本发明属于纳米材料，具体涉及一种碳纳米管-聚二甲基硅氧烷光声换能器及其制备方法。
背景技术：
1、随着时代的发展和科技的进步，超声波的应用已经渗透到了社会上的各个领域，传统的压电型超声换能器具有电磁干扰、需要高驱动电压、体积庞大等缺点，其应用场景受到了很多限制，已经不足以满足人们的日常需求。为了弥补压电超声换能器的缺点，人们设计出了光声换能器。
2、光声换能器是一种能够将激光能量转换为超声能量的新型设备，而完成一系列光声转换的器件为光声转换层，光声转换层主要由碳纳米管薄膜和聚二甲基硅氧烷薄膜组成，其中碳纳米管薄膜能够有效吸收激光的能量，聚二甲基硅氧烷薄膜吸收碳纳米管薄膜产生的热量发生周期性热膨胀产生超声波。碳纳米管又名巴基管，是一种一维结构的量子材料，碳纳米管的径向尺寸为纳米级，轴向尺寸为微米级，于1991年被日本电镜学家发现。碳纳米管呈黑色粉末状，具有三种类型，分别为：单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和多壁碳纳米管。由于碳纳米管具有独特的结构和良好的力学、电学、化学等性能，受到许多领域的科学家关注，并且应用前景广阔。聚二甲基硅氧烷是一种无色无味的透明状粘稠液体，其热膨胀系数较高，吸收热量能够膨胀并周期性振动，是热膨胀的理想材料。
3、目前，碳纳米管-聚二甲基硅氧烷光声换能器的制备方法中碳纳米管薄膜的制备方法包括化学气相沉积法、旋涂法、静电纺丝法等方法。但是，化学气相沉积法和静电纺丝法对设备和流程要求较高，工艺繁琐复杂。旋涂法在制备过程中需要较粘稠的碳纳米管溶液，很难使碳纳米管分散均匀，制备出来的碳纳米管薄膜表面不够光滑平整，并且在旋涂过程中由于碳纳米管溶液的浓度不同和匀胶机的片托尺寸不同很难统一旋涂速度。因此，上述碳纳米管薄膜的制备方法都很难进行重复实验，不能够对碳纳米管薄膜进行大批量的制备，进而导致在制备碳纳米管-聚二甲基硅氧烷光声换能器时存在碳纳米管薄膜制作困难的问题。
技术实现思路
1、为解决现有技术中不能够对碳纳米管薄膜进行大批量的制备，进而导致在制备碳纳米管-聚二甲基硅氧烷光声换能器时存在碳纳米管薄膜制作困难的问题，本发明不再局限于传统的制作碳纳米管-聚二甲基硅氧烷薄膜方法和流程，我们提出了一种新的碳纳米管-聚二甲基硅氧烷光声换能器及其制备方法，该方法过程简单，容易进行重复实验，耗时短，成功率高，有效降低了材料的浪费。
2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
3、本发明提供了碳纳米管-聚二甲基硅氧烷光声换能器的制备方法，包括如下步骤：
4、取碳纳米管粉末，加入有机溶剂，得到碳纳米管溶液；对碳纳米管溶液进行破碎，再加入有机溶剂进行稀释，加热；
5、将加热后的碳纳米管溶液经滤膜过滤，得到带有碳纳米管薄膜的滤膜；
6、将带有碳纳米管薄膜的滤膜置于聚甲基丙烯酸甲酯基板上，碳纳米管薄膜位于滤膜的下方，并且与聚甲基丙烯酸甲酯基板顶面相接触；使用氢氟酸将滤膜溶解；清洗；
7、将聚二甲基硅氧烷涂在清洗后的所述碳纳米管薄膜上表面并干燥固化，得到所述碳纳米管-聚二甲基硅氧烷光声换能器。
8、其中，本发明中是将过滤后带有碳纳米管薄膜的滤膜倒扣于聚甲基丙烯酸甲酯基板上，使用氢氟酸对滤膜进行溶解；冲洗；再使用去离子水冲洗；将冲洗好的碳纳米管薄膜转移至另一块聚甲基丙烯酸甲酯基板上，将贴附在聚甲基丙烯酸甲酯基板上的碳纳米管薄膜进行第一次干燥。
9、在将碳纳米管薄膜转移至另一块聚甲基丙烯酸甲酯基板的过程中不可有气泡产生。之后再将两块聚甲基丙烯酸甲酯基板进行翻转，将上边的聚甲基丙烯酸甲酯基板轻轻移除，使用吸水纸将碳纳米管薄膜上多余的去离子水吸除，使碳纳米管薄膜完全贴附在聚甲基丙烯酸甲酯基板上。之后对碳纳米管薄膜进行第一次干燥，即真空干燥30min，温度设置为60℃。
10、将第一次干燥后的碳纳米管薄膜取出；使用旋涂法将聚二甲基硅氧烷旋涂在得到的所述碳纳米管薄膜表面，再进行第二次干燥，得到所述碳纳米管-聚二甲基硅氧烷光声换能器。第二次干燥是置于真空干燥箱中进行干燥，具体的条件为：温度68～72℃，干燥时间设置2.8～3.2h。
11、其中，聚二甲基硅氧烷的制备方法为：将聚二甲基硅氧烷基料与聚二甲基硅氧烷固化剂以9～11：1的体积比混合均匀；将混合后的聚二甲基硅氧烷溶液置于真空室中28～32min去除气泡，得到所述聚二甲基硅氧烷。
12、旋涂的速度为3500～4500r/min。
13、优选地，所述有机溶剂为无水乙醇，浓度为99.5％。
14、优选地，碳纳米管粉末与首次加入的有机溶剂的质量体积比为1mg：1～3ml。更优选地，碳纳米管粉末与首次加入的有机溶剂的质量体积比为1mg：2ml
15、优选地，稀释后的碳纳米管溶液的浓度为0.05～0.15mg/ml。更优选地，稀释后的碳纳米管溶液的浓度为0.1mg/ml。
16、优选地，过滤使用的滤膜是直径为46～48mm的玻璃纤维；过滤后的碳纳米管薄膜为直径38～42mm的薄膜。
17、其中，聚甲基丙烯酸甲酯基板的规格为4～6cm×4～6cm。优选地，聚甲基丙烯酸甲酯基板的规格为5m×5cm。
18、优选地，再次加入无水乙醇后将碳纳米管溶液混匀，加热超声28～32min。
19、优选地，在加热超声过程中控制温度在15～25℃左右，超声时间设置为28～32min。本发明中选择的加热超声方式为水浴超声。水浴超声过程中温度会上升，而温度较高会导致无水乙醇挥发，因此，在水浴超声过程中始终控制温度在20℃左右，水浴超声功率设置为最大，超声时间设置为30min。
20、在水浴超声结束后，对碳纳米管溶液进行真空过滤，过滤前使用水平仪测试真空过滤设备是否保持水平，在抽真空过滤时要降低抽气速度，不可过快。
21、使用本发明提供的上述方法制作的碳纳米管-聚二甲基硅氧烷光声换能器耗时短，成功率高，有效减少了材料的浪费，并且该方案的可重复性高，流程简单易懂。制作的碳纳米管薄膜表面光滑平整，均匀性强，可以与聚二甲基硅氧烷有效结合。
22、本发明还提供了一种由所述的碳纳米管-聚二甲基硅氧烷光声换能器的制备方法制备的碳纳米管-聚二甲基硅氧烷光声换能器。
23、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
24、1、本发明提供了一种碳纳米管-聚二甲基硅氧烷光声换能器的制备方法，该制备方法操作简单；制备工艺要求低；流程简洁明了；使用的仪器都是较为常见的实验室仪器，容易进行重复实验；成本低，成功率高，降低了材料的浪费；耗时短，污染低；通过调整碳纳米管的质量可以改变碳纳米管薄膜的厚度，可以轻松制备出不同厚度的碳纳米管-聚二甲基硅氧烷光声换能器。本发明提供的该制备方法有效解决了在制备碳纳米管-聚二甲基硅氧烷光声换能器时碳纳米管薄膜制作困难的问题。具体如下：
25、(1)本发明在制备碳纳米管薄膜时解决了碳纳米管分散不均匀的问题。碳纳米管不溶于水并且在水中分散不均匀，这样制备出来的碳纳米管薄膜厚度不一致并且薄膜表面不光滑，甚至在进行真空过滤时薄膜表面会发生断裂的现象。本发明在制作碳纳米管薄膜时摒弃了传统的使用水分散碳纳米管的方法，使用无水乙醇作为分散液，并且在无水乙醇中不添加任何有助于碳纳米管分散的化学试剂，有效避免了碳纳米管薄膜含有其它化学试剂的缺点，提高了碳纳米管薄膜的纯度。为了使碳纳米管在无水乙醇中分散更加均匀，需要使用功率较大的超声波细胞破碎仪对碳纳米管进行破碎，在破碎过程中，若无水乙醇量太多则会影响破碎效果，若无水乙醇量太少会导致碳纳米管溶液太浓稠，影响分散效果。因此，本发明在使用超声波细胞破碎仪时添加少量的无水乙醇，当破碎一定时间后再添加足量的无水乙醇对其进行搅拌并水域超声一定时间完成碳纳米管在无水乙醇中的分散。
26、(2)本发明在进行真空过滤时，滤膜的厚度对碳纳米管薄膜具有影响，较薄的亲水性油膜在过滤时会导致碳纳米管薄膜边缘发生断裂，影响了碳纳米管薄膜的完整性，在本发明中我们使用了一种较厚的玻璃纤维滤膜，可以有效避免出现薄膜边缘断裂的现象。碳纳米管的质量也会影响薄膜的质量，在直径为40mm的玻璃纤维滤膜上面，碳纳米管的质量不可超过40mg，若碳纳米管质量过高或者碳纳米管溶液太浓稠则会使碳纳米管薄膜发生断裂。因此在过滤时应降低碳纳米管的浓度并减少碳纳米管的质量。
27、(3)本发明在对玻璃纤维滤膜进行溶解时，由于碳纳米管薄膜的厚度在微米级别，且较脆，在溶解时薄膜容易断裂，在发明中我们提出滞留法溶解玻璃纤维滤膜和一种新的倾斜冲洗碳纳米管薄膜方法，该方法对碳纳米管薄膜的破坏性较小，保留了碳纳米管薄膜的完整性，并且可以有效地将玻璃纤维滤膜从碳纳米管薄膜表面清除。
28、(4)本发明在干燥碳纳米管薄膜时，贴附在聚甲基丙烯酸甲酯基板上的碳纳米管薄膜容易产生气泡发生鼓包现象，使碳纳米管薄膜表面不平滑，在本发明中我们提出一种新的碳纳米管薄膜转移法，并有效去除了碳纳米管薄膜与聚甲基丙烯酸甲酯基板之间的气泡现象。
29、2、本发明提供的碳纳米管-聚二甲基硅氧烷光声换能器的制备方法中碳纳米管薄膜的合成过程简单便捷。在本发明中不再局限于传统的制作碳纳米管-聚二甲基硅氧烷薄膜方法和流程，我们提出了一种新的制备薄膜方法。本发明提出的该制备方法过程简单，耗时短，成功率高，有效降低了材料的浪费。在制作成品中，碳纳米管薄膜表面光滑平整，边缘整齐美观，完美贴附在聚甲基丙烯酸甲酯基板上。聚甲基丙烯酸甲酯，简称pmma，是一种高分子聚合物，又称作亚克力或有机玻璃，具有高透明度，低价格，易于机械加工等优点，是平常经常使用的玻璃替代材料。使用聚甲基丙烯酸甲酯基板有助于在碳纳米管薄膜表面涂覆聚二甲基硅氧烷，制备完整的碳纳米管-聚二甲基硅氧烷光声换能器。
30、3、本发明提供的碳纳米管-聚二甲基硅氧烷光声换能器的制备方法中碳纳米管薄膜的的制备方法有效解决了现有的碳纳米管薄膜的制备方法的缺点，制备出来的碳纳米管薄膜表面光滑平整，制备流程简单易懂，对制备工艺和设备要求不高，所使用的均为常见的实验设备，成功率高，能够实现大批量的制备。
1.一种碳纳米管-聚二甲基硅氧烷光声换能器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的碳纳米管-聚二甲基硅氧烷光声换能器的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂为无水乙醇。
3.根据权利要求1所述的碳纳米管-聚二甲基硅氧烷光声换能器的制备方法，其特征在于，碳纳米管粉末与首次加入的有机溶剂的质量体积比为1mg：1～3ml。
4.根据权利要求1所述的碳纳米管-聚二甲基硅氧烷光声换能器的制备方法，其特征在于，稀释后的碳纳米管溶液的浓度为0.05～0.15mg/ml。
5.根据权利要求1所述的碳纳米管-聚二甲基硅氧烷光声换能器的制备方法，其特征在于，过滤使用的滤膜是直径为46～48mm的玻璃纤维；过滤后的碳纳米管薄膜为直径38～42mm的薄膜。
6.根据权利要求1所述的碳纳米管-聚二甲基硅氧烷光声换能器的制备方法，其特征在于，将冲洗好的碳纳米管薄膜转移至另一块聚甲基丙烯酸甲酯基板上进行干燥固化。
7.根据权利要求6所述的碳纳米管-聚二甲基硅氧烷光声换能器的制备方法，其特征在于，聚甲基丙烯酸甲酯基板的规格为4～6cm×4～6cm。
8.根据权利要求1所述的碳纳米管-聚二甲基硅氧烷光声换能器的制备方法，其特征在于，将聚二甲基硅氧烷涂在干燥固化后的碳纳米管薄膜表面，再次进行干燥，得到所述碳纳米管-聚二甲基硅氧烷光声换能器。
9.根据权利要求1所述的碳纳米管-聚二甲基硅氧烷光声换能器的制备方法，其特征在于，稀释后的碳纳米管溶液在15～25℃下加热超声28～32min。
10.一种由权利要求1～9任一项所述的碳纳米管-聚二甲基硅氧烷光声换能器的制备方法制备的碳纳米管-聚二甲基硅氧烷光声换能器。
