明内容】
本发明旨在开发碳纳米管的电学和光学方面的优异性能，从而推进碳纳米管的实用化进程，解决钨丝发光效率较低的问题。
本发明提供了一种碳纳米管灯丝，其特征在于：所述灯丝是由单壁或双壁碳纳米管制成的。
本发明还提供了上述碳纳米管灯丝的制备方法，包括单壁碳纳米管长丝或双壁碳纳米管膜的前序纯化处理步骤，其特征在于该方法还包括如下步骤：
1)将经纯化处理后的单壁碳纳米管长丝或双壁碳纳米管膜放入丙酮或者酒精溶液中充分浸润；
2)将所述单壁碳纳米管长丝或双壁碳纳米管膜从丙酮或者酒精溶液中取出，待丙酮或者酒精挥发后，双壁碳纳米管膜自然形成一束致密的碳纳米管长丝；
3)在外力的作用下使所述单壁或双壁碳纳米管长丝的粗细沿着长度方向均匀；
4)烘干所述单壁或双壁碳纳米管长丝，得到由单壁或双壁碳纳米管制成的灯丝。
本发明制备的碳纳米管灯丝具有阈值电压低，发光效率高，亮度比相同电压下的40W的安全灯泡高的优点。
【附图说明】
图1为含有双壁碳纳米管灯丝的灯泡在不同的温度下在可见光区的发光光谱图。图中曲线1为黑体辐射在1600K下计算出来的发光光谱；曲线2为双壁碳纳米管灯丝在1560K下的发光光谱；曲线3为双壁碳纳米管灯丝在1420K下的发光光谱；曲线4为双壁碳纳米管在1340K下的发光光谱；曲线5为黑体辐射在1350K下计算出来的发光光谱。
图2为含有单壁碳纳米管灯丝的灯泡在不同温度下在可见光区的发光光谱图。图中曲线1为黑体辐射在2000K下计算出来的发光光谱；曲线2为单壁碳纳米管灯丝在1900K下的发光光谱；曲线3为单壁碳纳米管灯丝在1800K下的发光光谱；曲线4为单壁碳纳米管在1700K下的发光光谱；曲线5为黑体辐射在1700K下计算出来的发光光谱。
图3为双壁碳纳米管灯丝(8.2Ω)，单壁碳纳米管灯丝(18.2Ω)和普通安全灯泡(钨丝，36V，40W)的亮度和电压的关系曲线图。图中曲线1表示双壁碳纳米管灯丝的亮度和电压的关系曲线；曲线2表示单壁碳纳米管灯丝的亮度和电压的关系曲线；曲线3表示钨丝的亮度和电压的关系曲线。
【具体实施方式】
下面结合附图来详细说明本发明。
本发明所述的双壁碳纳米管灯丝的制备工艺如下：将制备态的双壁碳纳米管膜用30％的双氧水浸泡24～72小时，然后加入37％的浓盐酸，以去除双壁碳纳米管膜上的非晶碳和金属催化剂颗粒，然后用蒸馏水清洗双壁碳纳米管膜直到洗液呈中性。经过双氧水和浓盐酸处理后的双壁碳纳米管的纯度可以达到90％以上，而且处理后双壁碳纳米管依然保持宏观膜状。然后将纯化处理后的双壁碳纳米管膜浸入丙酮中，使其充分浸润，1～10分钟后用镊子将双壁碳纳米管膜从丙酮溶液中取出。待丙酮挥发后，双壁碳纳米管膜形成一结构较为致密的长丝。用两个平面(如载波片等)将双壁碳纳米管长丝沿着直径方向挤压，使其粗细沿着长度方向尺寸均匀，烘干后便制成了双壁碳纳米管灯丝。
本发明所述的单壁碳纳米管灯丝的制备工艺如下：将制备态的单壁碳纳米管长丝用30％的双氧水浸泡24～72小时，然后加入37％的浓盐酸，以去除单壁碳纳米管长丝上的非晶碳和金属催化剂颗粒，然后用蒸馏水清洗单壁碳纳米管长丝直到洗液呈中性。经过双氧水和浓盐酸处理后的单壁碳纳米管长丝的纯度可以达到85％以上。然后将纯化处理后的单壁碳纳米管长丝浸入丙酮中，使其充分浸润，1～10分钟后用镊子将单壁碳纳米管长丝从丙酮溶液中取出。待丙酮挥发后，用两个平面(如载波片等)将单壁碳纳米管长丝沿着直径方向挤压，使其粗细沿着长度方向尺寸均匀，烘干后便制成了单壁碳纳米管灯丝。
使用酒精代替丙酮，同样可以实现本发明。
上述方法制备出来的单壁碳纳米管灯丝或双壁碳纳米管灯丝的长度为10mm以上，而且单壁碳纳米管灯丝或双壁碳纳米管灯丝具有一定的强度和韧性。将制备好的碳纳米管灯丝用厚度为0.05～0.15mm的纯镍箔夹持，制成电极连接，烘干后安装在灯泡内，抽真空至真空度高于10-5Pa，然后充入0.5大气压的氩气或者氮气和溴化氢气体混合物，在石英玻璃管中封装，便制备出了单壁碳纳米管灯泡或双壁碳纳米管灯泡。
对包含有单壁碳纳米管灯丝，双壁碳纳米管灯丝的灯泡进行测试表明：含有单壁碳纳米管灯丝的灯泡和含有双壁碳纳米管灯丝的灯泡具有相似的性能。如图1所示，双壁碳纳米管灯丝的亮度比黑体辐射在可见光部分具有更优越的性能，而且在波长为407和417nm的紫光和波长为655nm的红光处有峰，而且峰值随着电压升高而增大，说明双壁碳纳米管可以发射一定数量的冷光。在温度较低的条件下，双壁碳纳米管灯丝的辐强度和黑体辐射的相近，而在高温下(＞1350K)，双壁碳纳米管灯丝的辐强度在可见光部分比黑体辐射的高，而在红外部分双壁碳纳米管灯丝的辐强度比黑体辐射的低，这表明了双壁碳纳米管灯丝在可见光区具有较高的发光效率。
如图2所示，对于单壁碳纳米管灯丝也具有相类似的特性。单壁碳纳米管灯丝在波长为407，417和655nm处有峰值，表明单壁碳纳米管在一定电场激发下可以发射出一定数量的冷光。与双壁碳纳米管灯丝相类似，单壁碳纳米管灯丝在可见光部分的强度比相同温度下黑体辐射的强度高，而在红外区，单壁碳纳米管灯丝的辐强度比相同黑体的辐强度低，表明了单壁碳纳米管灯丝在可见光区具有较高的发光效率。
如图3所示的是包含有双壁碳纳米管灯丝的灯泡(8.2Ω)，单壁碳纳米管灯丝的灯泡(18.2Ω)和普通安全灯泡(2.8Ω，36V，40W)的照度和电压的关系曲线，可以看出，碳纳米管灯泡具有比安全灯泡更低的阈值电压并且在相同的电压下碳纳米管灯泡的亮度比安全灯泡更高。双壁碳纳米管灯泡具有比钨丝更低的阈值电压，其亮度比相同电压下的40W的安全灯泡高的优点。对含有双壁碳纳米管灯丝的灯泡的寿命进行测试表明，含有双壁碳纳米管灯丝的灯泡在点亮360小时后仍未发生明显的变化，说明以双壁碳纳米管为灯丝的灯泡具有实际应用前景。