專利名稱：制備碳納米細顆粒的方法和裝置及單層碳納米管的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種有效且廉價地制備納米級尺寸(10-6～10-9)顆粒的方法和裝置，該納米級顆粒包括一種碳納米角(carbon nanohorn)或極短單層碳納米管(extremely short mono-layer carbon nanotube)，納米級顆粒的主要成分是碳，例如石墨、活性碳、非晶碳、樹脂等。本發(fā)明具體可用于生產(chǎn)一種二級蓄電池電極或燃料蓄電池電極的混合物。本發(fā)明也涉及一種新型的納米碳(nanocarbon)物質。
這里所述的“碳納米角”這個術語是一種具有封閉尖頂?shù)膱A錐形的石墨片形狀的碳納米顆粒(見未經(jīng)審查的日本專利公開(Kokai)NO.2001-64004)。
這里“極短單層碳納米管”這個術語被定義為一種長度是直徑幾倍至幾十倍的單層碳納米管。具體地說，它是一種直徑為0.7nm～5nm、長度為3nm～100nm的納米級尺寸的單層管，其包括以碳六邊形環(huán)作為主要結構的石墨片。由于具有這種尺寸，極短單層碳納米管適用于納米細顆粒膠囊(一種封裝有抗腐蝕磁性材料的磁性細顆粒，用于磁存儲器的細顆粒，依賴于被封裝的細顆粒的移動的計算元件等)或離子導體，例如一種具體用于燃料蓄電池的電解質，在離子導體的情況中，假設需要化學改性的表面。
同樣，這里所述的“碳納米細顆?！?“carbon nano-fine particle”)這個術語被定義為一種細顆粒，其包括一種作為組成部分的碳納米材料(carbonnanomaterial)，例如碳納米角或極短單層碳納米管。這是因為碳納米角或極短單層碳納米管不會單獨存在，而是聚集成細顆粒。而且，一種填充物(fullerene)、納米多面體、單層納米膠囊、納米石墨片、泡沫碳均作為細顆粒存在。而且，存在一種長單層碳納米管和多層碳納米管。
這種填充物、納米膠囊以及極短碳納米管被認為是相同的材料。它們的不同之處是尺寸。單層納米膠囊或極短碳納米管的尺寸大于填充物的尺寸。單層納米膠囊和極短單層碳納米管之間的區(qū)別是后者的是直管，或可以是不同直徑的管連續(xù)連接，而前者的納米膠囊不一定是直的，而是象一個封閉的殼。
同樣，這里所述的“納米碳材料”這個術語被定義為一種單層碳納米管、多層碳納米管、碳納米纖維、碳納米角、填充物或它們的混合物。
背景技術：
這種碳納米角是一種錐形的碳納米材料(見未經(jīng)審查的日本專利公開No.2001-64004)。這種碳納米角以聚集的方式產(chǎn)生，這種碳納米角的聚集細顆粒的尺寸大約是100nm。
這種碳納米角通常采用固體石墨單體的激光蒸發(fā)制作(見未經(jīng)審查的日本專利公開No.2001-64004)。這個工藝如下所述在一種工藝中，將固體石墨單體放置在一個密封容器中，將容器抽真空至10-2Pa或更低，再供應惰性氣體如氬等，以達到103～104Pa的氣壓。這個密封容器配備有一個玻璃窗，激光從該玻璃窗穿過。這種固體石墨單體通過這個玻璃窗被激光，例如二氧化碳氣體激光等照射。由于受到二氧化碳激光的照射，該固體石墨單體表面被蒸發(fā)而形成似碳黑(soot)的物質，一種碳納米角的聚集細顆粒存在于似碳黑的物質中。
與經(jīng)由激光蒸發(fā)來制備碳納米角的常規(guī)方法有關的問題敘述如下1)一真空容器、抽真空裝置、引入激光的真空窗和CO2激光器是必備的，裝置的價格相對高，尤其是，CO2激光器是很昂貴的。
2)因為這種生產(chǎn)工藝在一個充氬氣的密封容器中進行，所以它不適合于連續(xù)比量生產(chǎn)。
3)必須重復進行抽真空、供應氬氣、打開到空氣中，生產(chǎn)工藝很長。
4)當引入激光的窗口被碳黑污染時，必須反復多次清潔該窗口，因為石墨材料不能被期望功率的激光照射。因此，條件相等是困難的，因此這種常規(guī)方法不適合于連續(xù)批量生產(chǎn)。

發(fā)明內容
本發(fā)明的主要目的是提供一種方法，能容易且廉價地制備含有約20％及以上的碳納米角細顆粒的碳納米細顆粒，這種方法不一定需要工藝容器，其采用在空氣中產(chǎn)生的電弧噴射物(arc jet)使碳材料被蒸發(fā)，還提供一種制備它們的裝置。
本發(fā)明的另一目的是提供一種批量生產(chǎn)碳納米細顆粒的方法，能容易且廉價地批量生產(chǎn)含有約20％及以上的碳納米角細顆粒的碳納米細顆粒，這種方法不一定需要工藝容器，其采用在空氣中產(chǎn)生的電弧噴射物使碳材料被蒸發(fā)，還提供一種制備它們的裝置。
本發(fā)明的又一目的是提供一種新型的納米碳物質。
通過以下所述的本發(fā)明的方面，可以實現(xiàn)本發(fā)明的這些和其它目的。
一種制備一種碳納米細顆粒的方法，其特征在于將一第一電極和一主要成分為碳的第二電極彼此相對地放置，中間放置一具有至少一個凹槽的絕緣部件；在第一電極和第二電極之間加上一電壓，在大氣或空氣中，在彼此相對的第一電極和第二電極間的凹槽處產(chǎn)生電弧放電(arc discharge)；電弧放電使第二電極的碳材料被蒸發(fā)，從凹槽處產(chǎn)生含有碳材料的電弧噴射物；冷卻這種電弧噴射物后，形成含有碳納米材料的碳黑。
一種如上所述的制備碳納米細顆粒的方法，其特征在于第二電極的碳材料從電弧放電的一個電極點(electrode point)處被蒸發(fā)。
一種如上所述的制備碳納米細顆粒的方法，其特征在于當相對移動第一電極和第二電極時，通過電弧放電使第二電極的碳材料被蒸發(fā)。
一種如上所述的制備碳納米細顆粒的方法，在該方法中加入一個回收含有碳納米材料的碳黑的步驟。
一種如上所述的制備碳納米細顆粒的方法，在該方法中加入一個步驟在電弧噴射物的對立面放置一種基底材料(base material)，通過這種基底材料回收含有碳納米材料的碳黑。
一種如上所述的制備碳納米細顆粒的方法，其特征在于當施加一磁場至電弧放電時，產(chǎn)生電弧噴射物。
一種如上所述的制備碳納米細顆粒的方法，其特征在于當供應一種特殊氣體至電弧放電時，形成電弧放電。
一種如上所述的制備碳納米細顆粒的方法，其特征在于該特殊氣體是從由稀有氣體、含碳氣體、氧氣、氫氣、空氣、大氣及它們的混合物所構成的組中選擇的。
一種如上所述的制備碳納米細顆粒的方法，其特征在于當冷卻第一電極和第二電極時，進行電弧放電。
一種制備碳納米細顆粒的裝置，包括一對電極，其包括一第一電極和一主要成分為碳的第二電極，以固定的間距被放置在大氣或空氣中，中間放置一具有至少一個凹槽的絕緣部件；一種電弧放電產(chǎn)生方式，通過在第一電極和第二電極之間施加一電壓，產(chǎn)生電弧放電，電弧放電使碳材料被蒸發(fā)，從凹槽處產(chǎn)生一種含碳材料的電弧噴射物；一回收部件，用來回收包含碳納米材料的碳黑，冷卻電弧噴射物形成該碳黑。
一種如上所述的制備碳納米細顆粒的裝置，該裝置還包括一種相對移動第一電極和第二電極的移動方式和一電壓，當移動第一電極和第二電極時，施加該電壓至第一電極和第二電極之間，產(chǎn)生電弧放電，電弧放電使碳材料被蒸發(fā)，產(chǎn)生包含碳納米材料的碳黑。
一種如上所述的制備碳納米細顆粒的裝置，其特征在于回收部件是一種基底材料(base material)，該裝置還包括一種支撐方式，支撐與電弧噴射物相對的基底材料，以及通過該基底材料支撐包含碳納米材料的碳黑。
一種如上所述的制備碳納米細顆粒的裝置，該裝置還包括一磁場施加部件，用來施加磁場至電弧放電，產(chǎn)生電弧噴射物。
一種如上所述的制備碳納米細顆粒的裝置，該裝置還包括一特殊氣體供應部件，用來供應特殊氣體至電弧放電的產(chǎn)生區(qū)域。
一種如上所述的制備碳納米細顆粒的裝置，該裝置還包括一冷卻部件，用于冷卻第一電極和第二電極。
本發(fā)明還涉及一種極短單層碳納米管，其直徑約為0.7nm～5nm，長度約為3nm～100nm。


在說明書中參考了作為組成部分的附圖，結合本發(fā)明的優(yōu)選實施例的描述，對附圖進行說明。
圖1A是一種用于制備碳納米細顆粒的裝置(本發(fā)明的基本類型)的第一圖5是一曲線圖，顯示在圖3中形成哨音電弧噴射物的情況時，電弧電壓的波形；圖6是一曲線圖，顯示在圖4中沒有形成哨音電弧噴射物的情況時，電弧電壓的波形；圖7是一透射電子顯微(TEM)照片，顯示碳黑，即，采用圖1所示裝置制備的包含碳納米角的碳納米材料，在低倍放大鏡下的完整圖像；圖8是一TEM照片，顯示包含在碳黑中的碳納米細顆粒在高倍放大鏡下的狀態(tài)，該碳黑采用圖1所示裝置制備；圖9是一TEM照片，顯示包含在碳黑中的極短單層碳納米管在高倍放大鏡下的狀態(tài)，該碳黑采用圖1所示裝置制備；圖10是一TEM照片，顯示包含在碳黑中的碳納米細顆粒的前驅體(以泡沫顆粒)在高倍放大鏡下的狀態(tài)，該碳黑采用圖1所示裝置制備；圖11是一TEM照片，顯示包含在碳黑中的氣球樣納米顆粒在高倍放大鏡下的狀態(tài)，該碳黑采用圖1所示的釔和鎳的混合物的石墨電極的裝置制備；圖12A是制備碳納米細顆粒的裝置的第二實施例的示意圖，其中采用了一磁場；圖12B是圖12A的橫截面圖；圖13A是制備碳納米細顆粒裝置的第三實施例的示意圖，其中采用了一氣體；圖13B是圖13A的橫截面圖；圖14A是制備碳納米細顆粒裝置的第四實施例的示意圖，其中采用了一種連續(xù)生產(chǎn)的方法，即，平行于一絕緣板滑動一蒸發(fā)電極的方法；圖14B和圖14C是圖14A的橫截面圖；圖15A是制備碳納米細顆粒裝置的第五實施例的示意圖，其中采用了一種連續(xù)生產(chǎn)的方法，即推動蒸發(fā)電極垂直于絕緣板的方法；圖15B和圖15C是圖15A的橫截面圖；圖16是制備碳納米細顆粒裝置的第六實施例的示意圖，其中采用了一種有效回收的方法；圖17是制備碳納米細顆粒裝置的第七實施例的示意圖，其中采用了多個電弧噴射物；以及圖18是制備碳納米細顆粒裝置的第八實施例的示意圖，其中采用了另一種使用多個電弧噴射物的方法；具體實施方式
本發(fā)明通過多個石墨等電極之間的電弧放電，生產(chǎn)出一種包含碳納米材料如碳納米角等的碳納米細顆粒，該生產(chǎn)在開放的大氣或空氣中進行，采用的方式如下所述。
在開放的大氣或空氣中，兩電極被彼此相對放置，中間放置一具有至少一個凹槽的絕緣部件，在兩電極之間施加一電壓，在絕緣部件的凹槽所形成的空間中產(chǎn)生電弧放電。此時，當兩電極和絕緣部件的凹槽形成的空間足夠窄，通常由電弧放電形成的圓形陰極點(cathode point)消失。這就是說，電弧正極柱等離子體(arc positive column plasma)與陰極之間的邊界，即，形成在陰極表面的、用來接收電子流的電流通道消失。因此，陰極點擴大到整個電極的表面，該電極未被絕緣部件覆蓋。
在這種情況下，兩電極和絕緣部件間的空間壓力高于強力蒸發(fā)(vigorousevaporation)下的大氣壓力(蒸汽壓)，這是由約4000K和約20000K之間的電弧的高溫以及第二電極引起，主要由第二電極的碳材料的蒸汽壓引起。這個壓力是大氣壓的105％～200％，即，約105KPa～200KPa。因此，從絕緣部件的凹槽部分(缺口部分)形成一電弧噴射物。這個術語“電弧噴射物”在這里的意思是等離子體，由電弧放電產(chǎn)生的等離子體被噴射到除了兩電極之間的最短連線的空間中。
或者，在這種情況下，當采用一磁場施加部件時，一磁場被施加至電弧放電，由電弧放電產(chǎn)生的等離子體通過施加的磁場后成為弧線。因此，從絕緣部件的凹槽處噴射電弧噴射物。
替代地，當采用一特殊氣體供應部件時，特殊氣體被供應到電弧放電產(chǎn)生區(qū)域，供應的特殊氣體將電弧推出到一注入孔中。在這種如上所述的情況下，兩個或更多的上述三種從絕緣部件的凹槽處噴射電弧噴射物的方法能自然地結合起來。
這種電弧噴射物的主要成分是碳。而且，除碳之外的電子和絕緣材料的蒸發(fā)顆?；蚩諝饣虼髿獗换旌显陔娀娚湮镏?，當電弧噴射物在形成電弧噴射物的空間之外的地方被冷卻時，形成一種包含碳納米材料如碳納米角等的碳納米細顆粒。
“冷卻”這個術語在這里的意思是電弧噴射物被噴射到一特殊大氣中，該特殊大氣包括空氣或大氣或特殊氣體或它們的混合氣體，允許電弧噴射物與特殊大氣接觸，從而降低電弧噴射物的溫度?；颉袄鋮s”這個術語的意思是允許電弧噴射物與一基底材料接觸，從而通過該基底材料降低電弧噴射物的溫度。而且“冷卻”這個術語的意思是采用上述定義的冷卻方法的組合來降低電弧噴射物的溫度。
當兩電極和絕緣體的凹槽間形成的空間寬，例如，當凹槽大或絕緣部件厚，陰極點保持典型的微小圓形，其直徑約為4nm。在這種情況下，不能形成電弧噴射物，也難以形成包含碳納米角的細顆粒。
形成電弧噴射物時的電弧電壓比沒有形成電弧噴射物時的電弧電壓低，這是因為當形成電弧噴射物時，陰極點擴大，降低陰極表面的電阻，因此陽極勢降電壓(fall voltage)降低。
在采用一種具有絕緣部件夾層的電極結構制造碳納米角等的過程中，當形成電弧噴射物時，產(chǎn)生一種哨音，所以本發(fā)明方法被命名為“哨音電弧噴射物法”，這種哨音在人的聽覺水平范圍之外，它不是太高的音調，而是一種連續(xù)的高音如“嘟”。與此相反，在沒有產(chǎn)生哨音的情況下，不能估計是否形成電弧噴射物且難以形成碳納米角。在這種情況下，將產(chǎn)生不連續(xù)的聲音如“拍-拍-拍”。兩電極和絕緣部件的凹槽形成一空腔。根據(jù)這種形狀，本發(fā)明的方法被命名為“空腔噴墨”(M.Ikeda，H.Takikawa，T.Tahara，Y.Fujimura，M.Kato，K.Tanaka，S.Itoh，T.Sakakibara“Preparation of carbonnanohorn aggregates by cavity arc jet in open air”，Japanese Journal of AppliedPhysics，41，L852(2002))參考下面的實施例能更容易地了解本發(fā)明。但本發(fā)明不僅局限于實施例，本領域內的技術人員可作出各種變化，可結合使用下面的多個實施例No.1-8。
在下面的實施例中，采用用于電弧焊的一般目的的電源。在兩碳電極之間夾入一具有凹槽的絕緣板。從凹槽處產(chǎn)生電弧放電，使陰極碳材料被強力蒸發(fā)，因此從凹槽處產(chǎn)生電弧噴射物，電弧噴射物碰撞一回收部件后，形成碳納米細顆粒例如碳黑。
下面參考圖1描述第一實施例，圖1A是第一實施例所采用的制備碳納米細顆粒的裝置的示意圖，圖1B是沿著圖1A中平面A-A的橫截面圖，圖1C是沿著圖1A中平面B-B的橫截面圖。
如圖1所示，本發(fā)明的裝置包括一作為第一電極的石墨陰極1；一陽極2，該陽極由碳材料制成，例如石墨、活性碳、非晶碳、樹脂等，其被放置在陰極1的對立面；一被放置在陰極1和陽極2之間的絕緣板3，在絕緣板中形成凹槽4，以將陰極1暴露在相對的陽極2；一電弧電源6，用來在陰極1和陽極2之間施加電壓，通過電弧放電產(chǎn)生一電弧噴射物(電弧)5，從而使陽極2的碳材料蒸發(fā)，產(chǎn)生包含碳納米材料的碳黑；一相對于電弧噴射物5放置的底板(基底材料)7，其是不銹鋼等的，作為一沉積碳黑的回收部件；一底臺(base stage)8，其作為一支撐部件，固定和支撐底板7。參考數(shù)字9是包含碳黑的碳納米細顆粒，該碳黑包含沉積在底板上的碳納米材料?？梢杂闷渌难b置來實施本發(fā)明，例如應用接觸電弧、高壓、高無線頻率等的裝置。
在空氣(in the air)或大氣中(in the atmosphere)彼此相對地放置陰極1和陽極2，在空氣或大氣中產(chǎn)生電弧放電。放置陰極1和陽極2的地方或產(chǎn)生電弧放電的地方不一定是在空氣中，可能是在惰性氣體的氣氛中，例如氬氣、氦氣等，或在非惰性氣體如氧氣、氮氣、氫氣的氣氛中，或在含碳的氣體如碳化氫氣體、二氧化碳氣體等的氣氛中，或在上面提到的氣體包括空氣和大氣的混合氣體的氣氛中。而且，放置陰極1和陽極2的地方或產(chǎn)生電弧放電的地方可能具有降低的壓強(約為50KPa～200KPa)或處于壓力下。然而，優(yōu)選提供的是大氣空氣，因為它簡單而且便宜。
“空氣”這個術語在這里被定義為一種包括氮氣和氧氣以及微量氬氣等的氣體，氮氧的比例約為4∶1。總之，它的意思是經(jīng)過除濕的干燥空氣?！霸诳諝庵小边@個詞的意思是例如壓強約為50KPa～150KPa。
同樣，“大氣”這個術語在這里指圍繞天體的氣體，主要指圍繞地球的氣體。地球周圍氣體的主要成分是氮氣和氧氣，含有少量的二氧化碳、氖氣、氦氣、甲烷、氫氣等。它也含有水蒸汽。這就是說，它是一種空氣和自然產(chǎn)生的水蒸汽的混合物?！霸诖髿庵小边@個詞或“在開放的空氣中”或“在開放的空氣下”包括一個大氣壓或接近大氣壓的壓強，如約90KPa～110KPa。
實施本發(fā)明不一定需要容器。然而，包括一個工作部件的完整裝置可被放置在一個簡單的容器中，該容器以覆蓋的方式保持工作地方的清潔，或可以在惰性氣體中進行操作，或可以防止受到風對流等的影響。這種簡單的容器可以是一真空容器、加壓容器、封閉容器或開放容器。
電弧放電包括一電弧電極點(在直流電流情況下的陰極點和陽極點)和一電弧正極柱陽極。電極點是電弧正極柱陽極，即等離子體(離子化的氣體)和一固體電極之間的邊界。
電弧放電可以任何模式進行，如直流電流(DC)、直流脈沖電流(DCP)、交流電流(AC)、交流脈沖電流(ACP)等，當采用DC或DCP的模式產(chǎn)生電弧放電時，大體積的陽極2被蒸發(fā)，而陰極1幾乎不被蒸發(fā)。另一方面，當采用AC或ACP的模式產(chǎn)生電弧放電時，陰極1和陽極2兩個電極均被蒸發(fā)。然而，DC模式可形成最穩(wěn)定的電弧噴射物并且產(chǎn)生最多數(shù)量的碳納米顆粒。一定量的電弧噴射物5可在AC模式中產(chǎn)生。因為陽極2和陰極1的極性周期性改變，兩電極中的每個電極的電極點不會增大。因此，AC模式的蒸發(fā)量小，且電弧噴射物5的長度被縮短，從而降低產(chǎn)量。
當陰極1和陽極2均由主要成分是碳，如石墨、活性碳、非晶碳、樹脂等的材料形成時，采用AC或ACP的模式產(chǎn)生電弧放電，陰極1和陽極2被交替蒸發(fā)。在后述的實施例中，采用DC的模式進行電弧放電。
作為陰極1和陽極2的石墨電極是沒有雜質的石墨。當采用摻雜金屬細顆粒的石墨作為陽極時，蒸發(fā)量增加，且碳納米細顆粒的產(chǎn)量增加。這是因為金屬細顆粒的蒸發(fā)溫度比石墨低，金屬細顆粒的蒸發(fā)加速了周圍石墨的蒸發(fā)。本發(fā)明中采用的細金屬顆?？梢允擎?、釔、鐵、銅等。在本發(fā)明中，也采用摻雜不同金屬的石墨。具體地，摻雜鎳細顆粒(4mol％)和釔細顆粒(1mol％)的石墨是適宜的，產(chǎn)生最大數(shù)量的碳黑。
然而，當采用未摻雜的石墨時，碳納米角細顆粒的產(chǎn)量高。這是因為碳納米角的生產(chǎn)基本不需要催化劑。激光蒸發(fā)使用純石墨。當石墨含有雜質，即催化劑細顆粒時，沉積在催化劑金屬上的碳的數(shù)量增加。這就是說，可以認為能成為碳納米角的碳的比例降低。然而，考慮到單位時間內的產(chǎn)量，摻雜有釔和鎳的石墨的石墨電極是優(yōu)選的，其被蒸發(fā)的數(shù)量最大。
沒有具體確定作為絕緣部件的絕緣板3的厚度，優(yōu)選的范圍是0.2nm～5nm，通過使用一般目的電弧電源6，產(chǎn)生電弧放電。而且，為了產(chǎn)生電弧噴射物5，優(yōu)選的絕緣板3的厚度范圍是0.2nm～2nm。絕緣板3上的凹槽4的形狀可以是不同類型的形狀，例如正方形、弧形、三角形等。在這些形狀的情況下，電弧噴射物5的開口(opening)的形狀寬或相同。具體地，三角形的形狀容易加工。當然，三角形也可用作倒三角形以減小開口。
沒有具體規(guī)定絕緣板3的凹槽4的深度，即，自電弧噴射物的噴出孔(spout hole)的距離。也沒有具體規(guī)定凹槽4的寬度，即，電弧噴射物的噴出孔的寬度。因為石墨陽極很難被蒸發(fā)，因此優(yōu)選的凹槽深度和寬度分別是淺的和窄的。因為摻雜鎳和釔的石墨陰極容易被蒸發(fā)，凹槽的深度和寬度可以是寬的。
當電弧電流為100A～200A或更低時，優(yōu)選的凹槽深度和寬度分別等于或小于20mm和等于或小于15mm。更優(yōu)選的是分別等于或小于10mm和等于或小于5mm。當凹槽的深度和寬度大于這些值時，只有部分用于蒸發(fā)的電極被蒸發(fā)。當電弧電流為200A～300A時，優(yōu)選的凹槽深度和寬度分別等于或小于25mm和等于或小于20mm，更優(yōu)選的是分別等于或小于15mm和等于或小于10mm。
優(yōu)選的電弧電流更高。當電弧電流大于300A時，絕緣板3容易熔化，因為面對電弧的絕緣板3的表面的溫度約為攝氏幾百度。因此，優(yōu)選的電弧電流等于或小于300A。當電弧電流為50A或更低時，幾乎不產(chǎn)生電弧噴射物。
絕緣板3與陰極1和陽極2密切接觸，以確定陰極1和陽極2之間的空間以及電弧噴射物5的噴出方向。然而，允許絕緣板3完全貼附陰極1和陽極2的情況是不優(yōu)選的。
絕緣板3的面積大于陰極1和陽極2的面積。這就是說，絕緣板3從陰極1和陽極2的間隙中突出來，以防止在不期望的地方產(chǎn)生電弧放電。當然，絕緣板3與陰極1和陽極2具有同樣面積的情況下是安全的。絕緣板3、陰極1和陽極2的尺寸必須被確定，至少使電弧放電不發(fā)生在不期望的地方。底板(回收板)7由能耐受1000℃和以上溫度的耐熱材料制成，如不銹鋼、陶瓷等。底板7的尺寸大于20mm×20mm。底板7和電弧噴射物之間的距離約等于5mm～200mm。當這個距離太短時，底板7熔化。相反，當這個距離太大時，碳黑的沉積量小。底板7被放置與電弧噴射物5產(chǎn)生的方向相對立。底板7被適配為與電弧噴射物5直接接觸。這是因為電弧噴射物被底板迅速冷卻，從而形成大量的碳黑。然而，底板7可被放置在與電弧噴射物有一定間隔的地方。
絕緣底板7作為一回收部件，其由能夠耐受高溫(約等于或大于1000℃)的耐熱材料制成，這種耐熱材料包括一種半導體。因為電弧等離子體的導電性較高，一種電阻率等于或大于1Ω/mm的材料能被安全地應用。電弧的電阻率約等于0.2Ω/mm。例如聚四氟乙烯、云母、陶瓷或硅可被安全地應用。具體地，聚四氟乙烯是最優(yōu)選的。這是因為聚四氟乙烯也被加熱蒸發(fā)，產(chǎn)生的氣體有助于形成電弧噴射物5。陶瓷被電弧的熱量熔化且粘附在電極的表面，如同一種似玻璃的物質。
當采用純石墨作為電極且回收板包含一種磁性成分，例如不銹鋼時，能夠合成具有磁性能的碳納米顆粒，因為磁性成分熔化并擴散到回收板中。當采用摻雜鎳和釔的石墨作為電極時，有可能將磁性能傳遞到整個碳納米顆粒的碳黑中，因為碳黑被鎳和釔污染。
在第一實施例中，陰極1、陽極2和絕緣板3分別具有矩形的形狀。而陰極1、陽極2和絕緣板可采用不同類型的形狀，如圓形、三角形等。通過采用底板7作為回收部件以實現(xiàn)自支撐，底板7可被用作底臺8并作為一支撐部件。因此，底臺8可被省略。
在圖1A中，在底板7附近向上的方向和向下的方向，電弧噴射物5(碳黑9的沉積位置)的形狀是不均勻的。這就是說，電弧噴射物5的電弧在板7或片的向上的方向長，而在片的向下的方向短。這是因為由電弧噴射物5形成的電弧由于其自身熱量產(chǎn)生撞擊(bump)。
沉積在底板7上的碳納米顆粒(碳黑)從底板7上被分離和回收。因此，回收的、未改變的碳納米顆粒(碳黑)可以用于初級蓄電池、二級蓄電池、燃料蓄電池、電子發(fā)射源、氣體儲蓄設備、氣體-液體清潔裝置、改良的氣體-液體裝置、橡膠添加劑、樹脂(塑料)、氨基甲酸乙酯、彈性塑料等，潤滑劑、磨料、切割劑等。而且，這種回收的碳黑可被提純，可被用作單一碳納米角等的碳納米材料。
圖2～4是一組照片，顯示當生產(chǎn)實驗進行時陽極表面的狀態(tài)，其中作為絕緣部件的絕緣板3的凹槽4的形狀是三角形，凹槽4的深度和寬度分別是15mm和10mm。絕緣板3由聚四氟乙烯制成，其厚度為1mm。陰極1作為第一電極，陽極2作為第二電極，它們均由石墨制成。電弧放電的時間是1秒鐘。當陽極2不相對移動時，放電時間局限于2秒鐘。
圖2是一照片，顯示電弧放電前的陽極表面狀態(tài)。圖3是一照片，顯示當電弧電流為200A并且形成哨音電弧噴射物5時的陽極表面狀態(tài)。圖4是一照片，顯示當電弧電流為50A并且沒有形成電弧噴射物時的陽極表面狀態(tài)。將圖3所示的形成哨音電弧噴射物5時的狀態(tài)與圖2所示的電弧放電前的狀態(tài)進行比較，可以了解，相對于絕緣板3的凹槽4的陽極2的表面被基本均勻地蒸發(fā)。另一方面，觀察圖4所示的沒有產(chǎn)生哨音電弧噴射物時的狀態(tài)，這就是沒有產(chǎn)生哨音的情況，但是產(chǎn)生了不連續(xù)的聲音如“拍-拍-拍”，可以觀察到此時陽極2的表面沒有被均勻地蒸發(fā)，而是形成了多個直徑約2mm的、連續(xù)或不連續(xù)的陽極點噴射口(craters)。在這種情況下，很難生產(chǎn)出包含碳納米角的碳納米細顆粒。
圖5和圖6顯示電弧電壓的波形。圖5顯示當形成哨音電弧噴射物5，即圖3所示的情況時，電弧電壓的波形。圖6顯示當沒有形成哨音電弧噴射物5，即圖4所示的情況時，電弧電壓的波形。如圖6所示，當沒有形成電弧噴射物5時，電弧電壓約為40V。如圖5所示，當形成電弧噴射物5時，電弧電壓下降到約27V。
這是因為當形成電弧噴射物5時，陽極點擴大，陽極表面的電阻下降，因此，陽極勢降電壓(fall voltage)降低。因此，相同數(shù)量的電流流入陽極、陽極點和電弧正極柱。因為陽極點的橫截面面積小于陽極和正極柱等離子體的橫截面面積，幾乎沒有電流流動，即，電流以瓶頸的形狀流動。因此，電阻升高?？梢哉J為，當陽極點擴大時，電流容易流動，即，瓶頸消失，因此，電阻降低。
圖7～11是碳黑9的透射電子顯微照片，此時采用純石墨電極作為陰極1和陽極2，形成哨音電弧噴射物5，作為回收部件的底板7回收該碳黑9。一種純石墨通常意味著不含雜質的石墨。嚴格地說，一種純石墨一點也不含雜質。然而“純石墨”這個術語在這里可包括有意加入催化劑的石墨。而且，當采用含有活性碳或非晶碳或催化劑金屬的石墨或樹脂取代純石墨電極時，可得到相似的結果。
“樹脂”這個術語在這里是一種導電樹脂，其具有作為電極的功能，例如混合有石墨或金屬的樹脂能夠導電。在這種情況下，樹脂、全硒(perse)、或碳成分例如混合有樹脂的石墨，是制造包含納米角的納米碳材料的原材料。
圖7是碳黑9在低倍顯微鏡下的透射電子顯微照片。從圖7可明顯看到，幾乎所有的碳黑9是直徑約等于或小于100nm的細顆粒。
圖8是碳納米角聚合的細顆粒在高倍顯微鏡下的透射電子顯微照片。從圖8可明顯看到，在細顆粒的外周邊界存在角形(horn-shaped)的碳納米角。這樣的顆粒占據(jù)全部顆粒的大約30％。幾乎所有的碳納米角是單層的，但是偶爾會觀察到兩層的碳納米角。
存在一種細顆粒，其部分包含極短碳納米管，不是碳納米角。圖9顯示這種單層碳納米管。在圖9的框架中存在一種極短單層碳納米管。這種管的長度約等于或小于10mm。常規(guī)已經(jīng)形成一個不使用催化劑生產(chǎn)單層碳納米管的實施例。可以認為不使用催化劑不能形成長單層納米管。然而，因為短單層納米管的尺寸和納米膠囊的尺寸相同，可以認為小的石墨片卷成管狀形成極短單層碳納米管。
而且，幾乎所有其它細顆粒具有如圖10所示的結構。這樣的顆粒是前驅體，不足以生長成為碳納米角或極短單層納米管細顆粒?！扒膀岓w”這個術語在這里的意思是僅僅是碳納米角或碳納米管的頭的集合，該集合中沒有它們的身體。這種前驅體看起來像一種泡沫形狀的集合。這樣的事實已在下述文章中介紹過[Pore structure of single-wall carbon nanohorn aggregates/K.Mrata，K.Kaneko，F(xiàn).Kokai，K.Takahashi，M.Yudasaka，S.Iijima，phys.Lett.Vol.331，pp.14-20(2000)]。
在根據(jù)本發(fā)明的方法中，當采用純的石墨電極時，生產(chǎn)出的碳納米顆粒包含具有少量填充物(fullerene)的多層碳納米角或納米多面體(nanopolyhedron)，而不是前述的碳納米角和碳納米管。在這里填充物是一個巨大的球面殼形物質，它用化學式Cn表示，其中C是碳原子，n是一個從32至100或以上的平均數(shù)。這種納米多面體是一種多面體碳納米細顆粒[“Basis of Carbon Nanotube”/Y.Saito，S.Bando.pp.37～42，Corona PublishingCo.Ltd.(1998)]。
在本發(fā)明的方法中，當采用摻雜鎳和釔的石墨電極時，生產(chǎn)出的碳納米細顆粒包含具有少量填充物的、束形(bundle-shaped)或單層碳納米管以及多層碳納米管和納米多面體。這里的術語“束形”的意思是，例如，一種如同一捆麥桿的形狀。而且，存在如圖11所示的約5％-10％的似氣球的納米細顆粒。這里，術語“似氣球的納米細顆?！钡囊馑际且环N大于納米膠囊的納米碳，該納米膠囊具有少量的單層且包含兩層至拾層。
另外，參考圖12描述實施例2。實施例2顯示一種產(chǎn)生電弧噴射物的裝置。圖12A是實施例2采用的制備碳納米細顆粒的裝置的示意圖。圖12B是沿著圖12A中平面C-C的橫截面圖。圖12與圖1相同的部分使用相同的參考數(shù)字，在這里省略其敘述。
如圖12所示，這個實施例的生產(chǎn)裝置除了具有實施例1的生產(chǎn)裝置的結構之外，還包括一套作為磁場施加部件(磁場產(chǎn)生部件)的磁線圈。一個永磁體可被用作磁線圈10。這個磁線圈10被定位為與連接陰極1和陽極2的最短直線交叉。當然，磁線圈10可被定位為與最短直線直角相交。
通過使用這樣一種結構的裝置，一個磁場被加在與電流流動垂直的方向上。由于電弧放電產(chǎn)生的等離子體是一高溫離子化氣流，由于外力該等離子體在力的方向上發(fā)生彎曲。在這個實施例中，通過電弧電流I與所加磁場的相互作用，該等離子體在噴出孔(spout hole)的方向接受這個力F。這種現(xiàn)象遵守佛萊明(Fleming)的左手定律1)對于一攜帶電流的電線如果左手手指握住電線，使拇指指向低電流的方向，手指指的方向是電線產(chǎn)生的磁場的方向。2)對于一可移動的攜帶電流的電線或一處于磁場中的電子束如果左手的拇指、第一指和第二指彼此以直角延伸，第一指代表力的磁力線方向，第二指代表電子流動的方向，拇指則指向電線或電子束移動的方向。因此，電弧等離子體從凹槽4的孔中噴出，形成電弧噴射物5。電弧噴射物5包含的碳成分在冷卻的工藝中形成碳納米材料，如碳納米角。
原則上磁場越強越好。然而，當施加過強的磁場時，電弧電壓增加。因此，電源的可能輸出電壓可超出。這是因為用作電弧電流曲線通道的電弧正極柱等離子體和電極之間的距離相對變長；電弧正極柱等離子體的電阻增加，因此電弧電壓增加。當采用一般目的的電弧電源6時，磁通量密度在1mT～500mT的范圍內是合適的。
參考圖13描述實施例3。實施例3顯示一個產(chǎn)生電弧噴射物的裝置的實施例。圖13A是實施例3采用的制備碳納米細顆粒的裝置的示意圖。圖13B是圖13A中沿著D-D平面的橫截面圖。圖13與圖1相同的部分使用相同的參考數(shù)字，在這里省略其敘述。
如圖13所示，這個實施例中的生產(chǎn)裝置除了具有實施例1的生產(chǎn)裝置的結構之外，還包括氣筒12，其作為向電弧噴射物(電弧)5供應特殊氣體11的氣體供應源，氣體引入管13，其用來從氣筒12向絕緣板3的氣體流動部分5引入特殊氣體11，一氣體控制裝置，其被放在氣筒12和絕緣板3之間，以調節(jié)特殊氣體11流過氣筒12和流量表14的流量。一種特殊氣體供應部件由氣筒12、氣體引入管13、氣體控制裝置和流量表14組成。
如圖13所示，實施例3的生產(chǎn)裝置與實施例1的生產(chǎn)裝置的不同之處是絕緣板3的形狀。實施例3的絕緣板3被提供了用于特殊氣體11的氣體流動部分(gas-flowing part)15以及凹槽4。氣體流動部分15被適配為與凹槽4連接。氣體流動部分15是一個線形的洞，由絕緣板穿孔形成。即，氣體流動部分15是被形成在絕緣板3內部的管狀的孔。氣體流動部分15可被形成在絕緣板中，因此陰極1和陽極2被相互對立地放置，不產(chǎn)生電弧放電。例如，形成一溝槽(groove)，使陰極1或陽極2暴露，該溝槽與凹槽4連接。
在實施例3中的生產(chǎn)裝置中，特殊氣體11優(yōu)選地從氣體入口(氣體流動部分15的一部分)被強制送到絕緣板3的凹槽4的凹進最深處，該氣體入口(gas inlet)與電弧噴射物5的噴出孔相對。因此送來的特殊氣體11將電弧推向噴出孔并幫助形成電弧噴射物5，同時，起到防止絕緣板3與電弧接觸從而保護絕緣板3的作用。
當特殊氣體被噴射到電弧噴射物5的電弧電極點時，特殊氣體不僅流向電弧電極點(等離子體電弧正極柱和固體電極之間的邊界)，也流向正極柱。然而，穿透進入電弧電極點的特殊氣體的數(shù)量小于進入正極柱的數(shù)量，如同從側邊向打火機或蠟燭的火焰吹氣。引入特殊氣體11是一個有效的方法，引入的方式如上所述。可以認為，由于供應一種惰性氣體如稀有氣體等，降低了碳黑燃燒的數(shù)量。而且，特殊氣體11將電弧電極冷卻，可防止該電極受熱損壞。
可用作惰性氣體的特殊氣體11如氬氣、氦氣等，氧氣、氮氣和氫氣，含碳的氣體，如碳氫氣體、二氧化碳氣體等，空氣、大氣或它們的混合氣體。尤其是，氬氣、氦氣、氮氣和空氣是優(yōu)選的。氬氣是最優(yōu)選的。然而，當采用除氬氣之外的其它氣體時，可能改變產(chǎn)品?？諝庵幸稽c也不含濕氣。大氣是含有濕氣的空氣，即，空氣的相對濕度大于0％而小于100％。最簡單的是具有大氣壓力的大氣空氣(atmospheric air)，它們由壓縮機供應。當不必保持特殊氣體11的流量是常數(shù)時，氣體控制裝置和氣體流量表14不是必須的。
根據(jù)上述的生產(chǎn)工藝，當空氣、氮氣或含氮的氣體被用作特殊氣體11時，可形成含氮納米材料，即，CN納米管等。當采用包含硼材料的石墨，或包含硼金屬催化劑或添加劑的石墨，或被噴射或被施加或被電鍍或被涂覆的包含硼材料或添加劑的石墨作為陽極2并且采用空氣或氮氣時，可形成包含BCN網(wǎng)狀結構的碳納米材料，即，BCN納米管等。同樣地，通過改變大氣氣體或添加劑，可形成各種的納米碳材料。這里B是硼，C是碳，N是氮。
參考圖14來描述實施例4。實施例4顯示一個連續(xù)制備含碳納米材料如碳納米角等的碳納米細顆粒的裝置的實施例，圖14A是實施例4采用的制備碳納米細顆粒的裝置的示意圖。圖14B是圖14A中沿著E-E平面的橫截面圖。圖14C是圖14A中沿著F-F平面的橫截面圖。圖14與圖1相同的部分使用相同的參考數(shù)字表示，在這里省略其描述。
如圖14所示，實施例4的生產(chǎn)裝置和圖1的生產(chǎn)裝置幾乎相同，不同點的是圖14中蒸發(fā)電極(evaporating electrode)2的寬度小于圖1中蒸發(fā)電極2的寬度，和圖14中蒸發(fā)電極2稍微大于凹槽4的寬度，以及蒸發(fā)電極2被制得更大。例如，圖14中蒸發(fā)電極2的寬度為幾十毫米是足夠的。因此，有效地利用材料是可能的。實施例4的裝置具有一種結構，當位于絕緣板3的凹槽4處的蒸發(fā)電極2被蒸發(fā)時，通過逐漸將蒸發(fā)電極2饋給至凹槽4來供應原材料。通過逐漸饋給蒸發(fā)電極2，連續(xù)生產(chǎn)是可行的。
當絕緣板3的絕緣材料被消耗時，最好是與陽極2同時發(fā)送(sent)絕緣板3。例如，可根據(jù)下述方法進行絕緣板的發(fā)送絕緣板3被分成3個相等的部分，即，上部、中部和下部，控制絕緣板3的中部的輸送速率，以確保絕緣板3的凹槽4。
當連續(xù)進行電弧放電時，連續(xù)供應蒸發(fā)電極2。然而，當不連續(xù)進行電弧放電時，可不連續(xù)地供應蒸發(fā)電極2。在連續(xù)生產(chǎn)的時間，可以采用一種方法，當一定電流下的電極的蒸發(fā)速率被確定時，蒸發(fā)電極2的輸送速率被確定。
陰極1和陽極2之間的相對移動可通過手動(用人手)進行，或采用一種裝置自動進行，該裝置提供有一種至少在所需方向上移動陽極2的移動方式，例如，NC(數(shù)字控制)裝置。替代地，允許陰極1和陽極2兩者可被移動。
而且，實施例4的生產(chǎn)裝置和圖1的生產(chǎn)裝置的一個不同點是前者提供了一水冷卻塊16作為冷卻陰極1和陽極2兩者的冷卻部件。該水冷卻塊16冷卻陰極1和陽極2，因此長時間進行生產(chǎn)操作是可行的。優(yōu)選地保持陰極1和陽極2的溫度約等于或低于200℃。否則，陰極1和陽極2的溫度將升高到200℃和600℃之間。通過保持陰極1和陽極2的溫度等于或低于200℃，連續(xù)生產(chǎn)是可行的。
水冷卻塊16包括一塊部分，其與陰極1和陽極2接觸，和一管道，其具有一孔，在該孔中流動著用來冷卻塊部分的冷卻介質，如水、油等，冷卻介質穿過塊部分且與該塊接觸。冷卻部件不限于水冷卻塊16，任何可以冷卻陰極1和陽極2的結構，如吹風或噴淋冷卻介質，如水、二氧化碳氣體等，均可被使用，不會超出本發(fā)明的范疇。
水冷卻塊16的材料沒有被具體限定。然而，作為陽極2的水冷卻塊16的材料優(yōu)選地是石墨。這是因為當蒸發(fā)電極2被蒸發(fā)時，用于形成電弧噴射物5的電弧與水冷卻塊16直接接觸，因此，水冷卻塊16熔化，造成水的泄漏。如果作為陽極2的水冷卻塊16由石墨制成，即使電弧與石墨接觸也不會產(chǎn)生嚴重的問題。
參考圖15描述實施例5。實施例5顯示一連續(xù)制備含碳納米材料例如碳納米角等的碳納米細顆粒的裝置的實施例。圖15A是實施例5采用的制備碳納米細顆粒的裝置的示意圖。圖15B是沿著圖15A中G-G平面的橫截面圖，圖15C是沿著圖15A中H-H平面的橫截面圖。圖15與圖14相同的部分使用相同的參考數(shù)字表示，在這里省略其描述。
圖14所示的生產(chǎn)裝置采用一種供應原材料的方法，沿著絕緣板3的水平方向滑動蒸發(fā)電極2，以連續(xù)供應原材料。相比較，在圖15所示的生產(chǎn)裝置中，通過使作為原材料(陽極石墨材料)的蒸發(fā)電極2在與絕緣板3交叉的方向上作相對移動，即，與絕緣板3垂直的方向，以發(fā)送蒸發(fā)電極2，使原材料被連續(xù)地蒸發(fā)。在圖15所示的生產(chǎn)裝置中，圖14所示的陽極2被分成兩部分，一部分是可移動的蒸發(fā)電極17，另一部分是陽極電流引入終端18，其被固定以施加電壓至蒸發(fā)電極17。最初，陽極2具有兩個功能，一個是蒸發(fā)電極17的功能，另一個是陽極電流引入終端18的功能，陽極電流引入終端18被固定以施加電壓至蒸發(fā)電極17。
比較圖14所示的生產(chǎn)裝置與圖15所示的生產(chǎn)裝置，必須發(fā)送絕緣板，因為絕緣板3一點不被消耗通常是不可能的。因此，圖14所示的裝置結構是更優(yōu)選的，其中作為原材料的石墨電極2和絕緣板3可被同時發(fā)送。然而，當采用幾乎不被消耗的絕緣板材料或采用氣體冷卻時，圖15所示的裝置更優(yōu)選。這是因為圖15所示的裝置可以利用所有的原材料。相反，因為圖14所示的裝置系統(tǒng)不能使所有的原材料被蒸發(fā)，將產(chǎn)生原材料的剩余物。
參考圖16描述實施例6。實施例6顯示一有效回收原材料的裝置的實施例，此時采用圖14或圖15所示的生產(chǎn)裝置連續(xù)生產(chǎn)出含碳納米材料如碳納米角等的碳納米顆粒。圖16是實施例6采用的制備碳納米細顆粒的裝置的示意圖。圖16和圖1(圖14或圖15)相同的部分使用相同的參考數(shù)字，在這里省略其描述。
在圖1所示的生產(chǎn)裝置中，存在一個缺點，當連續(xù)產(chǎn)生電弧時，由于電弧受熱或被氧化，沉積到底板7上的碳納米細顆粒(碳黑)9消失。因此，為了解決這個缺點，采用了一種方法，包括步驟旋轉底板7，在旋轉的底板7的一個位置沉積碳黑9，采用位于不被電弧輻射的地方的刮板20將沉積物(碳黑9)從底板上移去，將移出的碳黑存放在存儲裝置21中。
在圖16中，參考數(shù)字22代表一旋轉移動裝置，用來使底板7旋轉。參考數(shù)字23代表一固定部件，用來將刮板20固定在旋轉移動裝置上。通過一個應力傳遞部件如彈簧等，使刮板20與底板7緊密接觸，該應力傳遞部件構成固定部件23。來回移動底板，采用刮板20，沉積物(碳黑9)可被移去。
也會產(chǎn)生沒有沉積到底板7上的碳黑19，其漂浮在空氣中。可以認為，大約全部碳黑的30％沒有沉積到底板上。通過收集這些碳黑19，增加回收率。因此，在底板7上放置一回收系統(tǒng)(回收部件)，包括一真空洞(vacuumhole)24、一碳黑收集過濾器25、一收集管26和一真空裝置27，采用這個系統(tǒng)來回收漂浮在空氣中的碳黑19。
真空洞24采用寬嘴(wide-mounted)的形狀，以在寬的范圍內收集漂浮的碳黑19。過濾器25可以是任何適用的過濾器，例如一種商業(yè)上可獲得的一般目的的紙過濾器。同樣，真空裝置27可以是任何商業(yè)上可獲得的一般目的的真空清潔器、抽氣泵、真空泵等。因為電弧形成電弧噴射物的熱量產(chǎn)生一種撞擊，用于回收漂浮碳黑19的真空洞24優(yōu)選地被定位在電弧的上面。
參考圖17描述實施例7。實施例7顯示一采用多個電弧噴射物更有效地制備含有碳納米材料的碳納米細顆粒的裝置的實施例。圖17是實施例7采用的制備碳納米細顆粒的裝置的示意圖。圖17與圖1所示實施例1的圖1B相對應。其余的結構與圖1所示的結構相同。圖17與圖1相同的部分使用相同的參考數(shù)字。
如圖17所示，實施例7的生產(chǎn)裝置的結構和圖1所示實施例1的結構幾乎相同。它們的不同點是實施例7提供了作為絕緣部件的絕緣板3的多個凹槽4，即，3個，以及作為回收部件的底板7被放在多個凹槽4(電弧噴射物5)的每一個的對面。采用這樣結構的裝置，可同時產(chǎn)生多個電弧噴射物5，因此，能夠在多處沉積碳黑9，即，在多個方向上。這就是說，形成不止一個凹槽4，而是多個凹槽4，有可能增加碳納米細顆粒的產(chǎn)量。
參考圖18描述實施例8。實施例8顯示另一采用多個電弧噴射物制備含碳納米材料的碳納米細顆粒的裝置的實施例。圖18A是實施例8采用的制備碳納米細顆粒的裝置的示意圖。圖18B是沿著圖18A中I-I平面的橫截面圖。圖18C是一橫截面圖，顯示圖18B的一種變化。圖18與圖1的相同部分使用相同的參考數(shù)字，在這里省略其描述。
如圖18A和圖18B所示，實施例8的生產(chǎn)裝置的結構和圖1所示實施例1的幾乎相同。它們的不同點是每個陽極2和絕緣板3被放置為與陰極1的兩個表面相對，如同一夾層(Sandwich)結構。采用這樣結構的裝置，可同時產(chǎn)生多個電弧噴射物5(實施例8為2個電弧噴射物)，因此可在幾乎相同的地方沉積碳黑9，即，在相同的方向上。這就是說，重疊多個蒸發(fā)電極2并使其作為第二電極，有可能增加碳納米細顆粒的產(chǎn)量。
圖18C是另一采用多個電弧噴射物提高碳納米細顆粒產(chǎn)量的裝置的變化的實施例。圖18C和圖18B的不同點是在圖18C中，每個陰極1和絕緣板3被分別放置為與陽極2的兩個表面相對，如同一夾層結構。采用這樣結構的裝置，可同時產(chǎn)生多個電弧噴射物5(實施例8為2個電弧噴射物)，因此可在幾乎相同的地方沉積碳黑9，即，在相同的方向上。這就是說，在陽極2上重疊多個陰極1，可提高碳納米細顆粒的產(chǎn)量。
在每個實施例中，實施例被顯示為在其中采用底板作為回收部件。然而，作為底板的替代物，作為一基底材料的流體(液體)如天然水、硅油或油(在低于產(chǎn)生電弧放電的溫度，油具有流動性)或一包含流體的開放容器，其由玻璃、陶瓷或金屬等制成，可被放置在碳黑9分散(scatter)的區(qū)域中。在這種情況下，向下產(chǎn)生電弧噴射物。因為流體可用作一低溫冷卻介質，除了上述材料之外，如水溶液、干冰、液氮、液態(tài)氦。
包含流體的容器被適配為具有一封閉系統(tǒng)的流動通道，流體在該通道中流動。一過濾部件被放置在流動通道中，其具有一種回收含有納米碳的碳黑9的功能。采用這樣的結構，碳黑9可被連續(xù)地回收，可提供更簡單的生產(chǎn)方法及其裝置。當然，可采用一種提純納米碳材料的方法，包括步驟在流體的表面沉積碳黑，提純和過濾該流體，萃取和提純以得到期望的納米碳材料?；蛘呖刹捎靡环N提純納米碳材料的方法，包括步驟允許碳黑在流體中沉淀，提純和過濾該流體，萃取和提純以得到期望的納米碳材料。替代地，可采用一種提純納米碳材料的方法，包括步驟在流體中溶解碳黑，提純和過濾該流體，萃取和提純以得到期望的納米碳材料。
在這種情況下，基底材料可由耐熱細顆粒形成，如沙子、玻璃、陶瓷、金屬等。這樣的耐熱細顆粒被稱為“微粒”(“particulates”)。而且，可采用上述流體(液體)和上述耐熱細顆粒的混合物。在這種情況下，作為支撐部件的一容器是用來容納微粒的容器，或用來容納流體和微粒的容器。
在上述的實施例中，當凹槽4被形成在絕緣板中時，可確定電弧噴射物5的噴射方向。在給定的區(qū)域中，大體積地沉積碳黑9是容易被控制的。可在陰極1和陽極2之間有效地進行電弧放電。因此，可提高碳納米顆粒的產(chǎn)量。通過在凹槽4處產(chǎn)生的哨聲，容易確定是否形成了電弧噴射物5?？刹捎靡环N便宜的材料作為原材料，從而擴大了選擇的范圍。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種方法和裝置，非常容易地制備含有納米碳材料如碳納米角、極短單層碳納米管等的碳納米細顆粒。而且，根據(jù)本發(fā)明，提供一種極短單層碳納米管，其作為一種新型的納米碳物質。
權利要求
1.一種制備碳納米細顆粒的方法，包括彼此相對地放置一第一電極和一主要成分為碳的第二電極，中間放置一具有至少一個凹槽的絕緣部件；在第一電極和第二電極之間施加電壓，在大氣或空氣中彼此相對的第一電極和第二電極之間的凹槽處產(chǎn)生電弧放電；電弧放電使第二電極的碳材料被蒸發(fā)，從凹槽處產(chǎn)生包含碳材料的電弧噴射物；以及冷卻電弧噴射物，形成包含碳納米材料的碳黑。
2.如權利要求1的制備碳納米細顆粒的方法，其中第二電極的碳材料從電弧放電的一個電極點處被蒸發(fā)。
3.如權利要求1的制備碳納米細顆粒的方法，其中當相對移動第一電極和第二電極時，電弧放電使第二電極的碳材料被蒸發(fā)。
4.如權利要求1的制備碳納米細顆粒的方法，其中所述方法還包括回收包含碳納米材料的碳黑。
5.如權利要求4的制備碳納米細顆粒的方法，其中所述方法還包括放置一基底材料于電弧噴射物的對立面，并通過該基底材料回收包含碳材料的碳黑。
6.如權利要求1的制備碳納米細顆粒的方法，其中當施加一磁場至電弧放電時，產(chǎn)生電弧噴射物。
7.如權利要求1的制備碳納米細顆粒的方法，其中當供應一特殊氣體至電弧放電時，進行電弧放電。
8.如權利要求7的制備碳納米細顆粒的方法，其中特殊氣體從包括稀有氣體、含碳氣體、氧氣、氫氣、空氣、大氣及它們的混合物的組中選擇。
9.如權利要求1的制備碳納米細顆粒的方法，其中當冷卻第一電極和第二電極時，進行電弧放電。
10.一種制備碳納米細顆粒的裝置，包括一對電極，包括一第一電極和一主要成分為碳材料的第二電極，第一電極和第二電極在大氣或空氣中保持一定間距，中間放置一具有至少一凹槽的絕緣部件；一種電弧放電產(chǎn)生方式，在第一電極和第二電極之間施加一電壓，產(chǎn)生電弧放電，電弧放電使碳材料被蒸發(fā)，從凹槽處產(chǎn)生包含碳材料的電弧噴射物；以及一回收部件，用來回收包含碳納米材料的碳黑，通過冷卻電弧噴射物形成該碳黑。
11.如權利要求10所述制備碳納米細顆粒的裝置，其中所述裝置還包括一種相對移動第一電極和第二電極的方式和一電壓，當移動第一電極和第二電極時，該電壓被施加至第一電極和第二電極之間，產(chǎn)生電弧放電，電弧放電使碳材料被蒸發(fā)，產(chǎn)生包含碳納米材料的碳黑。
12.如權利要求10所述制備碳納米細顆粒的裝置，其中回收部件是一基底材料，所述裝置還包括一種支撐方式，支撐與電弧噴射物相對的基底材料，通過基底材料回收包含碳納米材料的碳黑。
13.如權利要求10所述制備碳納米細顆粒的裝置，其中所述裝置還包括一磁場施加部件，施加一磁場至電弧放電，產(chǎn)生電弧噴射物。
14.如權利要求10所述制備碳納米細顆粒的裝置，其中所述裝置還包括一特殊氣體供應部件，供應一特殊氣體至電弧放電的產(chǎn)生區(qū)域。
15.如權利要求10所述制備碳納米細顆粒的裝置，其中所述裝置還包括一冷卻部件，用來冷卻第一電極和第二電極。
16.一種極短單層碳納米管，其直徑約為0.7nm～5nm，長度約為3nm～100nm。
全文摘要
提供一種制備碳納米細顆粒的方法和裝置，能夠容易且廉價地制備含有約20％及以上的碳納米角細顆粒的碳納米細顆粒。該方法包括彼此相對放置一石墨電極(1)和一石墨陽極(2)，中間放置一具有凹槽(4)的絕緣板(3)；一電壓被施加在兩電極之間，從絕緣板(3)的凹槽(4)處產(chǎn)生電弧放電；石墨陽極(2)的給定區(qū)域從電弧放電的一個電極點處被蒸發(fā)，同時從凹槽(4)處產(chǎn)生電弧噴射物(5)；因此，產(chǎn)生包括碳黑(9)的碳納米顆粒，碳黑(9)是包含碳納米角的碳納米材料，碳黑(9)被沉積到一回收板(7)上并被回收。還提供一種單層碳納米管。
文檔編號B01J19/08GK1456497SQ03142909
公開日2003年11月19日 申請日期2003年4月5日 優(yōu)先權日2002年4月5日
發(fā)明者滝川浩史, 池田光邦, 伊藤茂生, 田原智德 申請人:滝川浩史, 雙葉電子工業(yè)株式會社, 東海碳素株式會社