專利名稱：用于化學氣相沉積法生產(chǎn)微納米碳材料的電熱箱式爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及CVD(化學氣相沉積)爐，具體地說涉及一種生產(chǎn)微納米碳材料的CVD爐。所述微納米碳材料包括碳納米管、氣相生長碳纖維、微碳卷(具有螺旋結(jié)構(gòu)的碳纖維)。
背景技術(shù)：
微納米碳材料是材料科學中研究最為活躍的領(lǐng)域之一，它包括碳納米管、氣相生長碳纖維、微碳卷等多種形態(tài)的碳材料。目前，此類材料被廣泛用于國防及國民生產(chǎn)當中，其用途之廣、作用之大，已成為人們提高生活質(zhì)量和科學技術(shù)發(fā)展的基石。生產(chǎn)微納米碳材料的方法很多，其中CVD法具有設(shè)備簡單、流程短、成本低、容易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點，因而經(jīng)常被使用。所謂CVD法就是一種利用化學反應(yīng)使氣體原料裂解并沉積，最后能夠得到具有各種形態(tài)固體材料的合成方法。這其中又包含基板法，就是將催化劑粒子首先負載在基板上，作為氣相生長的晶種。
利用基板法生長微納米碳材料的通常做法是將用作催化劑的Fe、Ni等金屬精細粒子鋪涂在石英、陶瓷、石墨等基板上；基板被放置在圓筒型反應(yīng)管中；甲烷、乙炔、苯、一氧化碳等碳源氣體經(jīng)導(dǎo)管流入反應(yīng)器內(nèi)；當反應(yīng)器被加熱到一定溫度后碳源氣體分解，并且在催化劑的作用下碳原子被沉積下來，形成各種微納米碳材料。該法在實際生產(chǎn)中，產(chǎn)物微納米碳材料的形態(tài)受碳源氣體的流向以及催化劑與碳源氣流的相對位置影響較大。因此，利用現(xiàn)有設(shè)備如專利CN11202525C、專利公開號CN1520473A所制得的產(chǎn)物，要么形態(tài)不均勻，要么得到均勻產(chǎn)物的爐膛空間有效利用率低。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于提供一種用于化學氣相沉積法生產(chǎn)微納米碳材料的電熱箱式爐，它能有效控制碳源氣體的流向，準確調(diào)節(jié)催化劑與碳源氣流的相對位置，從而得到形態(tài)均勻的微納米碳材料產(chǎn)物。并且它還能充分有效地利用爐膛空間，實現(xiàn)微納米碳材料的高質(zhì)量，高效生產(chǎn)。
本實用新型的目的是這樣實現(xiàn)的用于化學氣相沉積法生產(chǎn)微納米碳材料的電熱箱式爐，包括基板、基板架、爐芯管、發(fā)熱體、保溫層、氣體導(dǎo)入管、氣體導(dǎo)出管、爐門、金屬外殼。
一爐芯管3，爐芯管3的一端開口，在爐芯管3的開口處安裝有可開啟的活動爐門8；在爐芯管3的上下壁上分別垂直安裝多根(數(shù)量不限，根據(jù)需要安裝)與爐芯管3腔體相通的氣體導(dǎo)入管6和氣體導(dǎo)出管7，導(dǎo)氣管均勻排布；爐芯管3上下壁的外側(cè)裝有發(fā)熱體4；在發(fā)熱體4的外面，及除爐門外的爐芯管3的側(cè)壁外圍包裹保溫層5；保溫層外是框架結(jié)構(gòu)的金屬外殼9；一基板架2安裝在爐芯管3腔體內(nèi)的中部，在基板架2上安放有基板1。
所述的基板1上開有孔洞。
本實用新型的特點(一)采用箱式爐芯管；(二)可調(diào)節(jié)基板高度；(三)氣源經(jīng)多個導(dǎo)入管同時從上方垂直噴向基板；(四)基板有多個孔，可以讓氣體通過后從導(dǎo)出管排出爐外；(五)多個氣體導(dǎo)出管垂直安裝在爐芯管下方。
所述爐體主要結(jié)構(gòu)所用材料與普通CVD爐一樣?；蹇蛇x用石英、石墨及耐熱鋼；基板架可選用耐熱鋼、氧化鋁、陶瓷；爐芯管和氣體導(dǎo)管可選用氧化鋁、陶瓷、石英、耐熱鋼。
所述電熱箱式爐的主要特征有(1)爐芯管采用長方體箱式結(jié)構(gòu)。這樣有利于將多個氣體導(dǎo)入管的出口安置在同一水平面上，從而保證各氣體導(dǎo)入管出口到基板的距離是相同的。同時，它還有利于提高爐膛空間的利用率，即提高了基板面積與爐膛體積的比值。
(2)基板高度可通過基板架來調(diào)節(jié)。也就是說用基板架來準確調(diào)節(jié)基板到氣體導(dǎo)入管出口的距離，因而可以控制產(chǎn)物微納米碳材料的形態(tài)。基板到氣體導(dǎo)入管出口的距離宜在10-300mm之間。
(3)具有多個垂直于基板的氣體導(dǎo)入管。導(dǎo)管的內(nèi)徑可以是4-20mm，行距與列距可以是40-400mm。這樣可以使反應(yīng)原料氣體均勻、垂直地噴向基板。從而確保全部催化劑所在反應(yīng)氣流中的相對位置基本相同，提高產(chǎn)物形態(tài)的均勻性。
(4)基板具有多個孔洞?？锥次恢靡罋怏w導(dǎo)入管而定，每對應(yīng)四個相鄰氣體導(dǎo)入管出口的中心都有一個孔洞，其直徑為氣體導(dǎo)入管內(nèi)徑的1-4倍。
(5)爐芯管下方垂直安裝多個氣體導(dǎo)出管。導(dǎo)出管的位置依基板孔洞而定，每對應(yīng)四個相鄰基板孔洞的中心都有一個氣體導(dǎo)出管，其直徑為基板孔洞直徑的1-4倍。
本實用新型的特點是爐芯管采用箱式結(jié)構(gòu)，氣體導(dǎo)管垂直安置在爐芯管的上下壁。反應(yīng)氣流可以均勻地垂直噴向基板，并且通過基板架還能調(diào)節(jié)催化劑與氣體導(dǎo)入管的出口之間的距離。采用本實用新型，只需選用合適的催化劑，合適的反應(yīng)氣源，以及合適的溫度，即可合成各種形態(tài)的微納米碳材料，包括碳納米管、氣相生長碳纖維、微碳卷。使用本實用新型生產(chǎn)此類材料時，所得產(chǎn)物形態(tài)均勻，爐膛空間的利用率高，因此可以實現(xiàn)高質(zhì)量、高效率地生產(chǎn)。
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步論述
圖1為本實用新型的橫向剖視示意圖。
圖2為本實用新型的縱向剖視示意圖。
附圖標記1.基板2.基板架3.爐芯管4.發(fā)熱體5.保溫層 6.氣體導(dǎo)入管7.氣體導(dǎo)出管8.爐門9.金屬外殼具體實施方式
請參見附圖1和2。構(gòu)成本實用新型的主要結(jié)構(gòu)包括基板1、基板架2、爐芯管3、發(fā)熱體4、保溫層5、氣體導(dǎo)入管6、氣體導(dǎo)出管7、爐門8以及金屬外殼9。
爐芯管是一端開口的長方體結(jié)構(gòu)，在爐芯管3的開口處安裝有可開啟的活動爐門8，開口用來放入基板和取出產(chǎn)物；在爐芯管3的上下壁上分別垂直安裝多根與爐芯管3腔體相通的氣體導(dǎo)入管6和氣體導(dǎo)出管7，導(dǎo)氣管均勻排布；爐芯管3上下壁的外側(cè)裝有發(fā)熱體4；在發(fā)熱體4的外面，及除爐門外的爐芯管3的側(cè)壁外圍包裹保溫層5；保溫層外是框架結(jié)構(gòu)的金屬外殼9；一基板架2安裝在爐芯管3腔體內(nèi)的中部，在基板架2上安放有開有孔洞的基板1，放入鋪有催化劑的基板后關(guān)閉爐門，將爐體加熱到所需溫度，反應(yīng)氣經(jīng)氣體導(dǎo)入管垂直到達催化劑處，反應(yīng)后經(jīng)基板孔洞及四周并通過氣體導(dǎo)出管排出爐外。垂直的氣體導(dǎo)入、導(dǎo)出管及基板孔洞有利于反應(yīng)氣流能均勻地通過爐膛。再加上可用來調(diào)節(jié)基板高度的基板架，本實用新型可以有效控制碳源氣體的流向及催化劑與碳源氣流的相對位置，從而得到形態(tài)均勻的微納米碳材料產(chǎn)物，實現(xiàn)微納米碳材料的高質(zhì)量，高效生產(chǎn)。
權(quán)利要求1.一種用于化學氣相沉積法生產(chǎn)微納米碳材料的電熱箱式爐，包括基板、基板架、爐芯管、發(fā)熱體、保溫層、氣體導(dǎo)入管、氣體導(dǎo)出管、爐門、金屬外殼；其特征是一爐芯管(3)，爐芯管(3)的一端開口，在爐芯管(3)的開口處安裝有可開啟的活動爐門(8)；在爐芯管(3)的上下壁上分別垂直安裝與爐芯管(3)腔體相通的氣體導(dǎo)入管(6)和氣體導(dǎo)出管(7)；爐芯管(3)上下壁的外側(cè)裝有發(fā)熱體(4)，在發(fā)熱體(4)的外面，及除爐門外的爐芯管(3)的側(cè)壁外包裹保溫層(5)；一基板架(2)安裝在爐芯管(3)腔體內(nèi)的中部，在基板架(2)上安放有基板(1)，在基板(1)上開有孔洞。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于化學氣相沉積法生產(chǎn)微納米碳材料的電熱箱式爐，其特征是所述的基板到氣體導(dǎo)入管出口的距離在10-300mm之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于化學氣相沉積法生產(chǎn)微納米碳材料的電熱箱式爐，其特征是所述的氣體導(dǎo)入管的內(nèi)徑是4-20mm，行距與列距是40-400mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于化學氣相沉積法生產(chǎn)微納米碳材料的電熱箱式爐，其特征是所述的孔洞是每對應(yīng)四個相鄰氣體導(dǎo)入管出口的中心都有一個孔洞。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的用于化學氣相沉積法生產(chǎn)微納米碳材料的電熱箱式爐，其特征是所述的孔洞的直徑為氣體導(dǎo)入管內(nèi)徑的1-4倍。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于化學氣相沉積法生產(chǎn)微納米碳材料的電熱箱式爐，其特征是所述的氣體導(dǎo)出管是每對應(yīng)四個相鄰基板孔洞的中心都有一個氣體導(dǎo)出管。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的用于化學氣相沉積法生產(chǎn)微納米碳材料的電熱箱式爐，其特征是所述的氣體導(dǎo)出管的直徑為基板孔洞直徑的1-4倍。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于化學氣相沉積法生產(chǎn)微納米碳材料的電熱箱式爐，其特征是所述的保溫層外是框架結(jié)構(gòu)的金屬外殼(9)。
專利摘要本實用新型涉及CVD(化學氣相沉積)爐，具體地說涉及一種生產(chǎn)微納米碳材料的CVD爐。一爐芯管(3)，爐芯管(3)的一端開口，在爐芯管(3)的開口處安裝有可開啟的活動爐門(8)；在爐芯管(3)的上下壁上分別垂直安裝與爐芯管(3)腔體相通的氣體導(dǎo)入管(6)和氣體導(dǎo)出管(7)；爐芯管(3)上下壁的外側(cè)裝有發(fā)熱體(4)，在發(fā)熱體(4)的外面，及除爐門外的爐芯管(3)的側(cè)壁外包裹保溫層(5)；保溫層外是框架結(jié)構(gòu)的金屬外殼(9)；一基板架(2)安裝在爐芯管(3)腔體內(nèi)的中部，在基板架(2)上安放有基板(1)。本實用新型可實現(xiàn)高質(zhì)量、高效率地生產(chǎn)各種形態(tài)的微納米碳材料，包括碳納米管、氣相生長碳纖維、微碳卷。
文檔編號C01B31/00GK2773047SQ20052002278
公開日2006年4月19日 申請日期2005年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月31日
發(fā)明者陳麗娟, 李文軍, 郭燕川, 陳文浩 申請人:中國科學院理化技術(shù)研究所