專利名稱：納米碳管的制造裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種近些年來(lái)工業(yè)利用性引人注目的納米碳管(carbonnanotube)的制造裝置和方法。
背景技術(shù)：
與普通碳纖維相比，納米碳管具有更小的直徑、更大的楊氏模量和更高的導(dǎo)電性，因此成為一種引人注目的新型工業(yè)材料。
直徑小于碳纖維的1μm或更小的材料通常被稱為納米碳管，并且不同于碳纖維。但是，兩者之間沒(méi)有特定的明確界限。狹義地講，六邊形網(wǎng)格碳表面基本上平行于軸線的材料被稱為納米碳管，甚至是周圍存在非晶碳的納米碳管變異體也包括在納米碳管內(nèi)(應(yīng)當(dāng)注意，本發(fā)明的納米碳管是狹義的納米碳管)。
通常，狹義的納米碳管還進(jìn)一步分為兩種具有單六邊形網(wǎng)格管(石墨片層)結(jié)構(gòu)的納米碳管被稱為單壁納米管(此后，在有些情況下被簡(jiǎn)稱為“SWNT”)，另外，由多層石墨片層制成的納米碳管被稱為多壁納米管(此后，在有些情況下被簡(jiǎn)稱為“MWNT”)。這些種類的納米碳管每個(gè)都具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于碳纖維直徑的直徑、較大的楊氏模量和較高的導(dǎo)電性，因此，成為一種引人注目的新型工業(yè)材料。
納米碳管是一種構(gòu)成元素只有碳的新型材料，其具有楊氏模量超過(guò)1Tpa的較高機(jī)械性能。另外，流經(jīng)納米碳管的電子容易經(jīng)歷彈道轉(zhuǎn)移，因此可使大量的電流流經(jīng)納米碳管。另外，納米碳管具有較高的長(zhǎng)寬比，因此其正應(yīng)用于場(chǎng)電子發(fā)射源中，且具有較高亮度的發(fā)光元件和顯示裝置正在研制中。另外，有些單壁納米碳管呈現(xiàn)出半導(dǎo)體的特性，并應(yīng)用到制造二極管和晶體管的試驗(yàn)中。因此，在功能性材料和電子工業(yè)領(lǐng)域特別需要使用單壁納米管。
通常，可通過(guò)包括電阻加熱、如用碳棒作為原料進(jìn)行電弧放電這樣的等離子體放電、激光燒蝕以及采用乙炔氣的化學(xué)汽相沉積(CVD)在內(nèi)的方法制造球殼狀碳分子層(fullerene)和納米碳管。但是，以這些方法制造納米碳管的機(jī)理在多個(gè)方面都是有爭(zhēng)議的，甚至直到現(xiàn)在還沒(méi)有一個(gè)詳盡的生成理論。
關(guān)于納米碳管的制造，主要在進(jìn)行大量合成方面提出了各種的方法和改進(jìn)。電阻加熱是早期發(fā)明的一種通過(guò)在稀有氣體中使兩片石墨的前端相互接觸，然后作用幾十到幾百安培的電流來(lái)加熱和汽化石墨的方法。但是，通過(guò)該方法，獲得幾克的樣品都是很難的，因此，現(xiàn)在該方法幾乎不被使用。
電弧放電是一種通過(guò)在He和Ar這樣的稀有氣體中產(chǎn)生電弧放電并利用石墨棒作為陽(yáng)極和陰極來(lái)合成球殼狀碳分子層和納米碳管的方法。通過(guò)電弧放電產(chǎn)生的電弧等離子體使陽(yáng)極的前端部分達(dá)到大約4000℃或更高的高溫，然后，使陽(yáng)極的前端部分汽化，并產(chǎn)生大量的碳原子團(tuán)和中性粒子。碳原子團(tuán)和中性粒子在等離子體中反復(fù)碰撞，進(jìn)一步生成碳原子團(tuán)和離子，并變成要沉積在陰極和電極周圍以及裝置內(nèi)壁上的包含球殼狀碳分子層和納米碳管的積炭。當(dāng)陽(yáng)極包括作為催化劑的Ni化合物、鐵化合物或稀土化合物時(shí)，就可有效地合成單壁納米碳管。
激光燒蝕是一種將脈沖YAG激光束照射到石墨目標(biāo)物上并在石墨目標(biāo)物表面產(chǎn)生高密度等離子體從而生成球殼狀碳分子層和納米碳管的方法。該方法的特點(diǎn)是即使在超過(guò)1000℃的生長(zhǎng)溫度下也可獲得較高純度的納米碳管。
化學(xué)汽相沉積是一種通過(guò)利用乙炔氣、甲烷氣或類似的含碳?xì)怏w作為原料對(duì)這些原料氣體進(jìn)行化學(xué)分解反應(yīng)來(lái)生成納米碳管的方法?；瘜W(xué)汽相沉積依賴于在甲烷氣和用作原料的類似氣體的熱分解過(guò)程中所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，因此，可制造出高純度的納米碳管。
因此，利用這些合成方法合成的納米碳管比其它材料的價(jià)格要高得多。這不僅是由于納米碳管自身市場(chǎng)還未成熟，而且是由于還未發(fā)現(xiàn)一種可降低制造成本的方法。特別是，在當(dāng)前情況下，制造無(wú)缺陷高結(jié)晶度納米碳管的電弧放電法在制造成本方面要高于化學(xué)汽相沉積法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是針對(duì)上述情況作出的，并提供一種可以較低的成本來(lái)制造納米碳管的納米碳管制造裝置及其制造方法。另外，本發(fā)明提供一種可制造價(jià)格低廉且具有較高純度的納米碳管的納米碳管制造裝置及其制造方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，納米碳管制造裝置具有
電極頭相對(duì)的至少兩個(gè)電極；在兩個(gè)電極之間施加電壓以便在兩個(gè)電極之間的放電區(qū)域產(chǎn)生放電等離子體的至少一個(gè)電源，其中，電極頭相對(duì)的兩個(gè)電極中的至少一個(gè)電極是由多孔碳質(zhì)材料制成的。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，納米碳管的制造方法包括在電極頭相對(duì)的兩個(gè)電極之間施加電壓；在兩個(gè)電極之間的放電區(qū)域產(chǎn)生放電等離子體；將由多孔碳質(zhì)材料制成的一個(gè)電極用作電極頭相對(duì)的兩個(gè)電極中的至少一個(gè)。
在利用放電等離子體如電弧放電來(lái)制造納米碳管的方法中，通常將高純度石墨棒作為電極材料。但是，石墨棒較昂貴，會(huì)大大地增加納米碳管的制造成本。因此，就增大了納米碳管自身的成本。
另外，在本發(fā)明中，采用單位價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于石墨棒的多孔碳質(zhì)材料來(lái)作為電極材料。根據(jù)本發(fā)明，可以與利用高純度石墨棒作為電極材料的情況相同的方式來(lái)制造出納米碳管。另外，電極材料較為便宜，因此大大地降低了制造的成本，從而可穩(wěn)定地提供價(jià)格便宜的納米碳管。因此，可以預(yù)計(jì)本發(fā)明將促進(jìn)納米技術(shù)的研究和發(fā)展，并對(duì)納米碳管的商業(yè)化作出貢獻(xiàn)。
在本發(fā)明中，在兩個(gè)電極之間的放電區(qū)域產(chǎn)生放電等離子體之前，最好多孔碳質(zhì)材料經(jīng)歷脫水處理過(guò)程。另外，最好，特定的多孔碳質(zhì)材料是備長(zhǎng)炭(binchotan)或竹炭。應(yīng)當(dāng)注意，由多孔碳質(zhì)材料制成的電極最好至少是用作電極頭相對(duì)的兩個(gè)電極中的陽(yáng)極。
在本發(fā)明的納米碳管制造裝置中，為了提高納米碳管的純度，最好包括一個(gè)在放電等離子體產(chǎn)生區(qū)域形成至少一個(gè)具有多方向磁力線的磁場(chǎng)或一個(gè)具有平行于放電電流流動(dòng)方向的分量的磁場(chǎng)的磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置。在此情況下，放電區(qū)域中所產(chǎn)生的放電等離子體最好是電弧等離子體。
另外，在本發(fā)明的納米碳管制造方法中，最好在放電等離子體產(chǎn)生區(qū)域形成具有多方向磁力線的磁場(chǎng)和具有平行于放電電流流動(dòng)方向的分量的磁場(chǎng)中的至少一個(gè)。在此情況下，放電區(qū)域中所產(chǎn)生的放電等離子體最好是電弧等離子體。


下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述，其中圖1是本發(fā)明用于制造納米碳管的裝置的橫截面示意圖；圖2是圖1沿A-A的橫截面圖；圖3(a)示出了從圖2中只抽取出永久磁鐵且磁極確定的磁力線狀態(tài)，其中，所有的永久磁鐵都布置成S極面向放電區(qū)域；圖3(b)示出了從圖2中只抽取出永久磁鐵且磁極確定的磁力線狀態(tài)，其中，永久磁鐵布置成使與相鄰的永久磁鐵的磁極相反的每個(gè)永久磁鐵的磁極面向放電區(qū)域；圖4(a)示出了磁力線大致平行于放電電流方向且放電等離子體中的帶電粒子的運(yùn)動(dòng)被限制為磁力線方向的磁場(chǎng)空間的一個(gè)特定實(shí)施例，其中，透視圖示出了當(dāng)電壓作用于電磁線圈時(shí)所形成的磁力線狀態(tài)；
圖4(b)示出了磁力線大致平行于放電電流方向且放電等離子體中的帶電粒子的運(yùn)動(dòng)被限制為磁力線方向的磁場(chǎng)空間的一個(gè)特定實(shí)施例，其中，透視圖示出了當(dāng)電磁鐵以一定的間距設(shè)置在同一軸線上且電壓作用于相應(yīng)的電磁鐵線圈時(shí)的磁力線狀態(tài)；圖5(a)是永久磁鐵由熱量釋放元件包圍的狀態(tài)示意圖，其中，側(cè)視圖示出了連接熱量釋放元件的永久磁鐵的周圍情況；圖5(b)是從圖5(a)右側(cè)所看的視圖；圖6是用于本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的備長(zhǎng)炭表面的掃描電子顯微照片(放大500倍)；圖7是附著有利用本發(fā)明實(shí)施例的永久磁鐵制造的納米碳管的陰極表面的掃描電子顯微照片(放大100倍)；圖8是附著有利用本發(fā)明實(shí)施例的永久磁鐵制造的納米碳管的陰極表面的掃描電子顯微照片(放大5000倍)；圖9是附著有不采用本發(fā)明實(shí)施例的永久磁鐵制造的納米碳管的陰極表面的掃描電子顯微照片(放大100倍)；圖10是附著有不采用本發(fā)明實(shí)施例的永久磁鐵制造的納米碳管的陰極表面的掃描電子顯微照片(放大5000倍)。
具體實(shí)施例方式
下面將對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
在本發(fā)明的用于制造納米碳管的裝置和方法中，其關(guān)鍵是將多孔碳質(zhì)材料制成的電極用作兩個(gè)相反電極中的至少一個(gè)。首先對(duì)本發(fā)明的多孔碳質(zhì)材料進(jìn)行詳細(xì)描述。
用于本發(fā)明的術(shù)語(yǔ)“多孔碳質(zhì)材料”表示由包括如活性炭這樣的粉末材料的碳制成的多孔材料，但主要是指炭。如炭這樣的多孔碳質(zhì)材料價(jià)格低廉，因此，用于制造納米碳管可極大地降低成本。作為一個(gè)前提條件，本發(fā)明的多孔碳質(zhì)材料需要具有足以產(chǎn)生放電等離子體的導(dǎo)電率。產(chǎn)生放電等離子體所需要的導(dǎo)電率根據(jù)放電等離子體的類型、施加電壓、兩個(gè)電極之間的距離等情況而變。
而且，為了用作電極，當(dāng)然，多孔碳質(zhì)材料需要具有足夠的硬度來(lái)保持預(yù)定的電極形狀。對(duì)形狀保持性或硬度沒(méi)有特殊的限制，只要在產(chǎn)生放電等離子體時(shí)多孔碳質(zhì)材料可用作電極即可。在諸如活性炭這樣的粉末材料被用作多孔碳質(zhì)材料的情況下，通過(guò)進(jìn)行壓縮或進(jìn)行類似的處理使多孔碳質(zhì)材料變硬來(lái)用作電極。
從上述導(dǎo)電率和形狀保持性的觀點(diǎn)出發(fā)，作為用于本發(fā)明的多孔碳質(zhì)材料，備長(zhǎng)炭或竹炭是優(yōu)選的。這些材料在市場(chǎng)上廣為分布，并可以特別低廉的價(jià)格購(gòu)買到。
用于本發(fā)明的多孔碳質(zhì)材料的電阻率取決于上述各種因素，但優(yōu)選的是大約0.01-10Ωm，最好是大約0.01-0.1Ωm。
用于本發(fā)明的多孔碳質(zhì)材料的硬度也取決于上述多種因素，但如果討論的是由Miura硬度測(cè)試儀所測(cè)量的炭硬度，則優(yōu)選大約是5或更大，最好大約是10或更大。但是，上述標(biāo)準(zhǔn)不能應(yīng)用于在采用如活性炭這樣的壓縮粉末情況下的硬度。在此情況下，在鉛筆硬度測(cè)試中，作為鉛筆的柔軟指標(biāo)，硬度最好至少設(shè)定為6B或更大。
通過(guò)燃燒如木材或竹子這樣的含碳原料(特別是植物)就可獲得多孔碳質(zhì)材料(炭)。為了制造具有上述特性的多孔碳質(zhì)材料，在制造過(guò)程中需要適當(dāng)?shù)卣{(diào)整燃燒溫度。具體地說(shuō)，燃燒溫度最好設(shè)定為700℃或更高，最好是設(shè)定為850-2500℃，更好是設(shè)定為1000-2500℃。如果燃燒溫度太低，多孔碳質(zhì)材料就不能保證具有足夠的導(dǎo)電率。
用作電極的多孔碳質(zhì)材料的形狀、尺寸等沒(méi)有其它特殊的限制，且需要是位于普通電極所處的合乎需要的范圍內(nèi)。
在很多情況下，多孔碳質(zhì)材料由于其多孔性因此具有較高的濕度。濕度較高會(huì)影響其放電能力，因此，在兩個(gè)電極之間的放電區(qū)域產(chǎn)生放電等離子體之前，最好對(duì)多孔碳質(zhì)材料進(jìn)行脫水處理。通過(guò)將經(jīng)脫水處理的多孔碳質(zhì)材料作為多孔碳質(zhì)材料，就可獲得令人滿意的放電能力，并可以較高的生產(chǎn)效率來(lái)制造高純度的納米碳管。
對(duì)多孔碳質(zhì)材料進(jìn)行脫水處理的方法包括通過(guò)加熱在預(yù)定的溫度下對(duì)多孔碳質(zhì)材料加熱預(yù)定的時(shí)間來(lái)蒸發(fā)水分的方法(后面將稱為“加熱脫水法”)；在密封容器中對(duì)多孔碳質(zhì)材料進(jìn)行真空脫氣來(lái)帶走水分的方法；以及將多孔碳質(zhì)材料和碳酸鈣這樣的吸濕劑一起放置在密封容器中來(lái)吸收水分的方法，但是并不局限于這些方法。另外，可綜合各種方法，同時(shí)或順次執(zhí)行。
如果采用脫水處理，與不進(jìn)行任何預(yù)處理相比，可更加可靠地獲得令人滿意的放電能力，因此，可使納米碳管具有較高的純度和功效。此時(shí)的目標(biāo)濕度取決于各種因素，但最好是設(shè)定為大約1％的質(zhì)量比或更小，更好是0.1％的質(zhì)量比或更小。
為了獲得上述令人滿意的濕度，可采用任何形式的脫水處理過(guò)程，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整各種狀態(tài)(溫度、時(shí)間、氣壓、吸濕劑量等)。但是，為了更為方便和在更短的時(shí)間內(nèi)獲得較高的脫水率，最好是采用加熱脫水法。
根據(jù)脫水處理之前多孔碳質(zhì)材料的濕度、目標(biāo)濕度等來(lái)適當(dāng)?shù)卦O(shè)定加熱脫水法的工況。具體地說(shuō)，加熱溫度最好是設(shè)定為100℃或更高，更好是設(shè)定到200℃或更高，加熱時(shí)間最好是設(shè)定為30分鐘或更長(zhǎng)，更好是設(shè)定為60分鐘或更長(zhǎng)。
在本發(fā)明的用于制造納米碳管的裝置和方法中，電極頭相對(duì)的兩個(gè)電極中的至少一個(gè)是由上述多孔碳質(zhì)材料制成的。通過(guò)將電壓作用在電極頭相對(duì)的兩個(gè)電極之間，在兩個(gè)電極之間的放電區(qū)域就會(huì)產(chǎn)生放電等離子體，因此就制造出納米碳管。根據(jù)本發(fā)明，最好在放電區(qū)域形成預(yù)定的磁場(chǎng)。用于本發(fā)明的上述多孔碳質(zhì)材料自身本來(lái)包括雜質(zhì)，因此，制造的納米碳管就會(huì)包括或多或少的無(wú)機(jī)雜質(zhì)。但是，通過(guò)在放電區(qū)域形成預(yù)定的磁場(chǎng)，就多孔碳質(zhì)材料中的碳而言，提高了納米碳管的制造效率，其結(jié)果是提高了納米碳管的純度和生產(chǎn)率。
這里，術(shù)語(yǔ)“預(yù)定磁場(chǎng)”在放電等離子體產(chǎn)生區(qū)域中至少包括一個(gè)具有沿多個(gè)方向的磁力線的磁場(chǎng)；或者一個(gè)具有平行于放電電流流動(dòng)方向的分量的磁場(chǎng)。此后，所描述的優(yōu)選實(shí)施例包括在放電區(qū)域形成預(yù)定磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)。
圖1是用于制造本發(fā)明納米碳管的裝置的橫截面示意圖，圖2是圖1沿A-A的橫截面圖。除了利用放電等離子體的普通納米碳管制造裝置以外，圖1所示的納米碳管制造裝置還包括永久磁鐵20-23。永久磁鐵20-23沿放電電流的流動(dòng)方向布置并圍繞放電區(qū)域。普通納米碳管制造裝置的部件包括兩個(gè)電極(用作陽(yáng)極的多孔碳質(zhì)材料電極12和用作陰極的電極11)，它們分別由夾持裝置41和42夾持并設(shè)置在用作密封容器的反應(yīng)容器(腔)10中，其電極頭相對(duì)；可使夾持電極12的夾持裝置42滑動(dòng)以便調(diào)節(jié)電極11和電極12之間的距離的移動(dòng)裝置13；用于在電極11和12之間施加電壓的電源18；可使反應(yīng)容器10中的大氣減壓的真空泵14；用于儲(chǔ)存所需氣體的氣缸17；連接氣缸17和反應(yīng)容器10的輸入管15；以及包括用于開(kāi)啟/關(guān)閉連接的閥19的大氣調(diào)節(jié)裝置。
也就是，永久磁鐵20-23在電極11和12之間的放電區(qū)域產(chǎn)生預(yù)定的磁場(chǎng)，當(dāng)電壓作用于電極11和12之間時(shí)，就在放電區(qū)域產(chǎn)生放電等離子體。由于永久磁鐵20-23完全由熱量釋放元件30包圍，熱量釋放元件30是冷卻裝置的一部分，因此，這些磁鐵在圖1和2中由虛線表示。冷卻裝置后面將進(jìn)行詳細(xì)描述。
所形成的預(yù)定磁場(chǎng)的示例具體包括(1)由多個(gè)方向的磁力線包圍并封閉的磁場(chǎng)空間，以及(2)磁力線大致平行于放電電流流動(dòng)方向的磁場(chǎng)空間，因此，放電等離子體中的帶電粒子的運(yùn)動(dòng)受到磁力線的約束。在該實(shí)施例中，當(dāng)采用四個(gè)永久磁鐵時(shí)，就可能形成(1)形式的磁場(chǎng)。
下面將對(duì)所形成的預(yù)定磁場(chǎng)(1)的狀態(tài)進(jìn)行描述。圖3(a)和3(b)示出了由多個(gè)方向的磁力線所包圍和封閉的磁場(chǎng)空間(1)的一個(gè)特定的實(shí)施例。圖3(a)和3(b)示出了在永久磁鐵20-23從圖2中取出且確定了磁極時(shí)磁力線的狀態(tài)。磁力線由實(shí)的曲線表示。應(yīng)當(dāng)注意，圖3(a)和3(b)所示的磁力線并不代表所有可能的形式，而只是表示一種典型的形式。
圖3(a)示出了所有的永久磁鐵20-23的S極都面向放電區(qū)域時(shí)的狀態(tài)((1)-a)。在此情況下，單個(gè)永久磁鐵20-23向放電區(qū)域所發(fā)出的磁力線相互排斥，因此，A所表示的區(qū)域由多個(gè)方向的磁力線所包圍。
圖3(b)示出了永久磁鐵20和22的S極面向放電區(qū)域而永久磁鐵21和23的N極面向放電區(qū)域的狀態(tài)((1)-b)。也就是，相鄰的永久磁鐵布置成使相反的磁極交替地面向放電區(qū)域。在此情況下，單個(gè)永久磁鐵20-23向放電區(qū)域所發(fā)出的磁力線終止于相鄰的永久磁鐵，因此，A所表示的區(qū)域由多個(gè)方向的磁力線包圍。
如上所述，在圖3(a)和3(b)所示的狀態(tài)下，多個(gè)方向的磁場(chǎng)作用于A所表示的區(qū)域，當(dāng)放電等離子體在區(qū)域A產(chǎn)生時(shí)，放電等離子體中的帶電粒子的運(yùn)動(dòng)就被約束在電極11和電極12之間的空間范圍內(nèi)。當(dāng)以此方式制造納米碳管時(shí)，就可在工業(yè)上以較低的成本有效地合成高純度的納米碳管。
利用多個(gè)永久磁鐵就可產(chǎn)生這些形式的磁場(chǎng)，且磁鐵的數(shù)目也不必局限于是四個(gè)。
在前者“所有永久磁鐵的同一磁極都面向放電區(qū)域”的情況下，可布置三個(gè)或五個(gè)或更多個(gè)平的永久磁鐵來(lái)圍繞放電區(qū)域，或者當(dāng)采用彎曲永久磁鐵時(shí)，甚至可布置兩個(gè)磁鐵使其凹部相互面對(duì)。另外，永久磁鐵的數(shù)目沒(méi)有上限。而且，盡管在圖3(a)所示的形式中是S極面向放電區(qū)域，但只要是相同的磁極面向放電區(qū)域即可，也就是，N極面向放電區(qū)域也是可以的。
在后者“相鄰永久磁鐵布置成使相反的磁極交替地面向放電區(qū)域”的情況下，由于必須使相鄰永久磁鐵的磁極交替變換，因此，永久磁鐵的數(shù)目必須采用偶數(shù)。而且，必須使磁力線包圍放電區(qū)域，因此，必須采用四個(gè)或更多個(gè)永久磁鐵。但其數(shù)目是沒(méi)有上限的。
上述預(yù)定磁場(chǎng)形式(1)的另一個(gè)例子是在圓筒形永久磁鐵的內(nèi)孔中產(chǎn)生放電等離子體的形式。
盡管上面對(duì)采用永久磁鐵的預(yù)定磁場(chǎng)形式(1)進(jìn)行了描述，但是，所使用的磁鐵并不局限于永久磁鐵，也可采用電磁鐵或永久磁鐵和電磁鐵的組合。
下面將對(duì)預(yù)定磁場(chǎng)(2)的狀態(tài)進(jìn)行描述。圖4(a)和4(b)示出了磁力線大致平行于放電電流的流動(dòng)方向且放電等離子體中的帶電粒子的運(yùn)動(dòng)由磁力線進(jìn)行限制的磁場(chǎng)空間(2)的一個(gè)特定實(shí)施例。圖4(a)的透視圖示出了當(dāng)電壓作用于電磁鐵28的線圈26時(shí)所形成的磁力線狀態(tài)，電磁鐵28是將線圈26繞在圓柱體24上而形成的，圖4(b)的透視圖示出了當(dāng)以相同的方式制成的電磁鐵28a和28b以一定間距布置在同一軸線上且電壓作用于繞在單個(gè)圓柱體24a和24b上的線圈26a和26b時(shí)所形成的磁力線狀態(tài)。磁力線由彎曲的實(shí)線和彎曲的虛線表示。應(yīng)當(dāng)注意，圖4(a)和4(b)所示的磁力線并不代表所有可能的磁力線形式，而只是表示一種典型的形式，且就磁力線而言，也僅僅示出了它們的一部分。
在圖4(a)所示的形式中，磁力線穿過(guò)圓柱體24的內(nèi)部。也就是，磁力線在圓柱體24內(nèi)部形成大致平行的磁力線通量。通過(guò)在圓柱體24內(nèi)部產(chǎn)生放電等離子體，且圓柱體24內(nèi)的磁力線方向大致與放電電流的流動(dòng)方向相配，可以預(yù)計(jì)，放電等離子體被限制在磁場(chǎng)范圍內(nèi)。
在圖4(b)所示的形式中，磁力線分別同時(shí)穿過(guò)圓柱體24a和24b的內(nèi)部，并在它們之間的間隙中形成組合磁場(chǎng)。在該組合磁場(chǎng)中，穿過(guò)圓柱體24a和24b內(nèi)部的磁力線分別沿直線延伸，穿過(guò)另一個(gè)圓柱體的內(nèi)部，并實(shí)際上形成一個(gè)假想的單一線圈，雖然有很小部分的磁力線會(huì)從圓柱體24a和24b之間的空間泄漏出。也就是，在圓柱體24a和24b之間的空間中，磁力線形成大致平行的磁力線通量。通過(guò)在圓柱體24a和24b之間的空間中產(chǎn)生放電等離子體，且圓柱體24a和24b之間的空間中的磁力線方向大致與放電電流的流動(dòng)方向相配，可以預(yù)計(jì)，放電等離子體被限制在磁場(chǎng)范圍內(nèi)。
不必使圓柱體24內(nèi)或圓柱體24a和24b之間的空間中的磁力線方向與放電電流的流動(dòng)方向嚴(yán)格相配。甚至在它們的方向相互不嚴(yán)格相配時(shí)，而只需形成可將放電等離子體限制在內(nèi)部的磁場(chǎng)即可。但是，當(dāng)方向之間的夾角很大時(shí)，電極會(huì)由于磁場(chǎng)、電場(chǎng)和力之間的相互關(guān)系而受到損壞。因此，夾角最好是在0-30°，且最好是0-10°。
另外，即使放電電流的流動(dòng)方向不與磁場(chǎng)的中心軸線嚴(yán)格相配，而只需將放電等離子體限制在磁場(chǎng)內(nèi)即可。應(yīng)當(dāng)注意，如果放電等離子體是在遠(yuǎn)離磁場(chǎng)中心軸線的位置上產(chǎn)生的，放電等離子體的直線性就會(huì)失去，因此，放電電流流動(dòng)方向的軸線最好位于從磁場(chǎng)中心軸線到“圓柱體24的內(nèi)表面”或“圓柱體24a和24b的內(nèi)表面延伸部分”的距離的20％的范圍內(nèi)。當(dāng)電極的電極頭是一個(gè)平的表面時(shí)，以平表面上的任意一點(diǎn)作為基點(diǎn)，而產(chǎn)生放電等離子體。因此，在本發(fā)明中，盡管放電電流的流動(dòng)方向不是固有恒定的，也可假定連接相對(duì)的兩個(gè)電極的電極頭中心的直線是放電電流的流動(dòng)方向。
形式(2)的預(yù)定磁場(chǎng)的另一個(gè)例子是采用螺線管(troidal)電磁鐵，并在電磁鐵的內(nèi)孔中形成放電等離子體。
盡管放電等離子體的類型包括電弧等離子體和輝光等離子體，優(yōu)選電弧等離子體用于有效地制造納米碳管。通過(guò)控制諸如前述密封容器中的氣壓等每一種情況可有選擇地制造納米碳管。
盡管在該實(shí)施例中，如圖1所示，電極11和12的電極頭相對(duì)的區(qū)域也就是放電等離子體的產(chǎn)生區(qū)域位于永久磁鐵20-23所包圍著的區(qū)域(位于連接沿圖中電極12軸向的永久磁鐵20-23的頂端所形成的假想平面X和連接它們的底端所形成的假想平面Y之間)中，永久磁鐵20-23不必直接圍繞放電等離子體的產(chǎn)生區(qū)域，但可圍繞其相鄰的區(qū)域。這是因?yàn)橛谰么盆F20-23所產(chǎn)生的磁場(chǎng)也形成于由永久磁鐵20-23所包圍的相鄰區(qū)域中，且放電等離子體被合適地限制在磁場(chǎng)中。
由于電極12到假想平面Y的距離(可被認(rèn)為是由永久磁鐵20-23所包圍的相鄰區(qū)域的區(qū)域)被確定成使永久磁鐵20-23所形成的磁場(chǎng)可影響電極11和12之間的放電等離子體的產(chǎn)生區(qū)域，因此，該距離可根據(jù)永久磁鐵20-23的磁力及類似的參數(shù)而自動(dòng)地進(jìn)行確定。具體地說(shuō)，最好將該距離設(shè)定在符合后面所描述的“放電區(qū)域中的磁通量密度”的范圍內(nèi)。
應(yīng)當(dāng)注意，最好放電等離子體的產(chǎn)生區(qū)域與永久磁鐵20-23所包圍的區(qū)域的中心(假想平面X和假想平面Y之間的中心)間隔一定的距離。在永久磁鐵20-23所包圍區(qū)域的中心，所形成的磁場(chǎng)的方向在大多數(shù)情況下是垂直于電極12的軸線方向，或者由于磁場(chǎng)分量消失而很難形成磁場(chǎng)。當(dāng)產(chǎn)生區(qū)域離開(kāi)中心位置時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度就增大，或者具有對(duì)限制放電等離子體有效的矢量分量的磁場(chǎng)的磁通量密度也增大。在此情況下，優(yōu)選的區(qū)域甚至是在由永久磁鐵20-23所包圍的區(qū)域附近。具體地說(shuō)，如上所述，該區(qū)域位于符合后面所描述的“放電區(qū)域中的磁通量密度”的范圍內(nèi)。
電極11和12的兩個(gè)電極頭之間的間距范圍選自足以產(chǎn)生放電等離子體的范圍，并根據(jù)電壓降而自動(dòng)地確定。總之，該間距可從大約0.1-5毫米的范圍內(nèi)進(jìn)行選擇。
如圖1和2所示，單個(gè)永久磁鐵20-23完全由熱量釋放元件30包圍，熱量釋放元件30是冷卻裝置的部件。圖5(a)和5(b)是表示作為一個(gè)代表的永久磁鐵20由熱量釋放元件包圍時(shí)狀態(tài)的示意圖。圖5(a)是安裝有熱量釋放元件的永久磁鐵周圍情況的側(cè)視圖，圖5(b)是從圖5(a)右側(cè)所看的視圖。在圖5(a)和5(b)中，永久磁鐵20由虛線表示，并放入到塊狀的銅套32中，同時(shí)由銅蓋34覆蓋。因此，永久磁鐵20就完全由包括銅套32和銅蓋34的熱量釋放元件30包圍。這也適用于其它的永久磁鐵21-23。
該熱量釋放元件30為永久磁鐵20釋放熱量，并限制熱量產(chǎn)生聚集。盡管在該實(shí)施例中熱量釋放元件30的材料為銅，但其材料也可不限于是銅?？刹捎镁哂懈叩膶?dǎo)熱性或高的耐熱性的任何材料，特別是具有高的導(dǎo)熱性的銅和碳(石墨)，以及具有高的耐熱性的鎢、鉬和鉭。
在該實(shí)施例中，如圖1和2所示，分別安裝有從封閉永久磁鐵20-23的四個(gè)熱量釋放元件30的內(nèi)部穿過(guò)的管(冷卻管)36和圍繞在熱量釋放元件30外側(cè)的管(冷卻管)38，水循環(huán)流經(jīng)這些管。
在該實(shí)施例中，由于熱量釋放元件30為永久磁鐵20-23釋放熱量，另外，熱量釋放元件30通過(guò)循環(huán)流經(jīng)管36和38的水進(jìn)行冷卻，因此有效地抑制了永久磁鐵20-23的發(fā)熱。應(yīng)當(dāng)注意，循環(huán)流經(jīng)管36和38的冷卻劑并不限于是水，還可采用任何公知的普通液體或氣體冷卻劑。除了水以外，冷卻劑可包括氮?dú)狻⒁叶?、液氮和液氦。另外，具有高的?dǎo)熱性的材料是管36和38的優(yōu)選材料，而且可適當(dāng)?shù)夭捎门c熱量釋放元件30材料相同的材料。
在該實(shí)施例中，作為冷卻裝置的一個(gè)例子，采用了以熱量釋放元件和冷卻劑強(qiáng)制冷卻組合的方式，但兩者的這種組合并不是必須的，也可適當(dāng)?shù)剡x擇它們中的任何一種，或者與另一種冷卻裝置組合使用，只要可實(shí)現(xiàn)所需的冷卻效果即可。無(wú)論何時(shí)使用任何一種冷卻裝置，在制造納米碳管的過(guò)程中，最好使用冷卻裝置來(lái)控制永久磁鐵20-23的溫度使其不要達(dá)到居里溫度。
冷卻裝置的例子包括使用風(fēng)扇向磁鐵吹氣的系統(tǒng)和/或其它冷卻裝置以及使用Peltier元件來(lái)冷卻磁鐵的系統(tǒng)和/或其它冷卻裝置。
在該實(shí)施例中，由于冷卻裝置采用了熱量釋放元件和冷卻劑強(qiáng)制冷卻組合的方式，因此，使用了串狀的元件以便有效地將熱量傳遞給冷卻劑。但是，在只使用熱量釋放元件的方式中，熱量釋放元件與風(fēng)扇或類似的裝置組合使用，但最好使用以包括多個(gè)翅片這樣的形式的增大的表面區(qū)域來(lái)提高熱量釋放的效率。
另外，在該實(shí)施例中，盡管設(shè)置了兩個(gè)管36和38來(lái)作為冷卻管，但應(yīng)當(dāng)理解，這兩個(gè)管不總是必須的，根據(jù)所需的冷卻效果，也可采用一個(gè)管或三個(gè)管或更多個(gè)管。
反應(yīng)容器(腔)10是圓筒形的密封容器(在圖中，其端部表面分別面向上和向下)，盡管該容器最好是由金屬制成，特別是不銹鋼，但容器也可適當(dāng)?shù)赜射X合金、石英和類似的材料制成。另外，其形狀也不限于是圓筒形的，也可采用諸如箱形這樣的形狀。另外，當(dāng)放電區(qū)域的大氣是一個(gè)大氣壓的空氣且納米碳管沉積在電極11的電極頭周圍時(shí)，反應(yīng)容器10不是必不可少的，或者反應(yīng)容器10不必是一個(gè)密封容器。
電極頭相對(duì)的兩個(gè)電極1 1和12設(shè)置在反應(yīng)容器10中。在此情況下，當(dāng)反應(yīng)容器10的材料是具有導(dǎo)電性的材料例如金屬時(shí)，反應(yīng)容器10和電極11和12是固定的，且它們相互保持電絕緣。對(duì)于兩個(gè)電極11和12的布置結(jié)構(gòu)，除了圖1所示的兩個(gè)電極的軸線相互一致從而使兩個(gè)電極嚴(yán)格相對(duì)的結(jié)構(gòu)之外，也可采用使兩個(gè)電極11和12的軸線具有一定的夾角且電極頭相互靠近這樣的結(jié)構(gòu)。而且，用作陽(yáng)極的電極12的多孔碳質(zhì)材料根據(jù)制造方法而具有不規(guī)則的形狀。但是，在采用這種不規(guī)則形狀電極的情況下，在不規(guī)則形狀電極的外表面上具有所需面積的平表面可被認(rèn)為是電極頭，并靠近另一側(cè)電極的電極頭。本發(fā)明所用的術(shù)語(yǔ)(電極頭相對(duì))也包括上述情形，當(dāng)然也表示了圖1所示的情形(兩個(gè)電極的軸線相互一致，且它們嚴(yán)格相對(duì))。
對(duì)于電極11和12的布置結(jié)構(gòu)，當(dāng)電極11和12的相對(duì)表面相互平行時(shí)，就可穩(wěn)定地放電，例如電弧放電，并有效地合成納米碳管。
在該實(shí)施例中，將上述多孔碳質(zhì)材料用作電極12。在通過(guò)電弧放電來(lái)制造納米碳管的情況下，包含在陽(yáng)極電極12中的碳是原料的主要成分。因此，通過(guò)采用價(jià)格低廉且便于獲得的多孔碳質(zhì)材料作為電極12，就可可靠地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的降低納米碳管制造成本的目的。當(dāng)然，多孔碳質(zhì)材料也可用作陰極電極11。
電極11的材料最好選自包括多孔碳質(zhì)材料(特別是石墨棒)在內(nèi)的各種碳質(zhì)材料。但也可適當(dāng)?shù)夭捎煤记译娮杪试?.01-10Ωcm(最好是0.01-1Ωcm)的任何材料。
雖然電極11的形狀可包括圓柱形、矩形柱形和截錐形，且最好是圓柱形，但電極11的形狀沒(méi)有特別的限制。另外，盡管兩個(gè)電極11和12的電極頭直徑(在電極頭是非圓的情況下，是具有與電極頭相同面積的圓的直徑)沒(méi)有特殊的限制，但每個(gè)直徑最好是1毫米或更大和100毫米或更小。
對(duì)于相對(duì)的兩個(gè)電極11和12，電極11的電極頭面積最好等于或小于電極12的電極頭面積。當(dāng)電極11的電極頭面積等于或小于電極12的電極頭面積時(shí)，可進(jìn)一步提高所獲得的納米碳管的純度。它們之間的面積比(電極11的電極頭面積/電極12的電極頭面積)最好是0.1-0.9，更好是0.2-0.5。
冷卻劑循環(huán)管(未示出)作為電極冷卻裝置安裝到夾持兩個(gè)相對(duì)電極11和12的夾持裝置41和42上。產(chǎn)生放電等離子體時(shí)所產(chǎn)生的熱會(huì)加熱電極11和12。當(dāng)電極被加熱到高溫時(shí)，電極的形狀會(huì)發(fā)生變化，且放電狀態(tài)也會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)加熱到很高的溫度時(shí)，沉積在電極電極頭上的納米碳管就會(huì)再分解或發(fā)生汽化。但是，由于安裝到夾持裝置41和42上的冷卻劑循環(huán)管可防止電極11和12受熱，因此，可在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定地產(chǎn)生放電等離子體。
雖然冷卻循環(huán)管的路徑?jīng)]有特殊的限制，但最好設(shè)置成有效的路徑來(lái)有效地冷卻電極11和12。冷卻劑循環(huán)管的材料和冷卻劑的類型也沒(méi)有限制，可適當(dāng)?shù)夭捎门c管36和38類似的管和冷卻劑，并在說(shuō)明書中被稱為磁性產(chǎn)生元件冷卻裝置。
具有高導(dǎo)熱性的銅也可用于夾持裝置41和42。因此，夾持裝置41和42本身可以與熱量釋放元件30相同的方式用作說(shuō)明書中提到的磁性產(chǎn)生元件冷卻裝置。這樣，夾持裝置41和42本身的結(jié)構(gòu)可認(rèn)為是一種電極冷卻裝置。
電極冷卻裝置并不限于上述的結(jié)構(gòu)，可冷卻單個(gè)電極的結(jié)構(gòu)也是可以的。這種結(jié)構(gòu)包括風(fēng)扇和在說(shuō)明書中被稱為磁性產(chǎn)生元件冷卻裝置的翅片式熱量釋放元件。
應(yīng)當(dāng)注意，盡管在該實(shí)施例中夾持裝置41和42也可制成并用作電極冷卻裝置，但只有一個(gè)電極可設(shè)有電極冷卻裝置。當(dāng)然，最好是兩個(gè)電極都設(shè)有電極冷卻裝置。但是，如果只有一個(gè)電極設(shè)有電極冷卻裝置，產(chǎn)生并沉積有納米碳管的陰極最好設(shè)有電極冷卻裝置。
通過(guò)利用包括真空泵14、氣缸17、輸入管15和閥19在內(nèi)的大氣調(diào)節(jié)裝置來(lái)適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)反應(yīng)容器10中的大氣，就可將放電區(qū)域中的大氣設(shè)定到所需的狀態(tài)。具體地說(shuō)，真空泵14可對(duì)反應(yīng)容器10的內(nèi)部進(jìn)行加壓和減壓。在真空泵14對(duì)反應(yīng)容器10內(nèi)部進(jìn)行減壓之后，打開(kāi)閥19，且儲(chǔ)存在氣缸17內(nèi)的所需氣體就會(huì)通過(guò)輸入管15進(jìn)入到反應(yīng)容器10中，從而獲得所需的氣體環(huán)境。應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)大氣環(huán)境是大氣壓下的空氣環(huán)境時(shí)，就不必對(duì)大氣環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)。
真空泵14可以是旋轉(zhuǎn)泵、擴(kuò)散泵、渦輪分子泵或類似的泵。
反應(yīng)容器10內(nèi)的大氣(也就是，放電區(qū)域的大氣，此后以同樣的意義進(jìn)行使用)壓力可以是0.01Pa或更大和510kPa或更小，最好是0.1Pa或更大和105kPa或更小，且優(yōu)選是13Pa或更大和70kPa或更小。在這樣的壓力下，可制造出高純度的納米碳管。
盡管反應(yīng)容器10中的氣體沒(méi)有具體的限制，但空氣、氦氣、氬氣、氙氣、氖氣、氮?dú)狻錃饧斑@些氣體的混合氣體是優(yōu)選的。在真空泵14將反應(yīng)容器10的內(nèi)部排空之后，當(dāng)從裝有所需氣體的氣缸17輸入所需的氣體時(shí)，氣體就會(huì)輸入到預(yù)定的壓力。
在本發(fā)明中，反應(yīng)容器10內(nèi)的大氣還可儲(chǔ)存包括含碳材料的氣體。在此情況下，大氣可只包括包括含碳材料的氣體，或者可將包括含碳材料的氣體輸入到上述不同類型氣體的大氣中。通過(guò)將包括含碳材料的氣體加入到大氣中，就可產(chǎn)生具有特定結(jié)構(gòu)的納米碳管。該納米碳管具有在以納米碳管為中心的周圍生長(zhǎng)的碳結(jié)構(gòu)。
盡管可用的含碳材料并沒(méi)有進(jìn)行限制，但可采用如乙烷、甲烷、丙烷和己烷這樣的烴類材料、如乙醇、甲醇和丙醇這樣的醇類材料、如丙酮這樣的酮類材料、石油產(chǎn)品、汽油或如一氧化碳和二氧化碳這樣的無(wú)機(jī)物或類似的物質(zhì)。特別優(yōu)選的是丙酮、乙醇和己烷。
可產(chǎn)生磁力的任何物質(zhì)可作為永久磁鐵20-23來(lái)用作磁性產(chǎn)生元件。如上所述，也可采用電磁鐵來(lái)代替永久磁鐵。所形成的預(yù)定磁場(chǎng)包括如上所述的具有圖3(a)、圖3(b)、圖4(a)和圖4(b)所示形狀的磁場(chǎng)。在圖1中的用于制造納米碳管的裝置中，可選擇圖3(a)和3(b)所示的兩種磁場(chǎng)形式。
在所形成的預(yù)定磁場(chǎng)中，當(dāng)放電區(qū)域中的磁力線包括大致與電極11和12的軸線(也就是，形成于電極11和12之間的放電電流的流動(dòng)方向)平行的多個(gè)分量時(shí)，就可制造出高純度的納米碳管，因此該狀態(tài)是優(yōu)選的。也就是，圖3(a)中的磁場(chǎng)優(yōu)選于圖3(b)的磁場(chǎng)。圖3(a)中的結(jié)構(gòu)可用于該實(shí)施例中。
在設(shè)定為上述狀態(tài)的圖1所示的用于制造納米碳管的裝置中，通過(guò)由電源18將電壓作用在電極11和12之間，就可在電極11和12之間產(chǎn)生放電等離子體。盡管放電等離子體的類型包括電弧等離子體、輝光等離子體和類似的等離子體，但電弧等離子體是有效地制造納米碳管的優(yōu)選等離子體。
當(dāng)進(jìn)行電弧放電時(shí)，在電弧放電之前可進(jìn)行接觸電弧處理。接觸電弧處理是在電極11和12相互接觸且作用有電壓之后移動(dòng)裝置13將電極11和12分離到一定的電極間距并產(chǎn)生放電等離子體的過(guò)程。通過(guò)該過(guò)程，就可方便而快速地產(chǎn)生穩(wěn)定的放電等離子體。
盡管作用于電極11和12之間的電壓可以是直流或交流的，但優(yōu)選的是直流電壓，其可提高所獲得的納米碳管的純度。當(dāng)作用交流電壓時(shí)，就極性而言，電極11和12沒(méi)有區(qū)別。
相對(duì)于產(chǎn)生放電等離子體的電極的電極頭面積，在產(chǎn)生放電等離子體時(shí)，放電電流密度最好是0.05A/mm2或更大和15A/mm2或更小，且更好是1A/mm2或更大和5A/mm2或更小。這里，“產(chǎn)生放電等離子體的電極”在作用電壓為直流電壓時(shí)表示陰極，而當(dāng)作用電壓為交流電壓時(shí)則表示具有較小電極頭面積的電極(這也適用于本發(fā)明的其它情況)。
電源18作用于電極11和12之間的電壓最好是1V或更大和30V或更小，且更好是15V或更大和25V或更小。由于進(jìn)行放電要消耗電極12的電極頭，因此，在放電過(guò)程中，電極11和12之間的間距會(huì)發(fā)生變化。最好通過(guò)利用移動(dòng)裝置13來(lái)適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)電極11和12之間的間距，從而控制電極11和12之間的電壓保持恒定。
在兩個(gè)相對(duì)電極11和12的產(chǎn)生放電等離子體的電極的電極頭外邊緣處，預(yù)定磁場(chǎng)中的磁通量密度最好是10-5T或更大和1T或更小。當(dāng)磁通量密度小于10-5T時(shí)，就難于形成有效的磁場(chǎng)，且在磁通量密度超過(guò)1T時(shí)，就很難將可在裝置內(nèi)產(chǎn)生磁場(chǎng)的永久磁鐵20-23設(shè)置在放電等離子體產(chǎn)生區(qū)域附近。因此，這兩種情況都是不好的。當(dāng)磁通量密度為10-4T或更大和10-2T或更小時(shí)，由于可產(chǎn)生穩(wěn)定的放電，因此就可有效地制造出納米碳管。
當(dāng)如上所述在電極11和12之間產(chǎn)生放電等離子體時(shí)，碳就從電極11的表面分離，然后反應(yīng)而生成納米碳管。所生成的納米碳管沉積在電極11的電極頭表面、其附近以及反應(yīng)容器10的內(nèi)壁上。也就是，電極12的多孔碳質(zhì)材料變成用作納米碳管的原料的碳的供應(yīng)源。用作原料供應(yīng)源的多孔碳質(zhì)材料非常便宜，且可通過(guò)采用可獲得較高純度納米碳管的利用放電等離子體(特別是電弧放電)的制造方法來(lái)進(jìn)行制造。因此，利用本發(fā)明該實(shí)施例的制造方法，就可以較低的成本有效地制造出高純度的納米碳管。
而且，根據(jù)該實(shí)施例，在電弧放電(放電等離子體)產(chǎn)生區(qū)域中至少形成具有多方向磁力線的磁場(chǎng)(或者具有平行于放電電流流動(dòng)方向的分量的磁場(chǎng))，就可獲得高純度的納米碳管。
另外，根據(jù)該實(shí)施例，設(shè)有用于冷卻永久磁鐵20-23的磁性產(chǎn)生元件冷卻裝置(熱量釋放元件30和管36和38)，從而抑制永久磁鐵20-23的發(fā)熱。因此，在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)可穩(wěn)定地產(chǎn)生放電等離子體，從而就可高效地生產(chǎn)高純度的納米碳管。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，在例如可方便地制造較高純度納米碳管的電弧放電這樣的放電等離子體方法中，將價(jià)格便宜的多孔碳質(zhì)材料作為原料供應(yīng)源來(lái)用作至少一個(gè)電極。因此，可以非常低的成本來(lái)制造納米碳管。
應(yīng)當(dāng)注意，該實(shí)施例僅僅是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)例，本領(lǐng)域技術(shù)人員可在包括本發(fā)明結(jié)構(gòu)元件的技術(shù)方案范圍內(nèi)根據(jù)其所具有的普通知識(shí)可對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作出各種的改型。
實(shí)施例下面將對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行描述。但本發(fā)明并不局限于該實(shí)施例。
圖1所示的制造裝置可用于制造納米碳管。此時(shí)，備長(zhǎng)炭作為多孔碳質(zhì)材料而用作電極12(陽(yáng)極)。通過(guò)加熱脫水法在200℃的大氣環(huán)境下對(duì)所用的備長(zhǎng)炭進(jìn)行2小時(shí)的脫水處理。圖6是用于該實(shí)施例的備長(zhǎng)炭表面的掃描電子顯微(SEM)照片(放大500倍)。從照片中可看出備長(zhǎng)炭表面上存在多個(gè)孔。
應(yīng)當(dāng)注意，利用掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察，使用的是Hitachi Ltd.制造的S-4500掃描電子顯微鏡。而且，根據(jù)照片放大的程度，照片放大倍率有一定的誤差。(上述這段說(shuō)明對(duì)在該實(shí)施例中利用掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察的其它情況也是適用的。)下面將對(duì)單個(gè)組成結(jié)構(gòu)的其它特殊要求進(jìn)行說(shuō)明。
反應(yīng)容器10由不銹鋼制成的圓筒形容器腔。直徑210毫米，長(zhǎng)度為380毫米。
電極(陰極)11外徑為5毫米的圓柱形石墨棒(純度99.9％或更大)。
電極(陽(yáng)極)12加工成外徑為15毫米的圓柱形備長(zhǎng)炭。
電極11的電極頭位置假想平面X和假想平面Y之間的中點(diǎn)下方9毫米(假想平面Y上方2毫米)。
移動(dòng)裝置13可通過(guò)步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)電極11。在等離子體放電過(guò)程中，調(diào)整并使電極11和12之間的間距保持恒定。
電源18可從20A到300A范圍內(nèi)控制電流的直流電弧焊接電源(OsakaDenki AR-SB300)。
永久磁鐵20-23直徑為22毫米，厚度為10毫米的圓柱形NdFB永久磁鐵(Niroku Seisakusho)。永久磁鐵20-23以冷卻裝置的形式進(jìn)行安裝，并裝入到熱量釋放元件30(長(zhǎng)度50毫米，寬度40毫米，厚度25毫米，銅蓋34的厚度為2.5毫米)中。再確定銅管36和38的路徑，冷卻劑經(jīng)管36和38循環(huán)流動(dòng)，并控制溫度以便在放電過(guò)程中將永久磁鐵20-23的溫度保持在100℃之內(nèi)。因此，在放電過(guò)程中，永久磁鐵20-23的溫度不會(huì)超過(guò)居里溫度點(diǎn)。兩個(gè)相對(duì)的永久磁鐵之間的最小距離為82毫米。電極11的電極頭邊緣處的磁通量密度為7mT。
夾持裝置41直徑為30毫米且長(zhǎng)度為80毫米的銅制圓筒。水循環(huán)流經(jīng)的冷卻劑循環(huán)管布置在夾持裝置內(nèi)，以便將電極11的電極頭處的溫度控制在300℃之內(nèi)。
夾持裝置42直徑為40毫米且長(zhǎng)度為120毫米的銅制圓筒。水循環(huán)流經(jīng)的冷卻劑循環(huán)管布置在夾持裝置內(nèi)，以便將電極12的電極頭處的溫度控制在300℃之內(nèi)。
上述制造裝置用于制造納米碳管。對(duì)反應(yīng)容器10的內(nèi)部不進(jìn)行減壓，在101.325kPa(一個(gè)大氣壓)的壓力下制造納米碳管。為了在電極11和12之間產(chǎn)生電弧放電，首先進(jìn)行接觸電弧處理，然后，在放電開(kāi)始之后，使電極11和12間隔開(kāi)0.5-2毫米。電源18所提供的電壓為直流25V。在上述情況下進(jìn)行電弧放電，放電周期為60秒。電流為85A，相對(duì)于電極11的電極頭區(qū)域的放電電流密度為4.3A/mm2。
在放電之后，取出電極11，通過(guò)上述掃描電子顯微鏡放大100和5000倍對(duì)其電極頭進(jìn)行觀察。圖7(放大100倍)和圖8(放大5000倍)示出了此時(shí)的掃描電子顯微(SEM)照片。
而且，從如上所述組成的制造裝置中取出永久磁鐵20-23和永久磁鐵20-23所附帶的元件(熱量釋放元件30和管36和38)，然后，以上述同樣的方式制造納米碳管。在放電之后，同樣地通過(guò)掃描電子顯微鏡來(lái)對(duì)電極11的電極頭進(jìn)行觀察。圖9(放大100倍)和圖10(放大5000倍)示出了此時(shí)的SEM照片。
從這些SEM照片中可看出，利用價(jià)格低廉的備長(zhǎng)炭可制造出納米碳管。該實(shí)施例所用的備長(zhǎng)炭每克大約是0.3日元，該材料的價(jià)格明顯地低于每克大約為26日元的高純度石墨。因此，顯著地降低了納米碳管的制造成本。
另外，在圖7和8所示的通過(guò)布置永久磁鐵20-23所制造的納米碳管的SEM照片中，與圖9和10所示的通過(guò)取出永久磁鐵20-23所制造的納米碳管的SEM照片相比，在電極11的整個(gè)電極頭范圍內(nèi)，存在納米碳管的區(qū)域要寬。另外，與后者相比，可以看出，前者所獲得的納米碳管的純度要高。
顯然，從提高納米碳管的純度和制造效率的觀點(diǎn)出發(fā)，包括永久磁鐵20-23是有效的，以便在放電等離子體產(chǎn)生區(qū)域中至少形成具有多方向磁力線的磁場(chǎng)或者具有平行于放電電流流動(dòng)方向的分量的磁場(chǎng)。應(yīng)當(dāng)注意，對(duì)于本發(fā)明而言，永久磁鐵20-23并不是必不可少的元件。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，可采用放電等離子體法，并采用單位價(jià)格較低的多孔碳質(zhì)材料來(lái)作為電極。因此，就提供了一種可以較低的成本來(lái)制造納米碳管的納米碳管制造裝置和方法。
此時(shí)，通過(guò)在放電等離子體產(chǎn)生區(qū)域至少形成具有多方向磁力線的磁場(chǎng)或者具有平行于放電電流流動(dòng)方向的分量的磁場(chǎng)，就可提供一種可制造價(jià)格低廉且具有較高純度的納米碳管的納米碳管制造裝置和方法。
權(quán)利要求
1.一種納米碳管制造裝置包括電極頭相對(duì)的至少兩個(gè)電極；在兩個(gè)電極之間施加電壓以便在兩個(gè)電極之間的放電區(qū)域產(chǎn)生放電等離子體的至少一個(gè)電源，其中，電極頭相對(duì)的兩個(gè)電極中的至少一個(gè)是由多孔碳質(zhì)材料制成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米碳管制造裝置，其特征在于，多孔碳質(zhì)材料預(yù)先經(jīng)過(guò)脫水處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米碳管制造裝置，其特征在于，多孔碳質(zhì)材料是備長(zhǎng)炭或竹炭。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米碳管制造裝置，其特征在于，多孔碳質(zhì)材料是在超過(guò)700℃條件下處理的炭。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米碳管制造裝置，其特征在于，多孔碳質(zhì)材料是在850-2500℃范圍處理的炭。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米碳管制造裝置，其特征在于，多孔碳質(zhì)材料是在1000-2500℃范圍處理的炭。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米碳管制造裝置，其特征在于，電極頭相對(duì)的兩個(gè)電極中的至少陽(yáng)極是由多孔碳質(zhì)材料制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米碳管制造裝置，其特征在于，還包括一個(gè)在放電等離子體產(chǎn)生區(qū)域至少形成一個(gè)具有多方向磁力線的磁場(chǎng)或一個(gè)具有平行于放電電流流動(dòng)方向的分量的磁場(chǎng)的磁場(chǎng)產(chǎn)生裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米碳管制造裝置，其特征在于，放電區(qū)域中所產(chǎn)生的放電等離子體是電弧等離子體。
10.一種納米碳管的制造方法，包括在電極頭相對(duì)的兩個(gè)電極之間施加電壓；在兩個(gè)電極之間的放電區(qū)域產(chǎn)生放電等離子體；以及將由多孔碳質(zhì)材料制成的電極用作電極頭相對(duì)的兩個(gè)電極中的至少一個(gè)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的納米碳管的制造方法，其特征在于，還包括在兩個(gè)電極之間的放電區(qū)域產(chǎn)生放電等離子體之前，使多孔碳質(zhì)材料經(jīng)過(guò)脫水處理。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的納米碳管的制造方法，其特征在于，多孔碳質(zhì)材料是備長(zhǎng)炭或竹炭。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的納米碳管的制造方法，其特征在于，多孔碳質(zhì)材料是在超過(guò)700℃條件下處理的炭。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的納米碳管的制造方法，其特征在于，多孔碳質(zhì)材料是在850-2500℃范圍處理的炭。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的納米碳管的制造方法，其特征在于，多孔碳質(zhì)材料是在1000-2500℃范圍處理的炭。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的納米碳管的制造方法，其特征在于，還包括將由多孔碳質(zhì)材料制成的電極用作電極頭相對(duì)的兩個(gè)電極中的至少陽(yáng)極。
17.根據(jù)權(quán)利要求10所述的納米碳管的制造方法，其特征在于，還包括在放電等離子體產(chǎn)生區(qū)域至少形成一個(gè)具有多方向磁力線的磁場(chǎng)或一個(gè)具有平行于放電電流流動(dòng)方向的分量的磁場(chǎng)。
18.根據(jù)權(quán)利要求10所述的納米碳管的制造方法，其特征在于，放電區(qū)域中所產(chǎn)生的放電等離子體是電弧等離子體。
全文摘要
一種納米碳管制造裝置包括電極頭相對(duì)的至少兩個(gè)電極和一個(gè)在兩個(gè)電極之間施加電壓以便在兩個(gè)電極之間的放電區(qū)域產(chǎn)生放電等離子體的電源。通過(guò)采用多孔碳質(zhì)材料作為兩個(gè)電極中的至少一個(gè)，就可提供一種可以較低的成本制造便宜且具有較高純度的納米碳管的納米碳管制造裝置及其制造方法。
文檔編號(hào)C01B31/02GK1524784SQ0315878
公開(kāi)日2004年9月1日 申請(qǐng)日期2003年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月27日
發(fā)明者穴澤一則, 岸健太郎, 郎, 平方昌記, 記, 之, 渡邊浩之, 昭, 清水正昭 申請(qǐng)人:富士施樂(lè)株式會(huì)社