專利名稱：納米碳的制造裝置和納米碳的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米碳的制造裝置和納米碳的制造方法。
背景技術(shù)：
近年來，對(duì)納米碳的工業(yè)應(yīng)用研究頗為盛行。納米碳是指具有納米尺度微細(xì)結(jié)構(gòu)的碳物質(zhì)，由碳納米管和碳納米突等為代表。
已有報(bào)道通過激光蒸發(fā)方法(激光燒蝕方法)制造由軋制成圓筒形的石墨薄片制成的碳納米管，在該方法中，原料碳物質(zhì)(下文中某些情況下稱為石墨靶)在惰性氣體氛圍中被激光束照射(專利文獻(xiàn)1)。在專利文獻(xiàn)1中，包含催化劑的碳小球被用作石墨靶，其表面被激光束照射。
另外，碳納米突也具有管狀結(jié)構(gòu)，其中碳納米管的一端具有圓錐形狀。從它的特異性質(zhì)可以預(yù)期在各種技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用。通常，通過在各個(gè)圓錐形部分之間起作用的范德華力，碳納米突集合成以管為中心的圓錐形部分從表面上突出成角(horn)的形式，從而形成碳納米突集合體。
據(jù)報(bào)道，碳納米突集合體也用激光蒸發(fā)方法制造(專利文獻(xiàn)2)。在專利文獻(xiàn)2中，圓筒形石墨靶的表面被激光束照射，以此來制造碳納米突集合體。
專利文獻(xiàn)1日本專利申請(qǐng)公開第2000-313608號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2日本專利申請(qǐng)公開第2001-64004號(hào)公報(bào)發(fā)明簡(jiǎn)述此處，在把碳納米突集合體投入實(shí)際應(yīng)用的方面，大量制造的技術(shù)發(fā)展是一個(gè)關(guān)鍵的問題。然而，在碳納米突集合體的連續(xù)、穩(wěn)定制造方面，上述相關(guān)技術(shù)中描述的方法還有改進(jìn)的空間。
鑒于上述情況，本發(fā)明的目的是為碳納米突集合體的穩(wěn)定大量制造提供制造方法和制造裝置。同時(shí)，本發(fā)明的另一個(gè)目的是為納米碳的穩(wěn)定大量制造提供制造方法和制造裝置。
本發(fā)明人在納米碳的有效大量制造技術(shù)方面做了很多研究。本發(fā)明是在以上描述的新知識(shí)基礎(chǔ)上完成的。
根據(jù)本發(fā)明，提供納米碳的制造裝置，其包含保持圓筒形石墨靶的靶保持單元；光源，用于光照射石墨靶的圓筒面；移動(dòng)單元，用于將被靶保持單元保持的石墨靶和光源中的一方相對(duì)于另一方移動(dòng)，以移動(dòng)圓筒面上的光的照射位置；和收集單元，用于收集從被光照射的石墨靶蒸發(fā)的碳蒸氣作為納米碳。
另外，根據(jù)本發(fā)明，提供納米碳的制造方法，其中在移動(dòng)光的照射位置的同時(shí)光照射圓筒形石墨靶的圓筒面，并且收集從石墨靶蒸發(fā)的碳蒸氣作為納米碳。
在本發(fā)明中，光照射是在圓筒形石墨靶的圓筒面上進(jìn)行的。此處，在激光蒸發(fā)方法中，被激光束照射一次的石墨靶的表面變得粗糙。以在圓筒形石墨靶表面照射激光束的情況為例對(duì)此進(jìn)行說明。圖3是在采用圓筒形石墨靶的情況下表示其照射方式的圖。圖3(c)是首次用激光束103照射石墨棒101時(shí)，垂直于石墨棒101長(zhǎng)度方向的橫截面視圖，圖3(a)是激光束103照射部分的放大圖。
如圖3(a)和3(c)中所示，由于被激光束103首次照射的側(cè)面是平面，因而在某些確定方向上產(chǎn)生煙羽(plume)109。另一方面，圖3(d)是說明圖3(c)中用激光束103照射側(cè)面一次或多次之后，再次用激光束103照射的方式的圖。圖3(b)是激光束103照射部分的放大圖。如圖3(b)和3(d)所示，石墨棒101的側(cè)面被激光束103照射一次時(shí)變得粗糙。當(dāng)用激光束103再次照射面變粗糙的位置時(shí)，激光束103的照射角度和石墨棒101側(cè)面上的光照射面積產(chǎn)生變化，因此在照射位置處產(chǎn)生功率密度的波動(dòng)，并且在產(chǎn)生煙羽109的方向上也產(chǎn)生擾動(dòng)。
在本發(fā)明中，在移動(dòng)圓筒面上的照射位置的同時(shí)，進(jìn)行光照射。因此，與在恒定照射位置持續(xù)照射激光束的情況相比，可以使照射位置處的功率密度的大小穩(wěn)定。因此，能夠以穩(wěn)定的方式有效地制造具有期望性質(zhì)的納米碳。
另外，在圓筒形石墨靶上，形成圓筒面的側(cè)面通常具有比平坦端面更大的表面積，因此，通過在移動(dòng)圓筒面上的照射位置的同時(shí)進(jìn)行光照射時(shí)，可以確實(shí)地提供平滑表面作為新的照射面。因此，能夠穩(wěn)定、大量地制造納米碳。
此處，在本說明書中，“功率密度”是指實(shí)際照射石墨靶表面的光的功率密度，即，石墨靶表面的光照射位置處的功率密度。
根據(jù)本發(fā)明，提供納米碳的制造裝置，其包含靶保持單元，保持圓筒形石墨靶并使石墨靶繞中心軸旋轉(zhuǎn)；光源，用于光照射石墨靶的圓筒面；和收集單元，用于收集從被光照射的石墨靶蒸發(fā)的碳蒸氣作為納米碳。
另外，根據(jù)本發(fā)明，提供納米碳的制造方法，其中在使石墨靶繞中心軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)光照射圓筒形石墨靶的圓筒面，并且收集從石墨靶蒸發(fā)的碳蒸氣作為納米碳。
在本發(fā)明中，在使石墨靶繞中心軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，光照射圓筒面。因此，通過簡(jiǎn)單的構(gòu)成就可以連續(xù)地變化光照射位置。因此，能夠有效地提供新的照射位置，穩(wěn)定、大量地制造納米碳。通過使圓筒形石墨靶繞中心軸旋轉(zhuǎn)光照射圓筒面，能夠容易地以比光照射石墨靶的端面的情況簡(jiǎn)單的構(gòu)成提供新的照射位置。
此處，在本發(fā)明中，“中心軸”是指穿過與圓筒形石墨靶的長(zhǎng)度方向垂直的橫截面中心，并與長(zhǎng)度方向水平的軸。另外，例如可使用石墨棒作為圓筒形的石墨靶。此處，“石墨棒”是指形成棒狀的石墨靶。只要它具有棒狀，至于是空心還是實(shí)心則無關(guān)緊要。另外，如上所述，被光照射的圓筒形石墨靶的表面優(yōu)選是圓筒形石墨靶的側(cè)面。在本說明書中，“圓筒形石墨靶的側(cè)面”是指與圓筒體的長(zhǎng)度方向平行的曲面，并且這一表面也稱為圓筒面。
本發(fā)明的納米碳制造裝置可以進(jìn)一步形成包含使石墨靶相對(duì)于光源的相對(duì)位置移動(dòng)的移動(dòng)單元的結(jié)構(gòu)。
另外，在本發(fā)明的納米碳制造方法中，光照射可以在移動(dòng)光的照射位置的同時(shí)進(jìn)行。
通過這樣，可以更加穩(wěn)定地獲得具有期望性質(zhì)的納米碳。
在本發(fā)明的納米碳制造裝置中，移動(dòng)單元可以形成在使石墨靶上的照射位置處的照射角度接近恒定的同時(shí)移動(dòng)光的照射位置的結(jié)構(gòu)。
另外，本發(fā)明的納米碳使用方法可以包含光照射，使得圓筒面上的光照射角度接近恒定。
通過這樣，能夠更加確實(shí)地抑制照射位置處光的功率密度的波動(dòng)。因此，能夠穩(wěn)定地以高產(chǎn)量制造具有期望性質(zhì)的納米碳。
此處，在本說明書中，包含在煤煙狀物質(zhì)中的碳納米突的比率也稱為“碳納米突的純度”或“碳納米突的收率”。
在本發(fā)明的納米碳制造方法中，光照射可以是激光束照射。通過這樣，能夠更加確實(shí)地在石墨靶的表面施加具有期望功率密度的光。因此，能夠更穩(wěn)定地制造納米碳。
本發(fā)明的納米碳制造裝置可以形成其中收集單元包括用于收集收集通過光照射產(chǎn)生的納米碳的粉末的腔室的結(jié)構(gòu)。
通過這樣，能夠容易地將收集腔室的尺寸設(shè)計(jì)為適合納米碳產(chǎn)生量的尺寸。因此，能夠更加確實(shí)地收集產(chǎn)生的納米碳的粉末。另外，通過將產(chǎn)生的納米碳粉末分離到收集腔室，納米碳能夠抑制施加到石墨靶上的光照射引起的功率密度的波動(dòng)。
本發(fā)明的納米碳制造裝置可以形成包含引導(dǎo)單元的結(jié)構(gòu)，所述的引導(dǎo)單元在通過光照射從光照射位置處產(chǎn)生煙羽的方向上延伸，并且與收集腔室連能，從而將納米碳引導(dǎo)到收集腔室。通過這樣，可以更確實(shí)地將通過冷卻從煙羽飛出的碳蒸氣而產(chǎn)生的納米碳導(dǎo)入收集腔室、并收集。
在本發(fā)明的納米碳制造方法中，收集納米碳可以包括收集碳納米突。
另外，在本發(fā)明的納米碳制造裝置中，納米碳可以是碳納米突。
另外，在本發(fā)明中，碳納米突可以構(gòu)成碳納米突集合體。
通過這樣，能夠有效地進(jìn)行碳納米突集合體的大量合成。在本發(fā)明中，構(gòu)成碳納米突集合體的碳納米突可以是單層碳納米突或者多層碳納米突。
另外，也可以收集碳納米管作為納米碳。
此處，這些結(jié)構(gòu)的任何組合和通過在方法、裝置等之間變換本發(fā)明的表現(xiàn)而獲得的方式也是本發(fā)明有效的方式。
如上用圖3所描述的，石墨靶的表面被激光束照射一次即變得粗糙。當(dāng)用激光束103再次照射面粗糙化狀態(tài)的位置時(shí)，激光束103的功率密度產(chǎn)生變化。因此，優(yōu)選提供石墨靶圓筒面的平滑部分作為激光束103。因此，本發(fā)明人著眼于穩(wěn)定提供平坦表面做了進(jìn)一步的研究，并且得到以下的發(fā)明。
本發(fā)明的納米碳制造方法可以包括收集從石墨靶蒸發(fā)的碳蒸氣作為納米碳，并將被光照射的石墨靶表面平滑化；再次光照射被平滑化的石墨靶表面，并收集從石墨靶蒸發(fā)的碳蒸氣作為納米碳。
另外，本發(fā)明的納米碳制造裝置可以包括表面處理單元，用于平滑化被光照射的石墨靶表面。
在本發(fā)明中，“平滑化”是指處理過程，與處理前相比相對(duì)減少石墨靶表面上的凹凸程度。根據(jù)本發(fā)明的納米碳制造方法，盡管石墨靶表面被光照射而變粗糙，但可對(duì)其平滑化并再次光照射平滑化的位置。因此，被光照射的石墨靶表面總是保持在平滑狀態(tài)。因此，石墨靶表面的照射位置處的功率密度保持恒定，從而實(shí)現(xiàn)了納米碳的穩(wěn)定大量合成。
根據(jù)本發(fā)明，提供納米碳的制造方法，其包含在使石墨靶繞中心軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)光照射圓筒形石墨靶的表面，收集從石墨靶蒸發(fā)的碳蒸氣作為納米碳，并平滑化被光照射的石墨靶表面；在使石墨靶繞中心軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)再次光照射被平滑化的表面，并收集從石墨靶蒸發(fā)的碳蒸氣作為納米碳。
另外，根據(jù)本發(fā)明，提供納米碳的制造裝置，其包含靶保持單元，保持圓筒形石墨靶并使石墨靶繞中心軸旋轉(zhuǎn)；光源，用于光照射石墨靶的表面；表面處理單元，用于平滑化被光照射的石墨靶表面；和收集單元，用于收集從被光照射的石墨靶蒸發(fā)的碳蒸氣作為納米碳。
根據(jù)本發(fā)明，圓筒形石墨靶繞中心軸旋轉(zhuǎn)，從而使得被光照射變粗糙的側(cè)面被平滑化。然后再次光照射被平滑化的側(cè)面。因此，通過在使圓筒形石墨靶旋轉(zhuǎn)的同時(shí)進(jìn)行光照射和平滑化，能夠連續(xù)、有效地大量制造納米碳。
在本發(fā)明的納米碳制造方法中，可以在光照射石墨靶表面的步驟和再次光照射石墨靶表面的步驟中，在移動(dòng)光的照射位置的同時(shí)進(jìn)行光照射。
另外，本發(fā)明的納米碳制造裝置可以進(jìn)一步包含移動(dòng)單元，移動(dòng)石墨靶相對(duì)于光源的相對(duì)位置。作為移動(dòng)單元，例如在使圓筒形石墨靶繞中心軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)進(jìn)行光照射的情況下，可以采用移動(dòng)石墨靶的位置從而在石墨靶的長(zhǎng)度方向上移動(dòng)照射位置的方式。
通過這樣，可以更加有效和連續(xù)地進(jìn)行光照射、平滑化和再次光照射，從而實(shí)現(xiàn)納米碳的有效大量制造。
例如，根據(jù)本發(fā)明，提供納米碳的制造方法，其包含將石墨靶置于腔室中，在移動(dòng)照射位置的同時(shí)光照射石墨靶的表面，收集從石墨靶蒸發(fā)的碳蒸氣作為納米碳，并平滑化被光照射的石墨靶表面；不將石墨靶從腔室中取出，在移動(dòng)照射位置的同時(shí)再次光照射被平滑化的石墨靶表面，并收集從石墨靶蒸發(fā)的碳蒸氣作為納米碳。
在本發(fā)明的納米碳制造方法中，平滑化被光照射的表面可以包括除去石墨靶表面的一部分。
另外，在本發(fā)明的納米碳制造裝置中，表面處理單元可以在與光照射位置不同的位置處除去石墨靶表面的一部分。
通過這樣，被光照射而變粗糙的石墨靶表面能夠更有效地被平滑化。只要石墨靶表面能被平滑化，除去石墨靶表面的一部分的方法并無特別限制；可以舉出切削，研磨，拋光等作為例子。
本發(fā)明的納米碳制造裝置可以進(jìn)一步包含碎屑收集單元，用于收集表面處理單元中產(chǎn)生的石墨靶的碎屑。通過這樣，能夠有效地將切削石墨靶表面產(chǎn)生的切削碎屑與產(chǎn)生的納米碳分離并收集。
在本發(fā)明的納米碳制造方法中，光照射可以包括用激光束照射。通過這樣，可以使光的波長(zhǎng)和方向保持恒定，從而能夠以良好的精度控制光照射石墨靶表面的條件，因而可以選擇性地制造期望的納米碳。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，通過在將圓筒形石墨靶和光源中的一方相對(duì)于另一方移動(dòng)的同時(shí)光照射石墨靶的圓筒面，可以穩(wěn)定地大量制造納米碳。另外，根據(jù)本發(fā)明，可以穩(wěn)定地大量制造碳納米突集合體。
附圖簡(jiǎn)述從下文描述的優(yōu)選實(shí)施方案及與其相關(guān)的下列附圖，可以更加清楚地了解上述目的和其他目的、特征及優(yōu)點(diǎn)。


圖1是表示本發(fā)明的納米碳制造裝置的結(jié)構(gòu)的一例的圖。
圖2是用于說明圖1的納米碳制造裝置的結(jié)構(gòu)的圖。
圖3是用于說明固體碳元素物質(zhì)的激光束照射位置的圖。
圖4是表示本發(fā)明的納米碳制造裝置的結(jié)構(gòu)的一例的圖。
圖5是表示本發(fā)明的納米碳制造裝置的結(jié)構(gòu)的一例的圖。
圖6是說明圖5的納米碳制造裝置中石墨靶上的激光束照射位置的圖。
發(fā)明詳述下文將以納米碳為碳納米突集合體的情況作為實(shí)例，描述根據(jù)本發(fā)明的納米碳制造裝置和制造方法的優(yōu)選實(shí)施方案。
(第一實(shí)施方案)圖5是表示根據(jù)本實(shí)施方案的納米碳制造裝置183的結(jié)構(gòu)的圖。此處，在本說明書中，圖5和用來描述其他制造裝置的圖是示意圖，因此每個(gè)構(gòu)成部件的尺寸不一定符合實(shí)際的尺寸比例。
圖5的納米碳制造裝置347包含制造腔室107，納米碳收集腔室119，輸送管141，激光源111，透鏡123，激光束窗113和旋轉(zhuǎn)裝置115。更進(jìn)一步地，納米碳制造裝置347包含惰性氣體供給單元127，流量計(jì)129，真空泵143和壓力表145。
從激光源111發(fā)出的激光束103被透鏡123聚集，并通過激光源111施加到制造腔室107中的石墨棒101上。采用石墨棒101作為固體碳元素物質(zhì)，充當(dāng)激光束103照射的靶。
將激光束103施加到石墨棒101的圓筒面上，以使照射角度保持恒定。將用圖6來解釋這種方式。圖6例示了用激光束103以45°的照射角度照射石墨棒101的圓筒面的情況。如圖6中所示，激光束103在垂直于石墨棒101縱軸的方向上入射到圓筒面上。另外，照射位置處的照射角度為45°。
通過在保持激光束103的照射角度恒定的同時(shí)以預(yù)定速度使石墨棒101繞其中心軸旋轉(zhuǎn)，可以在圓周方向上以恒定的功率密度將激光束103連續(xù)地施加到石墨棒101的側(cè)面上。另外，通過使石墨棒101在其長(zhǎng)度方向上滑動(dòng)，可以在石墨棒101的長(zhǎng)度方向上以恒定的功率密度連續(xù)地施加激光束103。
另外，當(dāng)石墨靶表面被激光束103照射時(shí)，照射位置處在石墨棒101表面的法線方向上產(chǎn)生煙羽109。然后，從煙羽109飛出的碳蒸氣被冷卻成為納米碳。當(dāng)激光束103與被激光束103照射的位置處被照射面的法線之間形成的角度小時(shí)，產(chǎn)生的煙羽109返回到激光束103一側(cè)，這樣就導(dǎo)致所謂的激光束103的反射。
此時(shí)，例如當(dāng)石墨棒101的端面被激光束103照射而在端面產(chǎn)生煙羽109時(shí)，產(chǎn)生的狀態(tài)是生成的碳納米突集合體117飄浮在來自照射面的激光束103的光學(xué)路徑的附近。因此，當(dāng)施加激光束103時(shí)，激光束103可以穿過生成的碳納米突集合體117。這可能會(huì)破壞碳納米突集合體117的結(jié)構(gòu)。
另外，當(dāng)碳納米突集合體117吸收激光束103，激光束103就會(huì)被削弱。然后，被照射面上的功率密度降低。因此，產(chǎn)生反光是導(dǎo)致碳納米突集合體117的收率下降的原因之一。另外，當(dāng)反光返回到激光束103一側(cè)，收集煙羽109的效率也會(huì)降低。
另外，當(dāng)產(chǎn)生反光時(shí)，反光會(huì)返回到光學(xué)元件一側(cè)如激光束窗113或透鏡123。通過這種結(jié)構(gòu)，煤煙狀物質(zhì)趨向于附著到光學(xué)元件上。當(dāng)煤煙狀物質(zhì)附著到光學(xué)元件上時(shí)，激光束103被吸收，導(dǎo)致施加到石墨靶上的能量密度發(fā)生變化。另外，除去煤煙狀物質(zhì)的維護(hù)所需的時(shí)間增加。因此，這也是制造效率和其收率下降的原因之一。
在本實(shí)施方案中，為了通過抑制反光的產(chǎn)生穩(wěn)定地制造高純度的碳納米突集合體117，優(yōu)選在使石墨棒101繞中心軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，將照射角度設(shè)定為30°以上及60°以下。此處，在本說明書中，照射角度是指與垂直于被激光束103照射的位置處石墨靶表面的線與激光束103之間形成的角度。當(dāng)采用圓筒形石墨靶時(shí)，照射角度是水平面與連接照射位置和與石墨棒101的長(zhǎng)度方向垂直的橫截面中圓的中心的線段之間形成的角度，如圖2，圖3(c)和圖3(d)所示。
通過將該照射角度設(shè)定為30°以上，可以抑制由所施加的激光束103的反射所產(chǎn)生的反光。另外，防止產(chǎn)生的煙羽109穿過激光束窗113直接擊中透鏡123。因此，這樣可以有效地保護(hù)透鏡123并防止碳納米突集合體117附著到激光束窗113上。因此，可以穩(wěn)定化施加到石墨棒101上的光的功率密度，并且可以穩(wěn)定地以高收率制造碳納米突集合體117。
另外，通過以60°以下施加激光束103，可以抑制無定形碳的產(chǎn)生，并且可以提高產(chǎn)物中碳納米突集合體117的比率，即碳納米突集合體117的收率。更進(jìn)一步地，特別優(yōu)選的是照射角度為45°。通過以45°照射，可以將產(chǎn)物中碳納米突集合體117的比率提高到更高的程度。
另外，由于納米碳制造裝置347的結(jié)構(gòu)是石墨棒101的側(cè)面被激光束103照射，因此在透鏡123的位置固定的狀態(tài)下改變側(cè)面的照射角度，可以容易地進(jìn)行改變。因此，可以使功率密度可變，并被確實(shí)地調(diào)節(jié)。例如，在透鏡123的位置固定的情況下，如果將照射角度設(shè)定為如30°，可以提高功率密度。另外，通過將照射角度設(shè)定為60°，可以控制功率密度為低。
旋轉(zhuǎn)裝115保持石墨棒101并使其繞中心軸旋轉(zhuǎn)。例如，石墨棒101可以在遠(yuǎn)離激光束103和煙羽109的方向上被旋轉(zhuǎn)。通過這樣，能更加確實(shí)地抑制反光的產(chǎn)生。另外，在穩(wěn)定地提供供激光束103照射的新的照射面的同時(shí)，可以確實(shí)地收集碳納米突集合體117。通過固定到旋轉(zhuǎn)裝置115上，可以使石墨棒101繞中心軸旋轉(zhuǎn)。另外，可以作成石墨棒101在例如沿中心軸的方向上可以位置移動(dòng)的結(jié)構(gòu)。
另外，如上用圖3所示，石墨棒101的表面被激光束103照射一次即變得粗糙。在上述專利文獻(xiàn)1中，碳小球的表面被激光照射。然而，因?yàn)樗鼪]有用來相對(duì)移動(dòng)碳小球和激光束照射位置的機(jī)械裝置，因此在恒定的位置持續(xù)照射激光。因此，當(dāng)照射連續(xù)進(jìn)行時(shí)，小球的表面變得粗糙，導(dǎo)致功率密度的波動(dòng)。
另一方面，在納米碳制造裝置347中，通過用石墨棒101繞中心軸旋轉(zhuǎn)并在軸向移動(dòng)的簡(jiǎn)單的裝置結(jié)構(gòu)可以連續(xù)提供平滑表面。因此，納米碳制造裝置347能夠連續(xù)制造納米碳，并能適用于大量制造。另外，能夠獲得高純度的碳納米突集合體117。
另外，一般而言，石墨棒101的側(cè)面比端面有更大的非表面面積。因此，僅僅通過旋轉(zhuǎn)石墨棒101并將其在縱向上水平地移動(dòng)，可以容易地準(zhǔn)備適合照射的新表面。因此，能夠在簡(jiǎn)化裝置的結(jié)構(gòu)的同時(shí)制造具有極好產(chǎn)品性質(zhì)的碳納米突集合體117。
另外，因?yàn)槭?01可以繞中心軸旋轉(zhuǎn)并在縱向上移動(dòng)，所以可以在通過調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)的條件移動(dòng)照射位置的同時(shí)施加激光束103。因此，可以容易地調(diào)節(jié)激光束103照射的條件。
制造腔室107和納米碳收集腔室119通過輸送管141相連。石墨棒101的側(cè)面被來自激光源111的激光束103照射；納米碳收集腔室119經(jīng)由輸送管141設(shè)置在此時(shí)的煙羽109的產(chǎn)生方向上；并且生成的碳納米突集合體117被收集到納米碳收集腔室119。
在被激光束103照射的位置處，在垂直于石墨棒101的切線的方向上產(chǎn)生煙羽109。因此，當(dāng)在該方向上設(shè)置輸送管141時(shí)，可以有效地將碳蒸氣導(dǎo)入納米碳收集腔室119以收集碳納米突集合體117的粉末。例如當(dāng)照射角度為45°時(shí)，輸送管141可以設(shè)置在與煙羽線成45°角的方向上。
納米碳制造裝置347具有的結(jié)構(gòu)是在石墨棒101在圓周方向被旋轉(zhuǎn)的同時(shí)石墨棒101的側(cè)面被激光束103照射。施加激光束103的位置關(guān)系為激光束103的方向與產(chǎn)生煙羽109的方向不一致。通過這樣，可以提前預(yù)測(cè)在石墨棒101的側(cè)面產(chǎn)生煙羽109的角度，因此，可以精確地控制輸送管141的位置和角度。因此，能夠有效地制造并確實(shí)地收集碳納米突集合體117。
接下來，將使用圖5的納米碳制造裝置347具體說明制造碳納米突集合體117的方法。
在納米碳制造裝置347中，使用高純石墨作為石墨棒101，例如使用圓棒形狀的燒結(jié)碳或者壓縮成形碳。
另外，使用例如高輸出功率CO2氣體激光束的激光束作為激光束103。此處，激光束窗113和透鏡123的材料依據(jù)所用激光束103的種類來合適地選擇。例如，當(dāng)使用CO2氣體激光束時(shí)，激光束窗113和透鏡123的材料可以是ZnSe。
用激光束103照射石墨棒101是在反應(yīng)惰性氣體氛圍下、在例如103Pa以上及105Pa以下的氛圍下進(jìn)行的，所述惰性氣體例如Ar，He等稀有氣體。另外，優(yōu)選提前將制造腔室107內(nèi)的氣體排出以將壓力降低到例如10-2Pa以下，在此之后使之成為惰性氣體氣氛。
另外，優(yōu)選調(diào)節(jié)激光束103的輸出功率，光點(diǎn)直徑和照射角度，以使石墨棒101側(cè)面上激光束103的功率密度接近恒定，例如5kW/cm2以上及30kW/cm2以下，例如20±10kW/cm2。
激光束103的輸出功率設(shè)定為例如1kW以上及50kW以下。另外，激光束103的脈沖寬度設(shè)定為例如0.02sec以上，優(yōu)選0.5sec以上，更優(yōu)選0.75sec以上。通過這樣，能夠充分地保證施加到石墨棒101表面的激光束103的積累能量。因此，可以有效地制造碳納米突集合體117。另外，激光束103的脈沖寬度設(shè)定為例如1.5sec以下，優(yōu)選1.25sec以下。通過這樣，可以抑制由石墨棒101表面的過熱引起的表面能量密度的波動(dòng)，抑制碳納米突集合體的產(chǎn)量降低。激光束103的脈沖寬度更優(yōu)選地設(shè)定為0.75sec以上及1sec以下。通過這樣，可以提高碳納米突集合體117的生成比例和產(chǎn)量。
另外，激光束103照射的休止寬度可以設(shè)定為例如0.1sec以上，優(yōu)選設(shè)定為0.25sec以上。通過這樣，可以更確實(shí)地抑制石墨棒101表面的過熱。
另外，在照射時(shí)，石墨棒101側(cè)面上的激光束103的光點(diǎn)直徑可以設(shè)定為例如0.5mm以上及5mm以下。
在激光束103照射時(shí)，石墨棒101通過旋轉(zhuǎn)裝置115在圓周方向上以恒定速率旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)定為例如1rpm以上及20rpm以下。
另外，移動(dòng)激光束103光點(diǎn)的速度(圓周速度)優(yōu)選為例如0.01mm/sec以上及55mm/sec以下。例如在將激光束103施加到直徑為100mm的石墨靶表面的情況下，上述圓周速度可以這樣來實(shí)現(xiàn)，即通過使用旋轉(zhuǎn)裝置115在圓周方向上以恒定速率旋轉(zhuǎn)直徑為100mm的石墨棒101，并設(shè)定旋轉(zhuǎn)數(shù)為例如0.01rpm以上及10rpm以下。此處，石墨棒101的旋轉(zhuǎn)方向并無特殊限制；優(yōu)選在遠(yuǎn)離激光束103的方向上旋轉(zhuǎn)石墨棒101。通過這樣，可以將碳納米突集合體117的粉末導(dǎo)入納米碳收集腔室119并更加確實(shí)地收集。
被收集到納米碳收集腔室119的煤煙狀物質(zhì)主要包含碳納米突集合體117，并且作為例如包含90wt％以上的碳納米突集合體117的物質(zhì)被收集。
(第二實(shí)施方案)在第一實(shí)施方案中，可以在平滑化石墨棒101的圓筒面的同時(shí)進(jìn)行光照射。圖4是表示本實(shí)施方案的納米碳制造裝置結(jié)構(gòu)的一例的圖。圖4的納米碳制造裝置333的基本結(jié)構(gòu)與第一實(shí)施方案的納米碳制造裝置347(圖5)類似；然而，其不同之處在于提供切削工具105和切削石墨收集腔室121。
另外在本實(shí)施方案中，石墨棒101固定在旋轉(zhuǎn)裝置115上，并且可以繞作為軸的中心軸旋轉(zhuǎn)。石墨棒101還可以位置移動(dòng)。
此處，由于石墨棒101通過旋轉(zhuǎn)裝置115被旋轉(zhuǎn)，因此使被激光束103照射的區(qū)域?qū)蚯邢鞴ぞ?05與石墨棒101接觸的位置，并且在該位置處被切削從而使側(cè)面平滑化。由切削工具105產(chǎn)生的石墨棒101的切削碎屑被收集到切削石墨收集腔室121，并與產(chǎn)生的碳納米突集合體117分離。
在納米碳制造裝置333中，激光源111和切削工具105的位置是固定的。由于石墨棒101繞其中心軸旋轉(zhuǎn)，因此被激光束103照射的位置快速移動(dòng)到與切削工具105接觸的位置，并且被切削工具105平滑化。此時(shí)，石墨棒101在其縱向上移動(dòng)從而改變被激光束103照射的位置。被切削工具105切削的位置也隨著照射位置的改變而改變。
這種方式如圖2所示。圖2是說明圖4的納米碳制造裝置333中激光束103，切削工具105和石墨棒101之間關(guān)系的圖。如圖2所示，施加激光束103以使由水平面與連接照射位置和與石墨棒101的長(zhǎng)度方向垂直的橫截面的中心的線段之間形成的角度，即本實(shí)施方案中的照射角度保持恒定。通過在保持激光束103的照射角度恒定的同時(shí)在其長(zhǎng)度方向上滑動(dòng)石墨棒101，可以在石墨棒101的長(zhǎng)度方向上以恒定功率密度連續(xù)地施加激光束103。
另外，如用圖3所示，照射激光束103一次，石墨棒101的側(cè)面即變粗糙。當(dāng)表面變粗糙的位置再次被激光束103照射時(shí)，在照射位置產(chǎn)生功率密度的波動(dòng)，并且在產(chǎn)生煙羽109的方向上也產(chǎn)生擾動(dòng)。這樣，當(dāng)曾經(jīng)被激光束103照射的表面再次被激光束103照射時(shí)，照射位置處的功率密度不能保持恒定，因而導(dǎo)致碳納米突集合體117收率的下降。
因此，在納米碳制造裝置333中，切削工具105設(shè)置在石墨棒101下部，如圖2所示。當(dāng)切削工具105設(shè)置在被激光束103照射的位置的下方時(shí)，被激光束103照射的石墨棒101的側(cè)面可以依次地旋轉(zhuǎn)從而移動(dòng)切削工具105切削的位置以進(jìn)行切削，使得照射位置可以連續(xù)地被平滑化。因此，被激光束103照射的表面總是平滑表面。通過這樣，即使不進(jìn)行將石墨棒101從制造腔室107中取出而進(jìn)行平滑化處理，激光束103照射位置的功率密度也能保持恒定。因此，可以在保持石墨棒101放置在制造腔室107中的同時(shí)連續(xù)地施加激光束103，由此可以有效地大量制造碳納米突集合體117。
另外，如圖2所示，當(dāng)施加激光束103時(shí)，在上方產(chǎn)生煙羽109，從而向上產(chǎn)生碳納米突集合體117。因此，當(dāng)切削工具105設(shè)置在石墨棒101下部時(shí)，可以有效地將生成的碳納米突集合體117與石墨棒101的切削粉末分離，其中石墨棒101是被切削工具105切削的原材料。
此處，如圖2所示，切削工具105設(shè)置的位置優(yōu)選為等于激光束103在石墨棒101移動(dòng)的方向上的照射位置，或者在此位置稍后一點(diǎn)的位置。通過這樣，可以確實(shí)地防止石墨棒101的側(cè)面在被激光束103照射之前就被切削的缺陷。
如上所述，在納米碳制造裝置333中，圓筒形石墨棒101的側(cè)面上被激光束103照射的位置連續(xù)地改變，并且照射位置被旋轉(zhuǎn)而被切削工具105平滑化，從而能夠連續(xù)地制造碳納米突集合體117。另外，由于作為石墨靶的石墨棒101能夠重復(fù)地受激光束103照射，故可以有效地使用石墨棒101。
設(shè)置在石墨棒101下部的切削工具105并無特殊限制，只要它具有能夠?qū)⑹?01的側(cè)面平滑化的結(jié)構(gòu)即可，從而可以使用不同形狀和性質(zhì)的石墨棒101。另外，盡管在圖1的制造裝置中使用了切削工具105，但也可以各種切削部件替代它使用，所述的切削部分例如諸如銼刀的研磨部件或者是拋光部件。例如，可以使用上表面帶有拋光紙(砂紙)的輥。此時(shí)，可以使用這樣一種結(jié)構(gòu)，即帶有拋光紙的輥的上表面例如繞垂直于該表面的中心軸旋轉(zhuǎn)，從而平滑化石墨棒101的圓筒面。另外，切削石墨收集腔室121的位置并無特殊限制，只要它是能夠?qū)⑶邢鞴ぞ?05產(chǎn)生的切削粉末與碳納米突集合體117分離并收集的位置即可。
納米碳制造裝置333的裝置具有的結(jié)構(gòu)是通過激光束103照射獲得的煤煙狀物質(zhì)被收集到納米碳收集腔室119；然而，煤煙狀物質(zhì)可通過堆積于合適基底上或者通過采用集塵袋的微粒收集方法而得以收集。另外，可使惰性氣體在反應(yīng)容器內(nèi)通過，從而煤煙狀物質(zhì)可以通過惰性氣流的使用而被收集。
通過使用納米碳制造裝置333的裝置獲得的煤煙狀物質(zhì)主要包含碳納米突集合體117，并且作為例如包含90wt％以上的碳納米突集合體117的物質(zhì)被收集。另外，在被激光束103照射一次之后，表面被切削工具105平滑化，然后再次進(jìn)行照射。因此，即使當(dāng)石墨棒101側(cè)面上的預(yù)定位置被照射多次，也可以高收率地制造碳納米突集合體117。
圖1是表示根據(jù)本實(shí)施方案的納米碳制造裝置的結(jié)構(gòu)的另一例的圖。圖1的納米碳制造裝置的基本結(jié)構(gòu)與圖4的裝置相同；但石墨棒101與激光束103的位置關(guān)系以及輸送管141的放置方向是不同的。在圖1中，比石墨棒101側(cè)面頂部稍低的位置被激光束103照射，并且在照射面的法線方向上產(chǎn)生煙羽109。在圖1的裝置中，納米碳收集腔室119設(shè)置在產(chǎn)生煙羽109方向的基本正上方的方向上，從而將碳納米突集合體117收集到納米碳收集腔室119。此處，雖然在圖1中未示出，此裝置也包括惰性氣體供給單元127，流量計(jì)129，真空泵143和壓力表145。
另外在圖1的裝置中，在旋轉(zhuǎn)石墨棒101的同時(shí)石墨棒101的側(cè)面被激光束103照射。在圖1中，比石墨棒101側(cè)面頂部稍低的位置被激光束103照射，并且在照射面的法線方向上產(chǎn)生煙羽109。因此，可以有效地制造碳納米突集合體117。
另外，被激光束103照射一次之后，表面被切削工具105平滑化，然后再次進(jìn)行照射。因此，即使當(dāng)石墨棒101側(cè)面上的預(yù)定位置被照射多次，也可以穩(wěn)定地以高收率制造碳納米突集合體117。
通過使用根據(jù)上述實(shí)施方式的納米碳制造裝置，被激光束103照射的石墨棒101的側(cè)面可以被平滑化，并再次被激光束103照射，這樣可以穩(wěn)定大量地制造，在碳納米管的制造中也一樣。
此處，構(gòu)成碳納米突集合體117的碳納米突的形狀、直徑大小、長(zhǎng)度、頂端部的形狀、碳分子或碳納米突之間的間距等可以通過激光束103照射的條件等以各種方式控制。
如上所示，基于實(shí)施方案說明了本發(fā)明。這些實(shí)施方案只是舉例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)能理解可對(duì)其作各種改進(jìn)，并且這些改進(jìn)也在本例如，以上的說明是以制造碳納米突集合體作為納米碳的情況為例進(jìn)行的；然而根據(jù)以上實(shí)施方案使用制造裝置制造的納米碳不限于碳納米突集合體。
例如，用圖1的制造裝置也可以制造碳納米管。在制造碳納米管的情況下，優(yōu)選調(diào)節(jié)激光束103的輸出功率、光點(diǎn)直徑和照射角度，以使石墨棒101側(cè)面上的激光束103的功率密度接近恒定，例如為50±10kW/cm2。
另外，將例如0.0001wt％以上及5wt％以下的催化劑金屬加入到石墨棒101中。作為金屬催化劑，例如，可以使用如Ni或Co的金屬。
(實(shí)施例)在本實(shí)施例中，用圖5所示的裝置制造碳納米突集合體117。直徑為100mm且長(zhǎng)度為250mm的圓棒狀的燒結(jié)碳用作石墨棒101，將它固定于制造腔室107中的旋轉(zhuǎn)裝置115上。排出制造腔室107中的氣體以將壓力減小至10-3Pa，在此之后導(dǎo)入Ar氣，達(dá)到氣壓為105Pa，接著，在室溫下將石墨棒101以旋轉(zhuǎn)數(shù)為6rpm旋轉(zhuǎn)，并且在將其以0.3mm/sec水平移動(dòng)的同時(shí)其側(cè)面被激光束103照射。
高輸出功率CO2激光束被用作激光束103，并進(jìn)行輸出功率為3～5kW、波長(zhǎng)為10.6μm、脈沖寬度為5sec的連續(xù)振動(dòng)。另外，水平面與連接照射位置和與石墨棒101的長(zhǎng)度方向垂直的橫截面中圓的中心的線段之間形成的角度即照射角度被設(shè)定為45°，石墨棒101側(cè)面上的功率密度被設(shè)定為20kW/cm2±10kW/cm2。
所得的煤煙狀物質(zhì)用TEM觀察。另外，通過Raman光譜法，比較在1350cm-1和1590cm-1處的強(qiáng)度，以計(jì)算碳納米突集合體117收率。
所得的煤煙狀物質(zhì)用透射電子顯微鏡(TEM)觀察，結(jié)果表明主要生成了碳納米突集合體117，并且其粒徑在80nm至120nm的范圍內(nèi)。另外，通過Raman光譜法來測(cè)定在所得全部煤煙狀物質(zhì)中碳納米突集合體117的收率，結(jié)果為90％以上的高收率。
在此實(shí)施例中，通過在將被激光束103照射的石墨棒101繞中心軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)用激光束103再次照射石墨棒101的側(cè)面，以高收率獲得碳納米突集合體117。另外，明確的是，此方法是適合大量制造碳納米突集合體的連續(xù)方法。
權(quán)利要求
1.納米碳制造裝置，其包含靶保持單元，保持圓筒形石墨靶；光源，用于光照射所述石墨靶的圓筒面；移動(dòng)單元，用于將被所述靶保持單元保持的所述石墨靶和光源中的一方相對(duì)于另一方移動(dòng)，以移動(dòng)所述光在所述圓筒面上的照射位置；和收集單元，用于收集從被所述光照射的所述石墨靶蒸發(fā)的碳蒸氣作為納米碳。
2.納米碳制造裝置，其包含靶保持單元，保持圓筒形石墨靶并使所述石墨靶繞中心軸旋轉(zhuǎn)；光源，用于光照射所述石墨靶的圓筒面；和收集單元，用于收集從被所述光照射的所述石墨靶蒸發(fā)的碳蒸氣作為納米碳。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的納米碳制造裝置，進(jìn)一步包含移動(dòng)單元，所述移動(dòng)單元移動(dòng)所述石墨靶相對(duì)于所述光源的相對(duì)位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)的納米碳制造裝置，其中所述移動(dòng)單元形成在使所述石墨靶上的所述光照射位置處所述光的照射角度接近恒定的同時(shí)移動(dòng)所述光的照射位置的結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)的納米碳制造裝置，其中所述收集單元包括收集腔室，所述收集腔室收集通過所述光照射產(chǎn)生的所述納米碳的粉末。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的納米碳制造裝置，其包含引導(dǎo)單元，所述引導(dǎo)單元在通過所述光照射從所述光的照射位置處產(chǎn)生煙羽的方向上延伸，并與所述收集腔室連通，從而將所述納米碳引導(dǎo)至所述收集腔室。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)的納米碳制造裝置，其中所述納米碳是碳納米突集合體。
8.納米碳的制造方法，其中在移動(dòng)光的照射位置的同時(shí)光照射圓筒形石墨靶的圓筒面，并收集從所述石墨靶蒸發(fā)的碳蒸氣作為納米碳。
9.納米碳的制造方法，其中在使所述石墨靶繞中心軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)光照射圓筒形石墨靶的圓筒面，并收集從所述石墨靶蒸發(fā)的碳蒸氣作為納米碳。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的納米碳制造方法，其中在移動(dòng)光的照射位置的同時(shí)進(jìn)行光照射。
11.根據(jù)權(quán)利要求8至10任一項(xiàng)的納米碳制造方法，其包括照射所述光，以使所述圓筒面上所述光的照射角度接近恒定的步驟。
12.根據(jù)權(quán)利要求8至11任一項(xiàng)的納米碳制造方法，其中所述光照射是激光束照射。
13.根據(jù)權(quán)利要求8至12任一項(xiàng)的納米碳制造方法，其中收集碳納米突集合體作為所述納米碳。
全文摘要
本發(fā)明涉及納米碳的穩(wěn)定大量制造。在制造腔室(107)中，圓筒形石墨棒(101)固定于旋轉(zhuǎn)裝置(115)上，并能夠以石墨棒(101)的長(zhǎng)度方向?yàn)檩S進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，且能在長(zhǎng)度方向上左右移動(dòng)。石墨棒(101)的側(cè)面被來自激光源(111)的激光束(103)照射。納米碳收集腔室(119)設(shè)置在煙羽(109)的產(chǎn)生方向上，以收集生成的碳納米突集合體(117)。
文檔編號(hào)C01B31/02GK1747896SQ20048000387
公開日2006年3月15日 申請(qǐng)日期2004年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月10日
發(fā)明者莇丈史, 真子隆志, 吉武務(wù), 久保佳實(shí), 飯島澄男, 湯田坂雅子, 糟屋大介 申請(qǐng)人:日本電氣株式會(huì)社