專利名稱：使用并入碳納米管的涂層的太陽能接收器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及接收、吸收、容納電磁輻射并且將接收的電磁輻射轉(zhuǎn)化為熱能的太陽能接收器設(shè)備。
背景技術(shù)：
已發(fā)展太陽熱收集器以利用來自太陽輻射的能量用于各種工業(yè)過程、發(fā)電和加熱水應(yīng)用。入射在地球表面上的太陽輻射具有大約lkW/m2的估計(jì)能量密度，并且波長范圍從紫外線(UV)輻射的大約200納米(nm)至紅外線(IR)輻射的大約2500nm。太陽熱收集器通常包括反射器以將太陽輻射聚焦至熱接收器上。熱接收器將太陽輻射的光能轉(zhuǎn)化為傳熱流體的熱能。熱接收器通常包括熱吸收器，其為短波太陽輻射的良好吸收器，例如在UV和可見光范圍中。但是，至少一些熱吸收體在紅外線范圍也是良好的長波熱輻射體，當(dāng)被短波太陽輻射的吸收充分激發(fā)時(shí)，通過頂輻射發(fā)出熱。盡管最初可吸收高百分比的入射太陽輻射，但是熱吸收器可發(fā)出高百分比的輻射熱，從而降低太陽能的有效收集。已發(fā)展幾種類型的太陽能收集器，包括但不限于平板太陽能收集器和包含在抽空的玻璃管框架(housing)中的吸收器管。吸收器表面可以包括裸露的金屬或者用選擇性吸收器涂層涂覆的金屬，用于吸收在太陽輻射光譜內(nèi)(即，大約200nm至2500nm)的輻射。這種太陽能選擇性吸收器涂層(具有例如在0. 92至0. 96的范圍的吸收率，和例如在0. 07至 0. 11的范圍的發(fā)射率)實(shí)際吸收所有的入射輻射，但是在紅外線波長處通常不發(fā)熱。這種太陽能選擇性吸收器涂層的實(shí)例包括高度反射的金屬基底上的非常薄的黑色金屬氧化物涂層(例如，大約0.5至1.0微米級別)，和電鍍施加的(galvanically applied)選擇性涂層諸如黑鉻、黑鎳、和帶有鎳的氧化鋁。用太陽能選擇性涂層涂覆的吸收器管通常被封裝入玻璃管或者抽空的玻璃管中以最小化對流至環(huán)境空氣的熱損失。但是，通常與一些這類涂層結(jié)合使用的抽空的玻璃管制造起來是昂貴的，并且使用時(shí)易于損壞。經(jīng)常利用另外的組件諸如覆蓋物以保護(hù)真空密封不受直接熱輻射，直接熱輻射導(dǎo)致大約2%的效率損失。因此，具有良好的吸收率和低的發(fā)射率特性的可選的太陽能接收器是期望的。本發(fā)明滿足該需求并且也提供相關(guān)優(yōu)勢。發(fā)明概述在一些方面，本文公開的實(shí)施方式涉及太陽能接收器，其包括吸熱元件，該吸熱元件具有外表面和相對于外表面的內(nèi)表面；以及第一涂層，該涂層包括并入碳納米管的纖維材料，并入碳納米管的纖維材料表面接合吸熱元件的外表面、且至少部分地覆蓋吸熱元件的外表面。入射至第一涂層上的太陽輻射被接收、吸收、并且轉(zhuǎn)化為熱能，而熱能從第一涂層傳遞至吸熱元件。在一些方面，本文公開的實(shí)施方式涉及太陽能接收器裝置的多層涂層，其包括具有并入CNT的纖維材料的第一涂層和置于第一涂層上的環(huán)境涂層。附圖簡述

圖1是在吸熱元件的外表面上具有并入CNT的涂層的示例性太陽能接收器的剖面圖。圖2是如圖1中所示的太陽能接收器的剖面，還包括熱吸收器元件(吸熱元件， heat absorber element)的夕卜表面上的凹槽。圖3是如圖1中所示的太陽能接收器的剖面圖，還包括并入CNT的涂層上的環(huán)境涂層。圖4是根據(jù)本發(fā)明的第四個(gè)實(shí)施方式的如圖3中所示的太陽能接收器的剖面圖， 其還包括熱吸收器元件的外表面上的凹槽；圖5是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式、被整合至并入CNT的涂層中并且被施加至太陽能接收器的熱吸收器元件的外表面的陶瓷低發(fā)射率環(huán)境涂層的橫截面圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的圖5的陶瓷低發(fā)射率環(huán)境整合涂層的橫截面圖，還包括抗反射涂層；圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式、施加在并入CNT的涂層上的金屬低發(fā)射率環(huán)境涂層的橫截面圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式、施加在如圖7中所示的金屬低發(fā)射率環(huán)境整合涂層上的抗反射涂層的橫截面圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式、施加在如圖5中所示的整合涂層上的分層的金屬陶瓷低發(fā)射率環(huán)境整合涂層的橫截面圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的如圖9中所示的分層的金屬陶瓷低發(fā)射率環(huán)境整合涂層的橫截面圖，還包括抗反射涂層；圖11是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式、施加在太陽能接收器的熱吸收器元件的外表面上的整合的、金屬陶瓷的、低發(fā)射率的、環(huán)境的、并入CNT的涂層的橫截面圖；圖12是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的如圖11中所示的整合的、金屬陶瓷的、低發(fā)射率的、環(huán)境的、并入CNT的涂層的橫截面圖，還包括抗反射涂層；圖13是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的具有環(huán)形套筒的太陽能接收器的橫截面圖；圖14是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的如圖13中所示的太陽能接收器的橫截面圖，還包括如圖2中所示的第二個(gè)實(shí)施方式中所述的凹槽。圖15表示根據(jù)本發(fā)明的例證性實(shí)施方式生產(chǎn)并入CNT的碳纖維材料的過程。圖16表示包括并入CNT的纖維材料的涂層的反射率數(shù)據(jù)。圖17表示用于太陽能接收器中涂層中的并入至纖維材料的CNT的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像。圖18表示示例性的太陽能接收器。發(fā)明詳述本發(fā)明部分地涉及并入吸熱元件的太陽能接收器，該吸熱元件具有包括并入碳納米管(CNT)的纖維材料的第一涂層，該并入碳納米管(CNT)的纖維材料作用為吸收在從大約200nm的紫外線(UV)到大約2500nm的紅外線(IR)的寬的光譜范圍內(nèi)的電磁輻射。并入CNT的纖維材料中的CNT是良好的熱導(dǎo)體并且作為富集光能并將光能轉(zhuǎn)化為熱的導(dǎo)管。對于任何已知的材料，CNT具有一定的最高的熱導(dǎo)率，其中一些指出高達(dá)大約 6，BOOffm^r1 (Berber 等人· Phys. Rev. Lett. 84 (20) :4613-4616, (2000))。而且，第一涂層的纖維材料本身提供骨架(scaffold)以組織并入的CNT的排列具有預(yù)定的排列以優(yōu)化CNT定向?？梢栽诶w維材料基底上以可控制對齊的構(gòu)造、可規(guī)模化的量制造CNT以提供獲得大的表面面積太陽能接收器板。用“松散的”CNT復(fù)合材料難于達(dá)到的CNT定向的控制可以增強(qiáng)光至熱的轉(zhuǎn)化。與其高的熱導(dǎo)率結(jié)合的CNT排列的控制允許熱有效地并且定向地沿著CNT長度被傳導(dǎo)至吸熱元件，并從加熱元件傳導(dǎo)至傳熱流體以用于多種應(yīng)用，包括發(fā)電。本發(fā)明的太陽能接收器可被用于許多常規(guī)的太陽能加熱收集器構(gòu)造中。例如，太陽能接收器可以在相對低的溫度下操作，諸如那些可被用于低端加熱應(yīng)用的，諸如在游泳池加熱系統(tǒng)或者農(nóng)業(yè)應(yīng)用諸如作物干燥中。本發(fā)明的太陽能接收器也可被用于利用高溫的應(yīng)用中，例如，包括用于發(fā)電諸如蒸汽發(fā)電的溫度。本發(fā)明的太陽能接收器可被配置為平板設(shè)計(jì)以及拋物線設(shè)計(jì)。用于本發(fā)明的太陽能接收器上的涂層可具有例如在范圍從大于0. 92至大約0. 99 之間的吸收率。而且，本發(fā)明的太陽能接收器的發(fā)射率可在范圍從大約0.01至大約0. 11 之間。用于本發(fā)明的太陽能接收器的涂層可以吸收從UV至頂?shù)墓庾V帶中的幾乎所有的入射輻射，同時(shí)傳遞至加熱元件，隨后傳遞至傳熱流體，防止熱紅外發(fā)射。已指出，用適當(dāng)?shù)募{米管密度，垂直對齊的單壁CNT的排列可以表現(xiàn)為幾乎完美的黑體吸收器(Mizimo等人， Proc. Natl. Acad. Sci. 106 :6044-6047 (2009))。產(chǎn)生黑體吸收器的一種方法是抑制光反射， 當(dāng)物體的折射率接近空氣的折射率時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)該方法。由菲涅爾定律，使反射率最小化的該解決方案是明顯的R= (n-n。)2/(n+n。)2其中R是反射率，η是物體的折射率，η。是空氣的折射率。可以用本文下面敘述的連續(xù)的方法調(diào)節(jié)纖維材料上的CNT密度。通過調(diào)節(jié)CNT密度，可以調(diào)整并入CNT的纖維材料以表現(xiàn)出近似于空氣折射率％的折射率η。在一些實(shí)施方式中，具有并入CNT的纖維材料的用于本發(fā)明的太陽能接收器的涂層可表現(xiàn)為類似黑體的物體并且可以以黑體輻射的形式表現(xiàn)高的熱發(fā)射率。在一些實(shí)施方式中，通過從CNT至吸熱元件來引導(dǎo)熱能可以減少或者防止該能量損失。例如在發(fā)電中，吸熱元件又加熱可被使用的傳熱流體。通過本領(lǐng)域已知的方法，包括例如在加熱元件周圍利用真空玻璃室或者利用更多的涂層材料諸如抗反射涂層或者類似物，也可實(shí)現(xiàn)減小系統(tǒng)的發(fā)射率。在一些實(shí)施方式中，具有并入CNT的纖維材料的用于本發(fā)明的太陽能接收器的涂層可表現(xiàn)為吸收幾乎所有入射光的固有太陽能選擇性材料，同時(shí)具有非常低的發(fā)射率，消除了對更多涂層的需要，而是有效地傳遞熱能至吸熱元件并且從吸熱元件至傳熱流體以用于各種應(yīng)用中。在一些實(shí)施方式中，太陽能接收器包括具有外表面和相對于外表面的內(nèi)表面的吸熱元件。接收器還包括與吸熱元件的外表面表面接合并且至少部分地覆蓋其的第一涂層中的并入碳納米管的(“并入CNT的”)材料。第一涂層的并入CNT的纖維材料包括但不限于并入CNT的纖維材料，以及在形成復(fù)合材料的基體中的并入CNT的纖維材料。入射在第一涂層的并入CNT的纖維材料上的太陽輻射被吸收、容納并且轉(zhuǎn)化為熱能。轉(zhuǎn)化的熱能被從吸熱元件的外表面上的第一涂層的并入CNT的纖維材料傳遞至吸熱元件的內(nèi)表面，并且然后從內(nèi)表面?zhèn)鬟f至物質(zhì)諸如傳熱流體。在一些實(shí)施方式中，太陽能接收器包括在吸熱元件的表面上具有多個(gè)凹槽的吸熱元件。在一個(gè)實(shí)施方式中，凹槽大小和深度在微米(Pm)量級。凹槽可被安排為沿著吸熱元件周圍的螺旋構(gòu)造以形成單一的凹槽，該凹槽從吸熱元件的一個(gè)末端延伸至外表面上的另一末端。這種凹槽可以容納例如并入CNT的纖維絲束，并且可以在并入CNT的纖維材料和吸熱元件之間提供增強(qiáng)的表面接觸面積。不被理論束縛，該增加的表面面積接觸可以提供更加有效的傳熱至吸熱元件的外表面。以類似的方式，可以在吸熱元件的內(nèi)表面上提供增加的表面面積以增加傳熱至傳熱流體的效率。在一些實(shí)施方式中，太陽能接收器包括低發(fā)射率環(huán)境涂層，其覆蓋或者整合至具有并入CNT的纖維材料的第一涂層中。當(dāng)被整合至第一涂層中時(shí)，其可作為基體材料以提供為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的第一涂層。環(huán)境涂層允許入射在環(huán)境涂層的外表面上的電磁輻射(至少在紫外線至可見光范圍)轉(zhuǎn)輸至第一涂層的并入CNT的纖維材料上，用于吸收和轉(zhuǎn)化為熱能。環(huán)境涂層具有低發(fā)射率特性，以便于通過背向外部環(huán)境的并入CNT的涂層有效地減少熱能的發(fā)出。環(huán)境涂層可具有低的發(fā)射率，尤其在紅外光譜中，對應(yīng)于在系統(tǒng)操作溫度下第一涂層的并入CNT的纖維材料發(fā)出熱能的光譜。在一些實(shí)施方式中，太陽能接收器包括圍繞吸熱元件的環(huán)形套筒，所述吸熱元件至少部分地被具有并入CNT的纖維材料的第一涂層覆蓋。在一種構(gòu)造中，從并入CNT的涂層放射狀地隔開環(huán)形套筒。在示例性的實(shí)施方式中，環(huán)形套筒可以包括置于環(huán)形套筒和并入CNT的涂層之間的氣穴或者空氣間隙。在另一實(shí)施方式中，環(huán)形套筒可被抽空并且在真空下保持間隙。環(huán)形套筒可以在其外表面和內(nèi)表面之一或者二者上涂覆抗反射涂層和低發(fā)射率涂層的一種或者多種。環(huán)形套筒可進(jìn)一步具有施加至其面對并入CNT的涂層的內(nèi)表面的紅外反射涂層。如在本文使用，術(shù)語“纖維材料”指的是具有纖維作為其基本結(jié)構(gòu)成分的任何材料。術(shù)語包含纖維、絲、線、絲束、絲束、帶材、織造的和非織造的織物、板片、墊、以及類似物。 而且，纖維材料的組合物可以是任何類型的，包括但不限于玻璃、碳、金屬、陶瓷、有機(jī)物或者類似物。如在本文使用，術(shù)語“可纏繞維度”指的是纖維材料具有至少一個(gè)長度不被限制的維度，允許材料儲(chǔ)存在卷軸或者心軸上?！翱衫p繞維度”的纖維材料具有至少一個(gè)這樣的維度，該維度指示使用分批或者連續(xù)處理進(jìn)行CNT并入，如本文以下所示。通過具有800的特(tex)數(shù)值(1 特=lg/1, 000m)或者 620 碼 /Ib 的 AS4 12k 碳纖維絲束(Grafil，Inc.， Sacramento,CA)舉例說明可纏繞維度的碳纖維材料的一個(gè)示例性纖維材料是商業(yè)可得的， 特別地，例如，可以以5、10、20、50和IOOlb (對具有高的重量的卷軸，通常是3k/ll絲束) 卷軸獲得商業(yè)的碳纖維絲束，盡管更大的卷軸可需要專門訂購。本發(fā)明的方法容易以5至 201b的卷軸操作，盡管更大的卷軸是可用的。而且，預(yù)處理操作可被結(jié)合，其將非常大的可纏繞長度——例如IOOlb或者更大——分割成為易于處理的尺寸，諸如兩個(gè)501b卷軸。如在本文使用，術(shù)語“碳納米管”(CNT，復(fù)數(shù)是CNTs)指的是許多富勒烯族碳的圓柱形同素異形體的任一種，包括單壁碳納米管(SWNT)、雙壁碳納米管(DWNT)、多壁碳納米管(MWNT)。CNT可以被富勒烯類似結(jié)構(gòu)封端或者是開口的。CNT包括包封其他材料的那些。如在本文使用，“長度一致”指的是在反應(yīng)器中生長的CNT的長度?！耙恢碌拈L度” 意味著CNT具有這樣的長度，其公差是總的CNT長度的正負(fù)大約20%或者更少，因?yàn)镃NT長度從大約1微米至大約500微米之間變化。在非常短的長度，諸如1-4微米，該誤差可在范圍從在總CNT長度的大約正負(fù)20%直到大約正負(fù)1微米之間，即，稍微多于總CNT長度的大約 20%。如在本文使用，“分布一致”指的是纖維材料上CNT的密度的一致性?！耙恢碌姆植肌币馕吨诶w維材料上CNT具有這樣的密度，其公差大約是正負(fù)10%覆蓋率，覆蓋率被定義為被CNT覆蓋的纖維的表面積的百分率。對具有5層壁的Snm直徑CNT，這相當(dāng)于士 1500CNT/ym2。這樣的數(shù)據(jù)假設(shè)CNT內(nèi)部的空間是可填充的。如在本文使用，術(shù)語“并入的”意思是結(jié)合的和“并入”意思是結(jié)合的過程。這種結(jié)合可以包括直接共價(jià)結(jié)合、離子結(jié)合、n-n和/或范德華力-介導(dǎo)的(mediated)物理吸附。例如，在一些實(shí)施方式中，CNT可被直接結(jié)合至纖維材料。結(jié)合可以是間接的，諸如通過隔離涂層和/或置于CNT和纖維材料之間的層間過渡金屬納米顆粒，CNT并入至纖維材料。在本文公開的并入CNT的纖維材料中，碳納米管可被直接地或者間接地“并入”至纖維材料，如上所述。CNT被“并入”至碳纖維材料的具體方式被稱作“結(jié)合基序(bonding motif)”。如在本文使用，術(shù)語“過渡金屬”指的是周期表的d-塊中的元素的任何元素或者合金。術(shù)語“過渡金屬”也包括基本過渡金屬元素的鹽形式，諸如氧化物、碳化物、氮化物以及類似物。如在本文使用，術(shù)語“納米顆?！被蛘逳P (復(fù)數(shù)是NPs)或者其語法等價(jià)物指的是尺寸在當(dāng)量球形直徑大約0. 1至大約100納米之間的顆粒，盡管NPs形狀不必是球形的。具體地，過渡金屬NPs用作纖維材料上CNT生長的催化劑。如在本文使用，術(shù)語“基體材料”指的是體相材料，其可用于在特定的方向包括隨機(jī)方向上組織并入CNT的纖維材料。通過向基體材料給予并入CNT的纖維材料的一些方面的物理和/或化學(xué)性質(zhì)，基體材料可以受益于并入CNT的碳纖維材料的存在。在一些實(shí)施方式中，基體材料可以作為環(huán)境涂層，其幫助保持通過CNT吸收太陽輻射而產(chǎn)生的熱量。在一些實(shí)施方式中，基體材料是陶瓷。在一些實(shí)施方式中，基體材料反射紅外線輻射返回至CNT， 防止熱損失至環(huán)境。如在本文使用，術(shù)語“材料停留時(shí)間(residence time) ”指的是時(shí)間的量，在本文敘述的CNT并入過程期間沿可纏繞維度的纖維材料被暴露于CNT生長條件的不連續(xù)的點(diǎn)。 該定義包括當(dāng)使用多個(gè)CNT生長室時(shí)的停留時(shí)間。如在本文使用，術(shù)語“線速度”指的是可纏繞維度的纖維材料可通過在本文敘述的 CNT并入方法被供給的速度，其中線速度是CNT室(一個(gè)或多個(gè))長度除以材料停留時(shí)間所確定的速度。在一些實(shí)施方式中，本發(fā)明提供太陽能接收器，其包括具有外表面和相對于外表面的內(nèi)表面的吸熱元件；和第一涂層，其包括并入碳納米管的纖維材料，該并入碳納米管的纖維材料與吸熱元件的外表面表面接合并且至少部分地覆蓋吸熱元件的外表面，藉此入射至第一涂層上的太陽輻射被接收、吸收、和轉(zhuǎn)化為熱能，并且從第一涂層傳遞熱能至所述吸熱元件。如本領(lǐng)域已知，本發(fā)明的太陽能接收器可于低、中和高溫應(yīng)用中進(jìn)行操作。高溫接收器被用于許多發(fā)電應(yīng)用中，例如在用蒸汽推動(dòng)渦輪中。高溫應(yīng)用可以是使用高于大約 400°C的溫度的任何應(yīng)用。低溫應(yīng)用包括例如水池加熱或者農(nóng)作物干燥。這種溫度可以是高于環(huán)境溫度的大約10-100°c。使用在大約100°c和400°C之間的溫度的任何應(yīng)用被認(rèn)為是中等溫度應(yīng)用。示例性的中等溫度應(yīng)用可以包括例如拋物面槽或者聚光太陽能發(fā)電廠。太陽能接收器設(shè)備具有吸熱元件，該吸熱元件具有第一末端和第二末端，以及在所述第一末端進(jìn)入吸熱元件并且在第二末端離開吸熱元件的傳熱流體。吸熱元件在內(nèi)表面和/或外表面上可具有凹槽以提供與吸熱元件的外部的第一涂層和/或與內(nèi)部的傳熱流體的更大的表面面積接觸。加熱元件的第一和第二末端可被用于將傳熱流體運(yùn)輸至接收器和從接收器運(yùn)輸傳熱流體。接收器本身被配置為整合至現(xiàn)有的系統(tǒng)中，并且可被整合在拋物面接收器和平板類型的接收器中。吸熱元件通常是由金屬制成的加熱管，盡管可以使用任何傳導(dǎo)性的材料。而且，吸熱元件不必是類似管狀的圓柱形。吸熱元件可以是任何形狀，并且可由于內(nèi)和外表面上的增加的表面面積而被選擇。例如，在一些實(shí)施方式中，太陽能接收器吸熱元件可具有凹槽， 其大小適于容納并入CNT的纖維材料。當(dāng)并入CNT的纖維材料是并入CNT的纖維絲束時(shí)，凹槽可被螺旋狀地置于加熱元件的外表面上，并且并入CNT的纖維絲束被包圍在凹槽內(nèi)部， 并且其與凹槽的艙(well)接觸。在一些實(shí)施方式中，當(dāng)使用并入CNT的纖維絲束時(shí)，該絲束也可被展開在加熱元件上。在一些實(shí)施方式中，本發(fā)明的太陽能接收器具有并入CNT的纖維材料，其包括并入碳納米管的纖維絲束，該纖維絲束包括選自碳、金屬、玻璃、陶瓷以及類似物的材料。在一些實(shí)施方式中，本發(fā)明的太陽能接收器可進(jìn)一步包括環(huán)境涂層，其被整合在所述第一涂層內(nèi)以形成復(fù)合材料。形成環(huán)境涂層的這種材料包括但不限于陶瓷基體材料。 在一些實(shí)施方式中，用基體材料形成的復(fù)合材料可進(jìn)一步包括金屬顆粒。金屬顆粒可被用于進(jìn)一步增加傳導(dǎo)路徑以分散通過并入CNT的材料收集的熱。例如，其可作為相鄰的CNTs 之間的熱的傳熱導(dǎo)管，同時(shí)作為紅外線反射體。在一些實(shí)施方式中，本發(fā)明的太陽能接收器可進(jìn)一步包括置于第一涂層上的環(huán)境涂層，并且該環(huán)境涂層可以包括低發(fā)射率涂層。在這種實(shí)施方式中，環(huán)境涂層也可包括整合至并入CNT的纖維材料內(nèi)的基體類型環(huán)境涂層。在一些實(shí)施方式中，環(huán)境涂層包括金屬諸如銅。本發(fā)明的太陽能接收器可以表現(xiàn)出非常低的發(fā)射率。任何環(huán)境涂層可用于該目的。另外，在一些實(shí)施方式中，本發(fā)明的太陽能接收器還包括環(huán)境涂層，該環(huán)境涂層包括抗反射材料。這可被用于反射從CNT或者吸熱元件輻射的紅外熱朝向CNT和加熱元件返回以防止熱損失至環(huán)境。在仍進(jìn)一步實(shí)施方式中，本發(fā)明的太陽能接收器還包括圍繞第一涂層和吸熱元件的環(huán)形套筒，產(chǎn)生間隙。該間隙可以包括空氣或者間隙可被充分地抽空。可以配置本發(fā)明的太陽能接收器以與發(fā)電系統(tǒng)整合。在這方面，接收器的總設(shè)計(jì)可以與本領(lǐng)域已知的那些名義上相同。
在一些實(shí)施方式中，本發(fā)明也提供太陽能接收器裝置的多層涂層，其包括具有并入CNT的纖維材料的第一涂層；和置于第一涂層上的環(huán)境涂層。如上所述和如本文下面所述，第一涂層進(jìn)一步可以包括陶瓷基體，并且第一涂層可進(jìn)一步包括金屬顆粒。如上所述和如下進(jìn)一步敘述，本發(fā)明的多層涂層可以包括環(huán)境涂層，其包括金屬膜、抗反射涂層、和/或低發(fā)射率涂層?？梢岳斫?，本發(fā)明的圖和敘述已被簡化以闡明相關(guān)的元件，以清楚地理解本發(fā)明， 同時(shí)為清楚起見，消除在典型的太陽能接收器和收集器中可以看到的許多其他元件。但是， 因?yàn)檫@些元件在本領(lǐng)域是已知的，并且因?yàn)槠洳⒉挥欣趯Ρ景l(fā)明的更好理解，在本文不提供這些元件的討論。本文的公開涉及本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的所有這種變型和改進(jìn)。參考圖1，圖解的是根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施方式的太陽能接收器100的剖面圖。 太陽能接收器100包括吸熱元件110和施加至吸熱元件110的外表面115的至少一部分的并入CNT的涂層120。在一種構(gòu)造中，吸熱元件110是中空的元件，適合于接收傳熱物質(zhì)，例如其間的傳熱流體。僅通過非限制性的實(shí)例的方式，傳熱流體可以包括水、防凍溶液(例如，水和乙二醇)、空氣、各種氣體、油、和其他高溫(高熱容)流體。在示例性的實(shí)施方式中，吸熱元件 110是具有第一末端112和第二末端114的金屬的或者合金吸收器管。吸熱元件110具有外表面115和相對于外表面115的內(nèi)表面117。僅通過非限制性的實(shí)例的方式，吸熱元件 110可由不銹鋼、碳鋼、或者鋁制成。本領(lǐng)域技術(shù)人員理解也可使用其他金屬和合金。選擇吸熱元件110的厚度和吸熱元件110的材料性質(zhì)以有效地將熱量從外表面115傳遞至內(nèi)表面117，這加熱存在于通常與內(nèi)表面117表面接合的吸熱元件110中的傳熱物質(zhì)。在示例性的構(gòu)造中，吸收器管可具有大約3米(m)的長度、大約70毫米(mm)的直徑、和大約2mm的壁厚度。盡管在此參考的熱吸收器元件110采取管或者管狀結(jié)構(gòu)的形式，但是可以理解熱吸收器元件110可被配置為各種幾何形狀形式，僅通過實(shí)例的方式包括圓柱的、圓錐的、多邊形的或者其他形狀和構(gòu)造。在一種構(gòu)造中，吸熱元件110是開放的系統(tǒng)，其中傳熱物質(zhì)諸如傳熱流體以第一溫度在第一末端112進(jìn)入并且以高于第一溫度的第二溫度從第二末端114離開。在另一構(gòu)造中，吸熱元件110可以是封閉的系統(tǒng)，諸如熱管道，其中傳熱流體被保留在吸熱元件110 中。在圖解的實(shí)施方式中，吸熱元件110具有外表面115，其通常是均勻的。仍參考圖1，并入CNT的涂層120被置于吸熱元件110的外表面115上。因此，并入CNT的涂層120至少部分地覆蓋吸熱元件110的外表面115。在張力下將并入CNT的涂層120纏繞在吸熱元件110的外表面115上以建立并且保持與吸熱元件110的外表面115 的有效表面接合或者接觸，同時(shí)使其間的間隙最小化。并入CNT的涂層120接收入射的電磁輻射(典型地以太陽輻射的形式)并且轉(zhuǎn)化接收的輻射成為熱或者熱能。轉(zhuǎn)化的熱或者熱能被傳遞至熱吸收器元件110的外表面115。在示例性的實(shí)施方式中，吸熱元件110的外表面115基本完全被并入CNT的涂層120覆蓋。在另一實(shí)施方式中，外表面115的一個(gè)或者多個(gè)預(yù)定的區(qū)域可不被并入CNT的涂層120覆蓋。在一種構(gòu)造中，并入CNT的涂層120采取并入有碳納米管的玻璃繩或者纖維的形式。并入CNT的涂層的其他實(shí)例包括并入碳納米管的纖維和織物，諸如并入有碳納米管的碳纖維、蒸氣生長碳纖維、碳納米纖維、和石墨烯(grapheme)。在示例性的實(shí)施方式中，并入CNT的涂層120可具有在范圍大約15微米(pm)至大約IOOOpm的厚度。并入CNT的涂層120可以任選地包括摻雜有碳納米管或者金屬納米顆粒的高溫水泥、樹脂或者環(huán)氧樹脂基體，以為并入CNT的涂層120提供結(jié)構(gòu)完整性。在示例性的實(shí)施方式中，可以以玻璃纖維的形式使用原位碳納米管生長技術(shù)制造并入CNT的涂層120。例如，玻璃纖維可被供給經(jīng)過保持在大約5000至750°C的給定溫度的生長室。然后將含碳原料氣引入至生長室，其中，在催化劑納米顆粒的存在下，碳自由基解離并且在玻璃纖維上引發(fā)碳納米管的形成。在2009年2月27日提交的題目為“使用氣體預(yù)熱方法的低溫 CNT 生長”(“Low Temperature CNT Growth Using A Gas-Pre-heat Method”)的共同擁有的臨時(shí)美國申請?zhí)?1/155，935中敘述一種這樣的技術(shù)，該申請?jiān)诖送ㄟ^引用以其整體內(nèi)容并入。其他這種方法可被利用以獲得并入CNT的涂層120，通過該方法產(chǎn)生復(fù)合材料覆蓋層或者線或者繩層形式的并入碳納米管的纖維。如在本領(lǐng)域中所已知的，碳納米管基結(jié)構(gòu)的電磁輻射吸收率部分地是碳納米管長度以及該結(jié)構(gòu)的納米管體積填充分?jǐn)?shù)的函數(shù)。納米管體積填充分?jǐn)?shù)表示納米管占據(jù)結(jié)構(gòu)的總體積的分?jǐn)?shù)。在示例性的實(shí)施方式中，并入CNT的涂層120的納米管體積填充分?jǐn)?shù)在范圍大約0. 5%至大約25%。并入CNT的涂層120中的碳納米管之間的平均間距在范圍從大約2納米(nm)至大約200nm。通過在其中選擇性放置碳納米管可以調(diào)整并入CNT的涂層 120的納米管體積填充以控制可被并入CNT的涂層120有效吸收的電磁輻射的范圍。并入 CNT的涂層120中的納米管之間的間隙可被用于選擇性地捕獲和吸收具有一個(gè)或者多個(gè)給定波長的輻射。并入CNT的涂層中碳納米管越長，電磁輻射(至少在可見光譜中)的吸收率越高。 并入CNT的涂層120可以包括具有長度范圍在大約十(10)微米至大約幾百微米的碳納米管。如在本領(lǐng)域中所已知的，碳納米管的熱導(dǎo)率取決于其結(jié)構(gòu)構(gòu)造。具體地，與垂直于其縱向軸的方向的熱導(dǎo)率相比，碳納米管在其縱向軸的方向具有更高的熱導(dǎo)率。因此，在一種構(gòu)造中，并入CNT的涂層120可以包括大體垂直于外表面115排列的碳納米管，大體平行于外表面115排列的碳納米管，以及既不平行于也不垂直于外表面115排列的碳納米管。大體垂直于外表面115的那些碳納米管有效地傳導(dǎo)從入射輻射轉(zhuǎn)化的熱至外表面115。大體不垂直于外表面115的那些碳納米管不直接地傳導(dǎo)任何顯著的熱至外表面115。但是，大體不垂直于外表面115的那些碳納米管，在并入CNT的涂層120中形成至大體垂直的碳納米管的熱路徑，從而增加從并入CNT的涂層120至外表面115的全部熱傳遞。因此，并入CNT 的涂層120中碳納米管的排列可被調(diào)整以使并入CNT的涂層120至吸熱元件110的熱導(dǎo)率最大化。現(xiàn)在參考圖2，圖解的是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式的太陽能接收器200。太陽能接收器200通常類似于太陽能接收器100。但是，接收器200具有如此吸熱元件110，其具有在外表面115上形成的凹槽215。在一種構(gòu)造中，凹槽215采取沿著吸熱元件110的長度沿伸的螺旋構(gòu)造的形式。本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解加工螺旋凹槽是簡單的并且是眾所周知的方法。在示例性的實(shí)施方式中，凹槽215可具有范圍在從大約50pm至大約5000pm的尺寸。凹槽215有效地增加暴露于并入CNT的涂層120的吸熱元件110外表面115的表面面積。增加的表面面積又增加從并入CNT的涂層120傳熱至吸熱元件110的外表面115的效率。在示例性的實(shí)施方式中，當(dāng)與由并入CNT的纖維絲束120組成的并入CNT的涂層結(jié)合時(shí)，凹槽215是尤其有效的。凹槽215的大小可適合于使凹槽215的內(nèi)部表面和并入CNT 的涂層120的一個(gè)或者多個(gè)單獨(dú)的纖維的外表面之間的接觸面積最大化。在示例性的實(shí)施方式中，凹槽215的大小和深度可大約類似于并入CNT的涂層120的并入CNT的纖維，從而在凹槽215內(nèi)以緊密的配合容納并且固定并入CNT的涂層120的并入CNT的纖維，并且使凹槽215和并入CNT的涂層120之間的表面接觸最大化。在其他實(shí)施方式中，凹槽215可以容納并入CNT的涂層120的多個(gè)并入CNT的纖維。在一種構(gòu)造中，凹槽215可以采取被螺旋地限定在外表面115上并且沿著吸收元件110的整個(gè)長度連續(xù)地延伸的單一凹槽的形式。在另一實(shí)施方式中，凹槽215可以包括限定在熱吸收器元件110的外表面115上的一系列不連續(xù)的或者分割的凹槽。這種凹槽 215可相對彼此縱向地排列，并且大小可以容納圍繞吸收器元件110纏繞的一種或多種并入CNT的纖維的至少一部分。參考圖3，圖解的是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式的太陽能接收器300。太陽能接收器300大體類似于太陽能接收器100(圖1的)。在一種構(gòu)造中，可施加環(huán)境涂層310至并入CNT的涂層120的頂面以保護(hù)并入CNT的涂層120并且改進(jìn)并入CNT的涂層120和環(huán)境涂層310的組合的反射和發(fā)射特性。在圖5-12中示意性地描述環(huán)境涂層310的幾種實(shí)施方式，并且在此敘述?，F(xiàn)在參考圖4，圖解的是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方式的太陽能接收器400。太陽能接收器400大體類似于太陽能接收器200 (圖2的)，還包括如在太陽能接收器300 (圖3 的)的描述中所述的環(huán)境涂層310?，F(xiàn)在參考圖5，在太陽能接收器500的一種構(gòu)造中，表示的是與并入CNT的涂層 120整合的陶瓷環(huán)境涂層510，用于保護(hù)并入CNT的涂層120不受環(huán)境影響并且用于減少熱能從并入CNT的涂層120發(fā)出。環(huán)境涂層510對至少太陽輻射是透明的以允許入射輻射到達(dá)并入CNT的涂層120。此外，環(huán)境涂層510反射熱輻射，包括由并入CNT的涂層120發(fā)出的紅外光輻射，從而反射熱輻射返回至并入CNT的涂層120用于再吸收。因此，環(huán)境涂層 510具有低發(fā)射率特性。在示例性的實(shí)施方式中，環(huán)境涂層510可以包括作為液體施加并且經(jīng)過高溫固化周期轉(zhuǎn)化為玻璃的陶瓷(介電)基材料。在另一實(shí)施方式中，可經(jīng)過化學(xué)氣相沉積方法或者經(jīng)過等離子體濺射施加環(huán)境涂層510。因?yàn)檫@種涂層施加方法在本領(lǐng)域是已知的，為簡潔起見不進(jìn)一步對其詳細(xì)敘述。在一種構(gòu)造中，環(huán)境涂層510適合于經(jīng)受并入 CNT的涂層120和吸熱元件110的高溫，該高溫可以達(dá)到高達(dá)400°C至500°C。在另一構(gòu)造中，環(huán)境涂層510可適合于為疏水的以保護(hù)并入CNT的涂層120不受環(huán)境濕氣影響。在示例性的實(shí)施方式中，環(huán)境涂層510可具有在范圍大約50nm至大約500nm的厚度?？杀挥糜谛纬森h(huán)境涂層510的材料的實(shí)例包括氧化鋁、二氧化硅、二氧化銫、硫化鋅、氮化鋁、和氧化 ,告?，F(xiàn)在參考圖6，在太陽能接收器600的另一構(gòu)造中，用抗反射涂層615進(jìn)一步涂覆整合的陶瓷環(huán)境涂層510和并入CNT的涂層120。通過在其上布置抗反射涂層615可以減少由于整合的環(huán)境涂層510和并入CNT的涂層120的反射而損失的入射輻射的量。因此， 抗反射涂層510有效地減少下面的整合的環(huán)境涂層510和并入CNT的涂層120的反射損失，并且增加被并入CNT的涂層120吸收的入射輻射的量。這種抗反射涂層的實(shí)例包括氟化鎂、含氟聚合物和硅石基的涂層。這種抗反射涂層的使用在本領(lǐng)域是已知的，因此不進(jìn)一步詳敘。參考圖7，在太陽能接收器700的一種構(gòu)造中，金屬的環(huán)境涂層710被施加在并入 CNT的涂層120上。在示例性的實(shí)施方式中，環(huán)境涂層710可以是金屬薄膜，其對至少太陽輻射是透明的以允許入射輻射到達(dá)并入CNT的涂層120。此外，通過從并入CNT的涂層120將包括紅外線輻射的熱輻射反射回并入CNT的涂層120用于再吸收，環(huán)境涂層710具有低發(fā)射率特性。在示例性的實(shí)施方式中，環(huán)境涂層710可以包括通過化學(xué)氣相沉積方法或者通過等離子體濺射或者噴霧施加的金屬薄膜材料。在一種構(gòu)造中，環(huán)境涂層710適合于經(jīng)受并入CNT的涂層120和吸熱元件110的高溫，該高溫可以到達(dá)高達(dá)400°C至500°C。在另一構(gòu)造中，環(huán)境涂層710可以適合于是疏水的。在示例性的實(shí)施方式中，環(huán)境涂層710可具有在范圍大約Inm至大約250nm的厚度?？杀挥糜谛纬森h(huán)境涂層510的材料的實(shí)例包括但不限于鉬(Mo)、銀(Ag)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鈦(Ti)、鉬(Pt)、鎢(W)、鉻(Cr)、鈷(Co)、金(Au)、 氧化銅(CuO)、氧化鈷(Co3O4)、二氧化鉬(MoO2)、氧化鎢(WO)、氧化鈦(TiO)、氮化鈦(TiN)、 鐵(Fe)和三氧化二鐵(Fe2O3)。現(xiàn)在參考圖8，在太陽能接收器800的另一構(gòu)造中，用抗反射涂層615進(jìn)一步涂覆金屬的環(huán)境涂層710(圖7的)。這種抗反射涂層的實(shí)例包括氟化鎂、含氟聚合物和硅石基的涂層。參考圖9，在太陽能接收器900的另一構(gòu)造中，用金屬涂層710(圖7的)進(jìn)一步涂覆整合的陶瓷環(huán)境涂層510和并入CNT的涂層120(圖5的)，從而在吸熱元件110上形成分層的金屬陶瓷涂層。分層的金屬陶瓷涂層包括疊加在整合的陶瓷涂層510和并入CNT的涂層120上的金屬涂層710。陶瓷層510和金屬層710的組合有效地增加提供給并入CNT 的涂層120的環(huán)境保護(hù)，并且通過將熱輻射反射回并入CNT的涂層120用于再吸收，有效地減少下面的并入CNT的涂層120的熱輻射損失。分層的金屬陶瓷層為下面的整合的陶瓷涂層510和并入CNT的涂層120提供另外的結(jié)構(gòu)完整性?，F(xiàn)在參考圖10，在太陽能接收器1000的另一構(gòu)造中，用抗反射涂層615進(jìn)一步涂覆圖9的整合的金屬陶瓷涂層。這種抗反射涂層的實(shí)例包括氟化鎂、含氟聚合物和硅石基的涂層。現(xiàn)在參考圖11，在太陽能接收器1100的另一構(gòu)造中，用金屬顆粒1110摻雜整合的陶瓷環(huán)境涂層510和并入CNT的涂層120 (圖5的)。在一種構(gòu)造中，顆粒1110可以包括描述用于涂層710的金屬，并且可通過膠體分散或者選擇性地等離子體濺射或者噴霧施加顆粒1110。顆粒尺寸可以在幾微米至幾納米之間。因此，該構(gòu)造提供并入CNT的涂層120和摻雜有金屬顆粒1110的整合陶瓷涂層510的整合層。參考圖12，在另一構(gòu)造1200中，用抗反射涂層615進(jìn)一步涂覆圖11的涂層的整合層。這種抗反射涂層的實(shí)例包括氟化鎂、含氟聚合物和硅石基的涂層?，F(xiàn)在參考圖13，圖解的是根據(jù)本發(fā)明的仍有另一實(shí)施方式的太陽能接收器1300。 太陽能接收器1300大體類似于太陽能接收器300 (圖3的)。太陽能接收器1300另外地包括圍繞涂覆有并入CNT的涂層120的吸熱元件110的環(huán)形套筒1310。在示例性的實(shí)施方式中，環(huán)形套筒1310采取玻璃環(huán)形套筒的形式。在其他實(shí)施方式中，環(huán)形套筒1310可由對入射的電磁輻射例如太陽輻射透明的其他材料制成，諸如石英或者其他摻雜的玻璃材料。在一種構(gòu)造中，可以在環(huán)形套筒1310的外表面、內(nèi)表面或者內(nèi)和外表面二者上用抗反射涂層涂覆環(huán)形套筒1310以使經(jīng)過環(huán)形套筒1310傳播的入射輻射的量最大化。在示例性的實(shí)施方式中，抗反射涂層可以包括多個(gè)薄膜結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有折射率差別懸殊的交替層?？梢赃x擇層厚度以在從界面反射的光束中產(chǎn)生相消干涉，和在相應(yīng)的傳播的光束中產(chǎn)生相長干涉。這種抗反射涂層的實(shí)例包括氟化鎂、含氟聚合物和硅石基的涂層。在另一構(gòu)造中，可用低發(fā)射率涂層在外、內(nèi)或者內(nèi)和外表面二者上另外地或者任選地涂覆環(huán)形套筒1310以減少從環(huán)形套筒1310發(fā)出的輻射熱損失。在示例性的實(shí)施方式中，低發(fā)射率涂層是置于環(huán)形套筒1310上的薄膜金屬或者金屬氧化物層。這種低發(fā)射率涂層的非限制性實(shí)例包括具有范圍在500-50nm之間的厚度的鉬(Mo)、銀(Ag)J^ (Cu)、和鎳 (Ni)。在仍另一構(gòu)造中，可用紅外線反射涂層在其內(nèi)、外或者內(nèi)和外表面二者上另外地或者任選地涂覆環(huán)形套筒1310。如本領(lǐng)域中已知的，熱可以來自經(jīng)過從涂覆有并入CNT的涂層 120的吸熱元件110的紅外線輻射的損失。用紅外線反射涂層涂覆的環(huán)形套筒1310將并入 CNT的涂層120發(fā)出的這種紅外線輻射反射回吸熱元件110，其中并入CNT的涂層120再吸收這種反射的頂輻射。因此，通過發(fā)出的輻射的再吸收，減少來自紅外線輻射的有效熱損失。這種紅外線反射涂層的實(shí)例是錫酸鎘薄膜。在示例性的實(shí)施方式中，太陽能接收器1300可以包括環(huán)形套筒1310和至少部分地覆蓋有并入CNT的涂層120的吸熱元件110之間的空氣間隙或者氣穴。在另一實(shí)施方式中，環(huán)形套筒1310可被抽空以減少由于存在于并入CNT的涂層120和環(huán)形套筒1310之間的空氣中的對流產(chǎn)生的熱損失。在仍另一示例性的實(shí)施方式中，太陽能接收器1300可進(jìn)一步包括關(guān)于圖5-12敘述的環(huán)境、低發(fā)射率涂層的一種或多種。現(xiàn)在參考圖14，圖解根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的太陽能接收器1400。太陽能接收器1400大體類似于太陽能接收器400。太陽能接收器400另外地包括環(huán)形套筒1310，其圍繞至少部分地被并入CNT的涂層120覆蓋的吸熱元件110?？捎靡粋€(gè)或多個(gè)抗反射涂層在其外、內(nèi)或者外和內(nèi)表面二者上涂覆環(huán)形套筒1310，在其外、內(nèi)或者內(nèi)和外表面上涂敷低發(fā)射率涂層，在其內(nèi)、外或者內(nèi)和外表面上涂敷紅外線輻射反射涂層，如本文以上關(guān)于圖13 的實(shí)施方式敘述的。在仍另一示例性的實(shí)施方式中，太陽能接收器1400可進(jìn)一步包括關(guān)于圖5-12敘述的環(huán)境涂層、低發(fā)射率涂層的一種或多種。下面是產(chǎn)生并入CNT的纖維材料的示例性的方法。以碳纖維材料作為例子說明該方法，但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員也理解操作參數(shù)類似于其他材料類型，包括玻璃、陶瓷以及金屬纖維材料。在一些實(shí)施方式中，本發(fā)明提供CNT并入的連續(xù)的方法，其包括(a)在可纏繞維度的纖維材料的表面上放置碳納米管形成催化劑；和(b)在纖維材料上直接合成碳納米管，從而形成并入碳納米管的纖維材料。對于9英尺長的系統(tǒng)，該方法的線速度可以在大約 1. 5ft/min至大約108ft/min之間的范圍。通過本文描述的方法達(dá)到的線速度允許用短的生產(chǎn)時(shí)間形成商業(yè)相關(guān)量的并入CNT的纖維材料。例如，在36ft/min線速度，在設(shè)計(jì)來同時(shí)處理5個(gè)單獨(dú)的絲束QOlb/絲束)的系統(tǒng)中，并入CNT的纖維的量(纖維上按重量計(jì)超過5%并入的CNT)可以每天生產(chǎn)超過100磅或者更多的材料。系統(tǒng)可被制造通過重復(fù)生長區(qū)域以一次或者以更快的速度生產(chǎn)更多的絲束。而且，如在本領(lǐng)域已知，在CNT制作中的一些步驟具有極其慢的速度，防止了操作的連續(xù)方式。例如，在本領(lǐng)域已知的典型方法中，CNT形成催化劑還原步驟可以花費(fèi)1-12小時(shí)完成。CNT生長本身也可以是耗時(shí)的，例如需要幾十分鐘用于CNT生長，這排除在本發(fā)明中實(shí)現(xiàn)的快速線速度。本文描述的方法克服了這類速度限制步驟。本發(fā)明的并入CNT的纖維材料形成方法可避免當(dāng)試圖將預(yù)形成的碳納米管的懸浮液施加至纖維材料時(shí)發(fā)生的CNT成束。S卩，因?yàn)轭A(yù)形成的CNT未并入碳纖維材料，CNT 往往成束并且纏結(jié)。結(jié)果是微弱地粘附于碳纖維材料的CNT差的均勻分布。但是，如果期望，在纖維材料的表面上通過減小生長密度，本發(fā)明的方法可以提供高度均勻的纏結(jié)的CNT 墊。以低的密度生長的CNT首先被并入纖維材料中。在這種實(shí)施方式中，纖維沒有生長足夠密集以引起垂直排列，結(jié)果是碳纖維材料表面上的纏結(jié)的墊。相比之下，預(yù)形成的CNT的手工施加不保證CNT墊在碳纖維材料上的均勻分布和密度。圖15描述根據(jù)本發(fā)明的例證性實(shí)施方式的用于生產(chǎn)并入CNT的碳纖維材料的方法1500的流程圖。再次，碳纖維材料的使用僅是示例性的。方法1500包括至少下列操作1501 使碳纖維材料功能化。1502 施加隔離涂層和CNT形成催化劑至功能化的碳纖維材料。1504 加熱碳纖維材料至對于碳納米管合成足夠的溫度。1506 在負(fù)載催化劑的碳纖維上促進(jìn)CVD介導(dǎo)的CNT生長。在步驟1501，使碳纖維材料功能化以改進(jìn)纖維的表面潤濕性并且改進(jìn)隔離涂層的粘附力。為使碳納米管并入至碳纖維材料，在與隔離涂層共形地(conformally)涂布的碳纖維材料上合成碳納米管。在一個(gè)實(shí)施方式中，按照每一操作1502，這通過首先用隔離涂層共形地涂布碳纖維材料，然后放置納米管形成催化劑于隔離涂層上完成。在一些實(shí)施方式中，在催化劑沉積之前可部分地固化隔離涂層。這可以提供這樣的表面其對于接收催化劑是容易接收的并且允許其嵌入隔離涂層中，包括允許在CNT形成催化劑和碳纖維材料之間的表面接觸。在這種實(shí)施方式中，在嵌入催化劑之后可完全固化隔離涂層。在一些實(shí)施方式中，與CNT形成催化劑的沉積同時(shí)地，隔離涂層被共形地涂布在碳纖維材料上。一旦CNT 形成催化劑和隔離涂層在適當(dāng)?shù)奈恢茫綦x涂層可被完全地固化。在一些實(shí)施方式中，在催化劑沉積之前，隔離涂層可被完全固化。在這種實(shí)施方式中，可以用等離子體處理完全固化的隔離涂布的碳纖維材料以制備接受催化劑的表面。例如，具有固化的隔離涂層的等離子體處理的碳纖維材料可以提供粗糙的表面，CNT形成催化劑可被沉積在該表面中。用于使隔離的表面“粗糙化”的等離子體方法因此促進(jìn)催化劑沉積。粗糙度典型地是在納米級別。在等離子體處理方法中，形成納米深度和納米直徑的凹坑(craters)或者凹陷(depressions)。使用各種不同氣體的任何一種或者多種的等離子體，包括但不限于氬氣、氦氣、氧氣、氮?dú)夂蜌錃?，可?shí)現(xiàn)這種表面改性。在一些實(shí)施方式中， 在碳纖維材料本身中也可直接完成等離子體粗糙化。這可以促進(jìn)隔離涂層對碳纖維材料的粘附。如在下面和結(jié)合圖15進(jìn)一步描述的，制備催化劑為包含CNT形成催化劑的液體溶液，該催化劑包括過渡金屬納米顆粒。合成的納米管的直徑與金屬顆粒的尺寸相關(guān)，如上所述。在一些實(shí)施方式中，CNT形成過渡金屬納米顆粒催化劑的商業(yè)分散體是可得的并且不經(jīng)稀釋即可使用，在其他實(shí)施方式中，催化劑的商業(yè)分散體可被稀釋。是否稀釋該溶液可以取決于待生長的CNT的期望密度和長度，如上所述。參考圖15的例證性實(shí)施方式，基于化學(xué)氣相沉積(CVD)方法，說明碳納米管合成， 并且在高溫發(fā)生該碳納米管合成。具體溫度是催化劑選擇的函數(shù)，但是典型地在大約500 至1000°C的范圍。因此，操作1504包括加熱隔離涂布的碳纖維材料至上述范圍內(nèi)的溫度以支持碳納米管合成。在操作1506中，然后進(jìn)行負(fù)載催化劑的碳纖維材料上的CVD-促進(jìn)的納米管生長。 由例如含碳原料氣諸如乙炔、乙烯和/或乙醇，可促進(jìn)CVD方法。CNT合成方法一般使用惰性氣體(氮?dú)?、氬氣、氦?作為主要的載氣。提供碳原料為全部混合物的大約0%至大約 15%之間的范圍。通過從生長室中清除濕氣和氧氣，制備CVD生長的基本惰性環(huán)境。在CNT合成方法中，CNT生長在CNT形成過渡金屬納米顆粒催化劑的位置。強(qiáng)的等離子體產(chǎn)生電場的存在可被任選地應(yīng)用以影響納米管生長。即，生長趨于沿電場的方向。通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整等離子體噴射和電場的幾何形狀，垂直排列的CNT(即，垂直于碳纖維材料) 可被合成。在一定的條件下，即使沒有等離子體，緊密地間隔開的納米管保持垂直生長方向，導(dǎo)致類似于地毯或者森林的CNT的密集排列。隔離涂層的存在也可影響CNT生長的方向性。通過噴射或者浸漬涂布溶液或者通過例如等離子體方法的氣相沉積，可完成在碳纖維材料上放置催化劑的操作。技術(shù)的選擇可以與施加隔離涂層的方式一致。因此，在一些實(shí)施方式中，在溶劑中形成催化劑的溶液之后，通過用該溶液噴射或者浸漬涂布隔離涂布的碳纖維材料或者噴射和浸漬涂布結(jié)合，催化劑可被施加。單獨(dú)或者結(jié)合地使用的任一技術(shù)可被使用一次、兩次、三次、四次、直到許多次，以提供用CNT形成催化劑基本均勻地涂布的碳纖維材料。當(dāng)使用浸漬涂布時(shí)，例如碳纖維材料可被置于第一浸漬浴中，在第一浸漬浴中持續(xù)第一停留時(shí)間。當(dāng)使用第二浸漬浴時(shí)，碳纖維材料可被置于第二浸漬浴中持續(xù)第二停留時(shí)間。例如，碳纖維材料可被置于CNT形成催化劑的溶液大約3秒至大約90秒之間，這取決于浸漬配置和線速度。使用噴射或者浸漬涂布方法，具有低于大約5%表面覆蓋率至高達(dá)大約80%覆蓋率的催化劑表面密度的碳纖維材料，其中CNT形成催化劑納米顆粒幾乎是單層的。在一些實(shí)施方式中，在碳纖維材料上涂布CNT形成催化劑的方法應(yīng)只是產(chǎn)生單層。例如，一堆CNT形成催化劑上的CNT生長可以損害CNT并入至碳纖維材料的程度。 在其他實(shí)施方式中，使用蒸發(fā)技術(shù)、電解沉積技術(shù)和本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其他方法諸如將過渡金屬催化劑作為金屬有機(jī)物、金屬鹽或者其他促進(jìn)氣相運(yùn)輸?shù)慕M分加入等離子體原料氣體，過渡金屬催化劑可被沉積在碳纖維材料上。因?yàn)楸景l(fā)明的方法被設(shè)計(jì)為連續(xù)的，可以在一連串的浴中浸漬涂布可纏繞碳纖維材料，其中浸漬涂布浴在空間上是分開的。在從頭產(chǎn)生初始碳纖維的連續(xù)方法中，浸漬浴或者CNT形成催化劑的噴射可以是施加和固化或者部分地固化隔離涂層至碳纖維材料之后的第一個(gè)步驟。對于新形成的碳纖維材料，代替施加上漿劑，可進(jìn)行隔離涂層和CNT形成催化劑的施加。在其他實(shí)施方式中，在其他上漿劑的存在下，在隔離涂層之后CNT形成催化劑可被施加于新形成的碳纖維。CNT形成催化劑和其他上漿劑的這種同時(shí)施加仍可提供與碳纖維材料的隔離涂層表面接觸的CNT形成催化劑，以保證CNT并入。使用的催化劑溶液可以是過渡金屬納米顆粒，其可以是如上所述的任何d-塊過渡金屬。另外，納米顆?？梢园ㄒ栽氐男问交蛘咭喳}形式及其混合物的d-塊金屬的合金和非合金混合物。這種鹽形式包括但不限于，氧化物、碳化物和氮化物。非限制的示例性的過渡金屬NPs包括Ni、Fe、Co、Mo、Cu、Pt、Au和Ag及其鹽和混合物。在一些實(shí)施方式中， 通過與隔離涂層沉積同時(shí)地，直接施加或者并入CNT形成催化劑至碳纖維材料，這種CNT形成催化劑被放置在碳纖維上。從各個(gè)供應(yīng)商，包括例如i^errotec Corporation (Bedford, NH)，許多這些過渡金屬催化劑是容易商業(yè)獲得的。用于施加CNT形成催化劑至碳纖維材料的催化劑溶液可在任何普通的溶劑中，該溶劑允許CNT形成催化劑均勻地到處分散。這種溶劑可包括但不限于，水、丙酮、己烷、異丙醇、甲苯、乙醇、甲醇、四氫呋喃(THF)、環(huán)己烷或者任何其他溶劑，其具有控制的極性以產(chǎn)生 CNT形成催化劑納米顆粒的適當(dāng)?shù)姆稚Ⅲw。CNT形成催化劑的濃度可在催化劑與溶劑之比為大約1 1至1 10000的范圍。當(dāng)隔離涂層和CNT形成催化劑同時(shí)施加時(shí)，也可使用這樣的濃度。在一些實(shí)施方式中，碳纖維材料的加熱可在大約500°C和1000°C之間的溫度，以在CNT形成催化劑的沉積之后合成碳納米管。在碳原料的引入之前或者基本與碳原料的引入同時(shí)，在這些溫度下進(jìn)行加熱以便CNT生長。在一些實(shí)施方式中，本發(fā)明提供一種方法，其包括從碳纖維材料清除上漿劑，共形地在碳纖維材料上施加隔離涂層，施加CNT形成催化劑至碳纖維材料，加熱碳纖維材料至至少500°C，以及在碳纖維材料上合成碳納米管。在一些實(shí)施方式中，該CNT并入方法的操作包括從碳纖維材料清除上漿劑，施加隔離涂層至碳纖維材料，施加CNT形成催化劑至碳纖維，加熱纖維至CNT合成溫度和在負(fù)載催化劑的碳纖維材料上進(jìn)行CVD-促進(jìn)的CNT生長。因此，當(dāng)使用商業(yè)碳纖維材料時(shí)，構(gòu)造并入CNT的碳纖維的方法可以包括在碳纖維材料上布置隔離涂層和催化劑之前從碳纖維材料清除上漿劑的獨(dú)立步驟。合成碳納米管的步驟可以包括形成碳納米管的許多技術(shù)，包括在共同未決的美國專利申請?zhí)朥S 2004/0M5088中公開的那些，該專利通過引用并入本文。通過本領(lǐng)域已知的技術(shù)，包括但不限于微腔、熱或者等離子體-增強(qiáng)的CVD技術(shù)、激光燒蝕、弧光放電和高壓一氧化碳(HiPCO)，在本發(fā)明的纖維上生長的CNT可被完成。具體地，在CVD期間，可直接使用CNT形成催化劑布置在其上的隔離涂層的碳纖維材料。在一些實(shí)施方式中，在CNT合成之前，任何常規(guī)的上漿劑可被清除。在一些實(shí)施方式中，乙炔氣體被電離以產(chǎn)生CNT合成用的冷碳等離子體的噴射。該等離子體被引導(dǎo)向負(fù)載催化劑的碳纖維材料。因此，在一些實(shí)施方式中，在碳纖維材料上合成CNT包括(a)形成碳等離子體；和(b)引導(dǎo)碳等離子體至碳纖維材料上布置的催化劑上。生長的CNT的直徑由CNT形成催化劑的尺寸控制，如上所述。在一些實(shí)施方式中，上漿的纖維基底被加熱至大約550至大約800°C之間以促進(jìn)CNT合成。為引發(fā)CNT的生長，兩種氣體被釋放入反應(yīng)器工藝氣體諸如氬氣、氦氣或者氮?dú)?，和含碳?xì)怏w諸如乙炔、乙烯、乙醇或者甲烷。在CNT形成催化劑的位置生長CNT。在一些實(shí)施方式中，CVD生長是等離子體-增強(qiáng)的。通過在生長過程期間提供電場，等離子體可被產(chǎn)生。在這些條件下生長的CNT可以沿電場的方向。因此，通過調(diào)整反應(yīng)器的幾何形狀，垂直排列的碳納米管可繞圓柱形纖維放射狀地生長。在一些實(shí)施方式中，對于繞纖維的放射狀生長，等離子體不是必需的。對于具有明顯的側(cè)面的碳纖維材料，諸如帶材、墊、織物、板片以及類似物，催化劑可被布置在一個(gè)或者兩個(gè)側(cè)面上，并且相應(yīng)地，CNT也可被生長在一個(gè)或者兩個(gè)側(cè)面上。如上所述，在足以提供連續(xù)的過程以使可纏繞碳纖維材料功能化的速度下進(jìn)行 CNT合成。許多設(shè)備構(gòu)造有利于這種連續(xù)的合成，如下面例證。在一些實(shí)施方式中，可以在“全等離子體(all plasma)”方法中構(gòu)造并入CNT的碳纖維材料。全等離子體方法可以用如上所述的等離子體使碳纖維材料粗糙化，以改進(jìn)纖維表面潤濕特性和提供更加共形的隔離涂層，以及由于使用特定的反應(yīng)性氣體種類諸如氬氣或者氦氣基等離子體中的氧氣、氮?dú)?、氫氣進(jìn)行碳纖維材料功能化的使用，通過機(jī)械互鎖和化學(xué)粘附，增強(qiáng)涂層粘附力。隔離涂層的碳纖維材料經(jīng)過許多進(jìn)一步的等離子體-介導(dǎo)的步驟以形成最終的并入CNT的產(chǎn)品。在一些實(shí)施方式中，所述全等離子體方法可以包括隔離涂層被固化之后的第二表面改性。這是使碳纖維材料上隔離涂層的表面“粗糙化”的等離子體方法以促進(jìn)催化劑沉積。如上所述，使用各種不同氣體的任何一種或者更多的等離子體，包括但不限于氬氣、氦氣、氧氣、氨氣、氫氣和氮?dú)?，表面改性可得以?shí)現(xiàn)。在表面改性之后，隔離涂布的碳纖維材料進(jìn)行催化劑施加。這是在纖維上放置CNT 形成催化劑的等離子體方法。CNT形成催化劑典型地是如上所述的過渡金屬。過渡金屬催化劑可被加入等離子體原料氣體作為前驅(qū)體，形式為鐵磁流體、金屬有機(jī)物、金屬鹽或者其他促進(jìn)氣相傳輸?shù)慕M分?？稍谑覝叵轮車h(huán)境中施加催化劑，既不需要真空也不需要惰性氣氛。在一些實(shí)施方式中，在催化劑施加之前碳纖維材料被冷卻。繼續(xù)全等離子體方法，碳納米管合成發(fā)生在CNT生長反應(yīng)器中。這可以通過使用等離子體-增強(qiáng)的化學(xué)氣相沉積實(shí)現(xiàn)，其中碳等離子體被噴射至負(fù)載催化劑的纖維上。因?yàn)樘技{米管生長發(fā)生在高溫(取決于催化劑，典型地在大約500至1000°C的范圍)，因此在暴露于碳等離子體之前，負(fù)載催化劑的纖維可被加熱。對并入方法，碳纖維材料可被任選地加熱直到其變軟。在加熱之后，碳纖維材料易于接收碳等離子體。例如，通過使含碳?xì)怏w諸如乙炔、乙烯、乙醇、以及類似氣體經(jīng)過能夠使氣體電離的電場，產(chǎn)生碳等離子體。該冷的碳等離子體經(jīng)過噴嘴被引導(dǎo)至碳纖維材料。碳纖維材料可以非常接近于噴嘴，諸如在噴嘴的大約1厘米之內(nèi)，以接收等離子體。在一些實(shí)施方式中，加熱器被置于等離子體噴射器處的碳纖維材料上，以保持碳纖維材料的高溫。連續(xù)的碳納米管合成的另一構(gòu)造包括直接在碳纖維材料上合成和生長碳納米管的專用矩形反應(yīng)器。該反應(yīng)器可被設(shè)計(jì)用于生產(chǎn)負(fù)載碳納米管的纖維的連續(xù)流線方法中。 在一些實(shí)施方式中，通過化學(xué)氣相沉積(“CVD”)方法在大氣壓下和在大約550°C至大約 800°C的范圍中的高溫下在多區(qū)域反應(yīng)器中生長CNT。合成發(fā)生在大氣壓下的事實(shí)是有利于反應(yīng)器結(jié)合入纖維上CNT合成的連續(xù)處理生產(chǎn)線的一個(gè)因素。與使用這種區(qū)域反應(yīng)器的流線連續(xù)處理相一致的另一優(yōu)勢是，CNT生長在幾秒鐘內(nèi)發(fā)生，與在本領(lǐng)域典型的其他方法和設(shè)備構(gòu)造中的幾分鐘(或者更長)不同。根據(jù)各種實(shí)施方式的CNT合成反應(yīng)器包括下列特征矩形構(gòu)造的合成反應(yīng)器本領(lǐng)域已知的典胡CNT合成反應(yīng)器的橫截面是圓形的。 對此有許多原因，包括例如歷史的原因(在實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)常使用圓柱形反應(yīng)器)和方便(在圓柱形反應(yīng)器中容易模擬流體動(dòng)力學(xué))，加熱器系統(tǒng)容易接受圓形的管(石英，等等)，并且易于制造。背離圓柱形的慣例，本發(fā)明提供具有矩形橫截面的CNT合成反應(yīng)器。背離的原因如下1.因?yàn)榭捎煞磻?yīng)器處理的許多碳纖維材料是相對平的，諸如平的帶材或者薄片狀形式，因此圓形的橫截面是反應(yīng)器體積的低效利用。這種低效導(dǎo)致圓柱形CNT合成反應(yīng)器的若干缺點(diǎn)，包括例如，a)保持充分的系統(tǒng)凈化；增加的反應(yīng)器體積需要增加的氣體流速以保持相同水平的氣體凈化。這導(dǎo)致對于開放的環(huán)境中的CNT大量生產(chǎn)是低效率的系統(tǒng)； b)增加的碳原料氣體流量；按照上述的每一 a)，惰性氣體流量的相對增加需要增加碳原料氣體流量。考慮1 碳纖維絲束的體積比具有矩形橫截面的合成反應(yīng)器的總體積小2000 倍。在相同的生長圓柱形反應(yīng)器(即，其寬度容納與矩形橫截面反應(yīng)器相同的平面碳纖維材料的圓柱形反應(yīng)器)中，碳纖維材料的體積比室的體積小17，500倍。盡管氣相沉積過程諸如CVD典型地僅由壓力和溫度控制，但體積對沉積的效率具有顯著影響。用矩形反應(yīng)器，仍有過量的體積。該過量的體積促進(jìn)不需要的反應(yīng)；然而圓柱形反應(yīng)器具有該體積的大約8倍。由于這種更多的發(fā)生競爭反應(yīng)的機(jī)會(huì)，在圓柱形反應(yīng)器室中，期望的反應(yīng)更慢地有效地發(fā)生。對于連續(xù)方法的進(jìn)行，CNT生長的這種減慢是有問題的。矩形反應(yīng)器構(gòu)造的一個(gè)好處是可以通過使用矩形室的小高度減小反應(yīng)器體積，使得該體積比例更好以及反應(yīng)更加有效。在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，矩形合成反應(yīng)器的總體積只是比經(jīng)過合成反應(yīng)器的碳纖維材料的總體積大大約3000倍。在一些進(jìn)一步的實(shí)施方式中，矩形合成反應(yīng)器的總體積只是比經(jīng)過合成反應(yīng)器的碳纖維材料的總體積大大約4000倍。在一些仍進(jìn)一步的實(shí)施方式中，矩形合成反應(yīng)器的總體積比經(jīng)過合成反應(yīng)器的碳纖維材料的總體積大不超過大約10，000倍。另外，明顯的是，當(dāng)使用圓柱形反應(yīng)器時(shí)，與具有矩形橫截面的反應(yīng)器相比， 需要更多的碳原料氣體以提供相同的流量百分?jǐn)?shù)。應(yīng)當(dāng)理解，在一些其他實(shí)施方式中，合成反應(yīng)器具有由多邊形形式描述的橫截面，該多邊形形式不是矩形但與其比較類似，并且相對于具有圓形橫截面的反應(yīng)器其提供反應(yīng)器體積的相似減小；c)有問題的溫度分布；當(dāng)使用相對小直徑的反應(yīng)器時(shí)，從室的中心至其壁的溫度梯度是最小的。但對于增大的尺寸，諸如可被用于商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)，溫度梯度增加。這種溫度梯度導(dǎo)致碳纖維材料基底上產(chǎn)品質(zhì)量變化(即，產(chǎn)品質(zhì)量作為徑向位置的函數(shù)變化)。當(dāng)使用具有矩形橫截面的反應(yīng)器時(shí)，基本避免該問題。具體地，當(dāng)使用平的基底時(shí)，反應(yīng)器高度可隨基底的尺寸按比例增大而保持不變。反應(yīng)器的頂部和底部之間的溫度梯度基本上可被忽略，并且因此，避免了發(fā)生的熱問題和產(chǎn)品質(zhì)量變化。2.氣體引入因?yàn)樵诒绢I(lǐng)域中通常使用管式爐，典型的CNT合成反應(yīng)器在一端引入氣體并且吸引其經(jīng)過反應(yīng)器至另一端。在本文公開的一些實(shí)施方式中，氣體可被對稱地引入反應(yīng)器的中心或者目標(biāo)生長區(qū)域之內(nèi)，這或者通過側(cè)面或者通過反應(yīng)器的頂部和底部板。這提高了 CNT生長總體速度，因?yàn)樵谙到y(tǒng)的最熱部分，引入的原料氣體連續(xù)地補(bǔ)充，該部分是CNT生長最活躍的位置。對由矩形CNT反應(yīng)器表現(xiàn)出的增加的生長速度，該恒定的氣體補(bǔ)充是重要的方面。分區(qū)。提供相對冷的凈化區(qū)域的室依附在矩形合成反應(yīng)器的兩端。申請人已確定， 如果熱的氣體與外部環(huán)境(即，反應(yīng)器的外部)混合，碳纖維材料的降解會(huì)增加。冷的凈化區(qū)域提供內(nèi)部系統(tǒng)和外部環(huán)境之間的緩沖。本領(lǐng)域已知的典型的CNT合成反應(yīng)器構(gòu)造典型地需要基底被小心地(并且緩慢地)冷卻。在本矩形CNT生長反應(yīng)器的出口處的冷的凈化區(qū)域在短的時(shí)間段內(nèi)達(dá)到冷卻，如連續(xù)的流線處理所要求的。非接觸、熱壁的、金屬的反應(yīng)器。在一些實(shí)施方式中，使用由金屬尤其是不銹鋼制成的熱壁反應(yīng)器。這可能似乎有悖常理，因?yàn)榻饘?，尤其是不銹鋼，更容易發(fā)生碳沉積(即，形成煙灰和副產(chǎn)物)。因此，多數(shù)CNT反應(yīng)器構(gòu)造使用石英反應(yīng)器，因?yàn)橛休^少的碳沉積，石英容易清潔，并且石英有利于樣品觀察。但是，申請人已觀察到，不銹鋼上增加的煙灰和碳沉積導(dǎo)致更加一致的、更快的、更有效的和更穩(wěn)定的CNT生長。不被理論束縛，已指出，與常壓操作結(jié)合，發(fā)生在反應(yīng)器中的CVD方法是擴(kuò)散有限的。即，催化劑是“過量供給的”，由于其相對更高的分壓(比起假設(shè)在部分真空下操作反應(yīng)器)，在反應(yīng)器系統(tǒng)中太多的碳可利用。因此，在開放的系統(tǒng)中——尤其在清潔的系統(tǒng)中——太多的碳可粘附至催化劑顆粒，減弱其合成CNT的能力。在一些實(shí)施方式中，當(dāng)反應(yīng)器是“臟的”時(shí)，即在金屬反應(yīng)器壁上具有沉積的煙灰，“有意地”運(yùn)轉(zhuǎn)矩形反應(yīng)器。一旦碳沉積成為反應(yīng)器的壁上的單層，碳容易在其本身上沉積。因?yàn)橛捎谠摍C(jī)制一些可用的碳被“收回”，以自由基形式的剩余的碳原料以不使催化劑中毒的速度與催化劑反應(yīng)。現(xiàn)有系統(tǒng)“干凈地”運(yùn)轉(zhuǎn)，如果打開其用于連續(xù)的處理，其會(huì)以減小的生長速度產(chǎn)生CNT的低得多的產(chǎn)率。盡管進(jìn)行如上所述的“臟的”CNT合成一般是有益的，但設(shè)備的某些部分，諸如氣體集合管和入口，當(dāng)煙灰形成阻塞時(shí)可消極地影響CNT生長過程。為了解決該問題，可用抑制煙灰的涂料諸如二氧化硅、氧化鋁或者M(jìn)gO保護(hù)CNT生長反應(yīng)室的這些區(qū)域。實(shí)踐中，設(shè)備的這些部分可被浸涂在這些抑制煙灰的涂料中。這些涂料可使用金屬諸如INVAR.⑧，因?yàn)?INVAR具有相似的CTE (熱膨脹系數(shù))，這在更高的溫度保證涂層的適當(dāng)粘附力，防止煙灰顯著地聚集在關(guān)鍵區(qū)域。結(jié)合的催化劑還原和CNT合成。在本文公開的CNT合成反應(yīng)器中，催化劑還原和 CNT生長都發(fā)生在反應(yīng)器內(nèi)。這是重要的，因?yàn)槿绻鳛閱为?dú)的操作進(jìn)行，還原步驟不能足夠及時(shí)完成用于連續(xù)的方法。在本領(lǐng)域已知的典型的方法中，還原步驟典型地花費(fèi)1-12小時(shí)進(jìn)行。根據(jù)本發(fā)明，兩種操作都發(fā)生在反應(yīng)器中，這至少部分地是由于碳原料氣體引入反應(yīng)器的中心而不是末端的事實(shí)，碳原料氣體引入末端在使用圓柱形反應(yīng)器的技術(shù)中是典型的。當(dāng)纖維進(jìn)入加熱的區(qū)域時(shí)發(fā)生還原過程；在此時(shí)，氣體已有時(shí)間與壁反應(yīng)，并且在與催化劑反應(yīng)并且引起氧化還原(通過氫自由基相互作用)之前冷卻。正是在該過渡區(qū)域發(fā)生還原。在系統(tǒng)中最熱的等溫區(qū)域，發(fā)生CNT生長，最大生長速度出現(xiàn)在接近反應(yīng)器中心的氣體入口附近。在一些實(shí)施方式中，當(dāng)使用松散地連接的碳纖維材料諸如碳絲束時(shí)，該連續(xù)的方法可以包括展開絲束的線股和/或絲的步驟。因此，當(dāng)絲束被打開，例如，使用基于真空的纖維伸展系統(tǒng)，其可被伸展。當(dāng)使用可能相對硬的上漿的碳纖維時(shí)，可使用額外的加熱以使絲束“軟化”，以促進(jìn)纖維伸展。包括單獨(dú)的絲的伸展纖維可被充分地伸展開，以暴露絲的全部表面積，因此允許絲束在隨后的方法步驟中更加有效地反應(yīng)。對于3k絲束，這種伸展可以達(dá)到大約4英寸至大約6英寸之間跨度(across)。伸展的碳絲束可以經(jīng)過表面處理步驟，該步驟由如上所述的等離子體系統(tǒng)組成。在施加隔離涂層并粗糙化之后，伸展的纖維然后可經(jīng)過CNT形成催化劑浸漬浴。結(jié)果是碳絲束的纖維，其具有放射狀地分布在纖維的表面上的催化劑顆粒。絲束的催化負(fù)載的纖維然后進(jìn)入適當(dāng)?shù)腃NT生長室，諸如上述的矩形室，其中經(jīng)過大氣壓CVD或者PE-CVD方法的流動(dòng)被用于以高達(dá)每秒鐘數(shù)微米的速度合成 CNT?，F(xiàn)在具有放射狀地排列的CNT的絲束纖維退出CNT生長反應(yīng)器。在一些實(shí)施方式中，并入CNT的碳纖維材料可以經(jīng)過另一處理方法，在一些實(shí)施方式中，該方法是用于使CNT功能化的等離子體方法。CNT的另外的功能化可用于促進(jìn)其對特定樹脂的粘附力。因此，在一些實(shí)施方式中，本發(fā)明提供具有功能化的CNT的并入CNT的碳纖維材料。作為可纏繞碳纖維材料的連續(xù)處理的一部分，并入CNT的碳纖維材料可以進(jìn)一步經(jīng)過上漿浸漬浴，以施加任何另外的在最終產(chǎn)品中可能有益的上漿劑。最終，如果期望濕繞，并入CNT的碳纖維材料可經(jīng)過樹脂浴，并被卷繞在心軸或者卷軸上。所得碳纖維材料 /樹脂組合物將CNT鎖定在碳纖維材料上，允許更容易的操作和復(fù)合材料制作。在一些實(shí)施方式中，CNT并入用于提供改進(jìn)的絲纏繞。因此，在碳纖維諸如碳絲束上形成的CNT經(jīng)過樹脂浴以生產(chǎn)樹脂-浸漬的、并入CNT的碳絲束。在樹脂浸漬之后，碳絲束可通過輸送頭 (delivery head)被置于旋轉(zhuǎn)心軸的表面上。然后，以精確的幾何形狀圖案，以已知的方式， 絲束可被卷繞在心軸上。上述的卷繞方法提供管道、管或者如通過陽模特征地生產(chǎn)的其他形態(tài)(forms)。但是由本文公開的卷繞方法制造的形態(tài)不同于通過常規(guī)的絲卷繞方法生產(chǎn)的那些。具體地， 在本文公開的方法中，形態(tài)由包括并入CNT的絲束的復(fù)合材料制造。因此這些形態(tài)受益于增強(qiáng)的強(qiáng)度以及類似性質(zhì)，如通過并入CNT的絲束所提供的。在一些實(shí)施方式中，CNT并入在可纏繞碳纖維材料上的連續(xù)方法可達(dá)到在大約 0. 5ft/min至大約36ft/min之間的線速度。在其中CNT生長室是3英尺長并且在750°C生長溫度下操作的這種實(shí)施方式中，可以以大約6ft/min至大約36ft/min的線速度運(yùn)轉(zhuǎn)方法，以產(chǎn)生例如具有長度在大約1微米至大約10微米之間的CNT。也可以以大約lft/min 至大約6ft/min的線速度運(yùn)轉(zhuǎn)該方法，以產(chǎn)生例如具有長度在大約10微米至大約100微米之間的CNT?？梢砸源蠹s0. 5ft/min至大約lft/min的線速度運(yùn)轉(zhuǎn)該方法，以產(chǎn)生例如具有長度在大約100微米至大約200微米之間的CNT。但是，CNT長度不僅與線速度和生長溫度有關(guān)，而且碳原料和惰性載氣二者的流速也可影響CNT長度。例如，由高線速度(6ft/min 至36ft/min)的惰性氣體中少于1 %碳原料組成的流速將產(chǎn)生具有長度在1微米至大約5 微米之間的CNT。由高線速度(6ft/min至36ft/min)的惰性氣體中大于1 %碳原料組成的流速將產(chǎn)生具有長度在5微米至大約10微米之間的CNT。在一些實(shí)施方式中，多于一種碳材料可被同時(shí)通過該方法運(yùn)轉(zhuǎn)。例如，多種帶材、 絲束、絲、線股以及類似物可被并行地通過該方法運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，任何數(shù)量的預(yù)制碳纖維材料卷可被并行地通過該方法運(yùn)轉(zhuǎn)并且在方法結(jié)束時(shí)再卷繞?？刹⑿械剡\(yùn)轉(zhuǎn)的卷繞碳纖維材料的數(shù)量可以包括一、二、三、四、五、六、直到可適應(yīng)于CNT生長反應(yīng)室的寬度的任何數(shù)量。而且，當(dāng)多種碳纖維材料被通過該方法運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，收集的卷數(shù)量可少于方法開始時(shí)卷的數(shù)量。在這種實(shí)施方式中，碳線股、絲束或者類似物可被發(fā)送經(jīng)過將這種碳纖維材料結(jié)合成為更有序的碳纖維材料諸如織造織物或者類似物的進(jìn)一步過程。例如，連續(xù)的方法也可結(jié)合后處理切碎機(jī)，其促進(jìn)形成并入CNT的切短纖維墊。可以理解，基本不影響本發(fā)明各種實(shí)施方式的活性的改進(jìn)也被包括在本文提供的本發(fā)明定義范圍內(nèi)。因此，下列實(shí)施例意欲闡明而并非限制本發(fā)明。實(shí)施例I該實(shí)施例表示用于太陽能接收器中的并入CNT的涂層的制造和模式的特征。通過下列步驟可以制造基于CNT的涂層如上所述，在卷對卷(reel-to-reel)系統(tǒng)中將CNTs并入至碳纖維絲束(碳纖維是示例性的)。然后并入CNT的纖維絲束被纏繞在加熱元件上。按照需要增加另外的反射層。期望通過該步驟制成的涂層表現(xiàn)出太陽能選擇性涂層的特性。使用并入CNT的纖維的涂層的精確特性取決于CNT長度和密度。圖16表示該并入CNT的纖維涂層也就是Buckypaper的模式的反射率數(shù)據(jù)，其中虛線表示理論的理想涂層的覆蓋率。圍繞加熱元件纏繞的并入CNT的纖維具有類似于 Buckypaper的CNTs的排列。在圖17的SEM圖像中顯示在Buckypaper中CNT的排列。具有并入CNT的纖維的涂層可被形成在熱吸收器元件的外表面上用于結(jié)合至太陽能接收器中，諸如在圖18中例證的太陽能接收器。該太陽能接收器包括圍繞用并入CNT 的涂層涂覆的吸熱元件的環(huán)形套筒。環(huán)形套筒可以是在其外表面、內(nèi)表面、或者內(nèi)和外表面二者上具有抗反射涂層的硼硅酸鹽玻璃，以使經(jīng)過環(huán)形套筒傳播的入射輻射的量最大化。 環(huán)形套筒可被抽空至壓力(小于或者等于0.0001托)以使由于存在于并入CNT的涂層和環(huán)形套筒之間的空氣中的對流產(chǎn)生的熱損失最小化。盡管參考上述實(shí)施方式已描述前述發(fā)明，但可進(jìn)行各種改進(jìn)和變型而不背離本發(fā)明的精神。因此，所有這種改進(jìn)和變型被認(rèn)為在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.太陽能接收器，其包括吸熱元件，其具有外表面和相對于所述外表面的內(nèi)表面；和第一涂層，其包括與所述吸熱元件的所述外表面表面接合并且至少部分地覆蓋所述吸熱元件的所述外表面的并入碳納米管的纖維材料；藉此接收、吸收入射至所述第一涂層上的太陽輻射并將其轉(zhuǎn)化為熱能，并且從所述第一涂層傳遞所述熱能至所述吸熱元件。
2.權(quán)利要求1所述的太陽能接收器設(shè)備，其中所述吸熱元件具有第一末端和第二末端，其中傳熱流體在所述第一末端進(jìn)入所述吸熱元件并且在所述第二末端離開所述吸熱元件。
3.權(quán)利要求1所述的太陽能接收器，其中所述吸熱元件包括熱管道。
4.權(quán)利要求1所述的太陽能接收器，其中所述吸熱元件包括金屬。
5.權(quán)利要求1所述的太陽能接收器，其中所述吸熱元件具有凹槽，其大小適合于容納所述并入CNT的纖維材料。
6.權(quán)利要求1所述的太陽能接收器，其中所述并入CNT的纖維材料包括并入碳納米管的纖維絲束。
7.權(quán)利要求1所述的太陽能接收器，還包括整合在所述第一涂層內(nèi)以形成復(fù)合材料的環(huán)境涂層。
8.權(quán)利要求7所述的太陽能接收器，其中所述環(huán)境涂層包括陶瓷基體材料。
9.權(quán)利要求7所述的太陽能接收器，還包括金屬顆粒。
10.權(quán)利要求1所述的太陽能接收器，還包括置于所述第一涂層上的環(huán)境涂層，其中所述環(huán)境涂層包括低發(fā)射率涂層。
11.權(quán)利要求1所述的太陽能接收器，還包括含有金屬的環(huán)境涂層。
12.權(quán)利要求1所述的太陽能接收器，還包括含有抗反射材料的環(huán)境涂層。
13.權(quán)利要求1所述的太陽能接收器，還包括圍繞所述第一涂層和所述吸熱元件的環(huán)形套筒，產(chǎn)生間隙。
14.權(quán)利要求13所述的太陽能接收器，其中所述間隙包括空氣。
15.權(quán)利要求13所述的太陽能接收器，其中所述間隙是抽空的。
16.權(quán)利要求1所述的太陽能接收器設(shè)備，其中配置所述設(shè)備以與發(fā)電系統(tǒng)整合。
17.用于太陽能接收器裝置的多層涂層，其包括包括并入CNT的纖維材料的第一涂層；和置于所述第一涂層上的環(huán)境涂層。
18.權(quán)利要求17所述的涂層，其中所述第一涂層還包括陶瓷基體。
19.權(quán)利要求17所述的涂層，其中所述第一涂層還包括金屬顆粒。
20.權(quán)利要求17所述的涂層，其中所述環(huán)境涂層包括金屬膜。
21.權(quán)利要求17所述的涂層，其中所述環(huán)境涂層包括抗反射涂層。
22.權(quán)利要求17所述的涂層，其中所述環(huán)境涂層包括低發(fā)射率涂層。
全文摘要
太陽能接收器包括吸熱元件，該吸熱元件具有外表面和相對于外表面的內(nèi)表面以及第一涂層，該第一涂層包括與吸熱元件的外表面表面接合并且至少部分地覆蓋其的并入碳納米管的纖維材料。入射至第一涂層上的太陽輻射被接收、吸收、并且轉(zhuǎn)化為熱能，以及從第一涂層傳遞熱能至吸熱元件。太陽能接收器裝置的多層涂層包括第一涂層和置于第一涂層上的環(huán)境涂層，所述第一涂層包括并入CNT的纖維材料。
文檔編號F24J2/48GK102460034SQ201080025341
公開日2012年5月16日 申請日期2010年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月7日
發(fā)明者D·J·阿德科克, H·C·馬萊茨基, K·?？? T·K·沙阿 申請人:應(yīng)用納米結(jié)構(gòu)方案公司