專利名稱：用于納米管的漩渦合成的剪切反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明應(yīng)用于碳納米管或其它納米管的合成，并且應(yīng)用于在湍流反應(yīng)器中的電解。
背景技術(shù)：
已從許多材料合成了納米管，包括氮化硼、二硫化鎢、二氧化鈦、二硫化鉬、鉍、銅 和金。特別地，碳納米管是商業(yè)上碳的有價值的形式，此碳的形式具有許多顯著的特性。 在抗張強度上，纖維比鋼強100倍，并且纖維是已知的最有效的導(dǎo)熱體。由于納米管的分子 結(jié)構(gòu)，這些納米管具有高程度的硬度。理論上，可以形成任何長度的納米管，但是現(xiàn)有的形 成方法包括任意的形成方向，而這限制了得到的納米管的長度最好時為幾厘米?；瘜W(xué)氣相沉積是商業(yè)公司生產(chǎn)大量納米管普遍使用的方法。納米管的形成從懸浮 在乙醇溶劑或另一種溶劑中的碳離子或其它離子的溶液的蒸發(fā)中制造。這使得管在任意方 向形成為至多幾毫米的長度。溶劑和形成的管可以是氣凝膠的形式，并且沉積的最后步驟 可以是把氣凝膠拉成纜繩。這可以獲得高達每分鐘2米的沉積速度，但是纜繩是短的納米 管長度的組合，并且缺少來自單一的長納米管的抗張強度。激光燒蝕和電弧放電是其它的合成方法。在為得到碳納米管的激光燒蝕中，高能 激光使碳質(zhì)目標(biāo)蒸發(fā)以產(chǎn)生碳離子，而電弧放電使碳電極蒸發(fā)。各向同性的湍流使這些碳 離子的一些旋轉(zhuǎn)進入納米管，由于任何形成漩渦的混亂的方向和短的持續(xù)時間，納米管的 長度是非常短的。取決于碳納米管的結(jié)構(gòu)，碳納米管可以是超導(dǎo)電體(electrical superconductor)，也被稱為金屬納米管或半導(dǎo)體。常規(guī)的合成方法產(chǎn)生傳導(dǎo)性的納米管和 半導(dǎo)體納米管的混合物，后來在反應(yīng)器的外面通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)備使傳導(dǎo)性的納米管和半導(dǎo)體 納米管分離。本發(fā)明的概述以及目的和優(yōu)勢本發(fā)明描述了長的納米管的連續(xù)合成的規(guī)模可變的方法(scalable approach) 0 碳離子流有組織地進入徑向漩渦，徑向漩渦提供連續(xù)地逐漸形成的納米管的形成。離子漩 渦由反向旋轉(zhuǎn)的圓盤葉輪/電極機械地推動，而且漩渦產(chǎn)生引起漩渦的自緊的螺管式磁 場。湍流是各向異性的或方向?qū)虻?directionally oriented)，而不是常規(guī)反應(yīng)器的隨 意的各向同性的湍流，所以漩渦是一致的和徑向地排列的。在這些漩渦內(nèi)的形成過程有利
4于更長的線的產(chǎn)生，更長的線可以被連續(xù)地卷起到外部的卷軸。這可使得大量生產(chǎn)長的納 米管線成為商業(yè)現(xiàn)實。另一個優(yōu)勢是形成過程傾向于有利于金屬的納米管的生產(chǎn)，而不是半導(dǎo)體的納 米管(semiconducting nanotube)。逐漸形成的納米管作為陰極被充電，而且電流將輕易地 通過金屬的納米管流到其逐漸形成端，但是不能輕易地流過半導(dǎo)體性的納米管，這是因為 其更高的電阻。因此，不傾向于形成半導(dǎo)體性的納米管，因為其逐漸形成端由于電阻而缺少 電子。進一步的優(yōu)勢是沿著納米管的長度具有變化的摻雜的納米管的生產(chǎn)通過改變納 米管的逐漸形成端形成的條件而生產(chǎn)。離子源可以是剪切反應(yīng)器內(nèi)的電解，或外部的源。在外部的源的情況下，向剪切反 應(yīng)器提供的源氣體(source gas)是載氣和離子的混合物，通過一致的定向的湍流和回旋的 陰極勢降(swirling cathode fall)，離子將被卷成納米管。因此，納米管可以是金的或其 它常規(guī)的納米管材料的，也是碳的。
附圖描述


圖1是本發(fā)明的漩渦合成剪切反應(yīng)器的優(yōu)選的實施方案的一半的橫截面圖。 圖2是形成區(qū)域的地方的特寫的橫截面圖。 圖3是從反應(yīng)器中的空間看到的外圍的壁的正視圖。 圖4是反應(yīng)器的俯視圖，顯示了徑向漩渦的排列。 圖5是包括會聚的陽極的可選的實施方案的一半的橫截面圖。 所列部件
2.頂部圓盤葉輪/電極
4.底部圓盤葉輪/電極
5.外圍的壁
6.源氣體
7.空間
8.軸向源氣體孔口
9.支撐軸
10.圓盤葉輪/電極2、4的旋轉(zhuǎn)軸 12.胃電(charging means) 14.碳離子
16.在燒結(jié)的金屬陽極中的孔
17.排氣口
18.徑向漩渦
20.彎曲的漩渦反射體
21.在反射體表面內(nèi)的壓力孔口
22.圓錐形的突起物 24.納米管的逐漸形成端 26.在圓錐形的突起物22中的中心開口 28.臭氧供給
30.來自陰極的電子32.碳離子夕卜部游潤(carbon ion outer vortex)34.納米管的退出36.形成區(qū)域38.彈回漩渦(rebound vortex)40.摻雜劑源42.用于摻雜劑源的控制器44.摻雜劑離子46.納米管結(jié)構(gòu)中的摻雜劑離子48.摻雜劑排氣孔口50.摻雜劑排氣(dopant exhaust)52.反射體孔口負壓54.反射體孔口正壓56.納米管纜繩58.張緊卷軸(takeup reel)60.外圍的壁和圓盤葉輪之間的密封件62.圓盤收縮部分64.槽形開口66.臭氧室68.納米管紗(nanotube yarn)70.精確提取設(shè)備詳述下面的描述涉及碳納米管的生產(chǎn)，但是本發(fā)明可以用于從其它的適當(dāng)?shù)幕衔锖?成納米管和其它的管狀富勒烯結(jié)構(gòu)。在剪切反應(yīng)器中使用受控制的湍流，以形成在剪切層中的碳離子的一致的徑向漩 渦，剪切層在反向旋轉(zhuǎn)的且同軸的圓盤陽極之間。離子在反應(yīng)器中的停留時間是長的，并且 在這個停留時間期間，離子漩渦使離子在回旋的陰極勢降中沉積在逐漸形成的納米管端。 然后，納米管從反應(yīng)器退出。碳離子或其它金屬離子(陽離子)在剪切層中聚集，因為它們被排斥而遠離陽極。 由于圓盤葉輪/電極的反向旋轉(zhuǎn)，剪切層中的徑向漩渦18像車輪的輻條一樣，是關(guān)于圓盤 旋轉(zhuǎn)軸10徑向地定向的。每一個漩渦包括在其核心的形成區(qū)域，其中，碳離子聚集在逐漸 形成的納米管的形成點。每一個納米管具有捕獲端(captive end)和逐漸形成端。逐漸形 成端作為陰極被充電，并且當(dāng)更多碳離子聚集到其上時，逐漸形成納米管的連接的特有模 式。捕獲端用來從反應(yīng)器的外圍連續(xù)地拉出納米管，以防止逐漸形成端留在形成區(qū)域，而且 捕獲端是使電子到達逐漸形成端的導(dǎo)體。為了提高質(zhì)量并使納米管官能化，當(dāng)它們離開形 成區(qū)域并從反應(yīng)器退出時，優(yōu)選地，它們應(yīng)暴露于臭氧。如圖1中的剪切反應(yīng)器的一半的示意性的橫截面圖中所顯示的，受控制的湍流漩 渦由兩個近似平行且同軸的反向旋轉(zhuǎn)的圓盤葉輪/電極2和4推動，圓盤葉輪/電極2和4 作為源氣體6的離心的葉輪使用，源氣體6軸向地注入到在圓盤葉輪/電極2和4之間的空間7。頂部葉輪2旋轉(zhuǎn)著進入紙頁，而底部葉輪4旋轉(zhuǎn)出紙頁。它們共同的旋轉(zhuǎn)軸10大 約在反應(yīng)器的中線處。術(shù)語反向旋轉(zhuǎn)含義是不同于完全地同向旋轉(zhuǎn)的同時的旋轉(zhuǎn)，諸如例如，其中，葉輪 /電極兩者以相同的方向但是不同的角速度旋轉(zhuǎn)，或其中，一個旋轉(zhuǎn)而另一個靜止。優(yōu)選地， 存在完全的反向旋轉(zhuǎn)，其中，相對的同軸的葉輪/電極2、4以相反的方向、近似相同的角速 度旋轉(zhuǎn)。連接到葉輪/電極的適當(dāng)?shù)脑O(shè)備(未顯示)弓丨起葉輪/電極反向旋轉(zhuǎn)。反向旋轉(zhuǎn)的圓盤電極/葉輪2、4與外圍的壁5結(jié)合界定空間7，其中，納米管的漩 渦合成被推動。通過在圓柱形的支撐軸9中的軸向源氣體孔口 8，源氣體6到達葉輪2、4之 間的空間7的軸向供給是由正壓引起的，支撐軸9支撐葉輪2、4，并且維持葉輪2、4以同軸 的方向圍繞它們共同的圓盤旋轉(zhuǎn)軸10。支撐軸連接到外部的充電設(shè)備12，并且作為充電設(shè)備和葉輪之間的導(dǎo)體使用，使 得軸和每一個葉輪/電極2、4成為陽極。用于陽極的外部的充電設(shè)備12連接到靜態(tài)的支 撐軸，并且通過其密封件連接到圓盤，密封件是水銀密封件或其它的導(dǎo)電性的密封件。可選 地，圓盤、軸和外圍的壁都可以作為陽極單獨地被充電。充電設(shè)備提供恒定的直流電或脈沖 聲波直流電或射頻直流電。當(dāng)電子流流出逐漸形成端時，常規(guī)的電流(陽離子)流入逐漸 形成端。間歇的電流將用來軟化離子對納米管端的沖擊。源氣體14被軸向地供給到陽極之間的空間中。術(shù)語源氣體包括在外部的反應(yīng)器 中形成的等離子體。優(yōu)選地，源氣體包括由外部的源產(chǎn)生的離子。源氣體可包括與惰性載 氣如氮氣、氬氣或氙氣混合的陽離子。可選地，源氣體可以是碳質(zhì)氣體，例如未被離子化的一氧化碳。源氣體可包括碳質(zhì) 分子，例如甲烷(CH4)、乙炔(C2H2)、一氧化碳(CO)或二氧化碳(CO2)。源氣體也可包括揮發(fā) 性有機化合物(VOC)的分子。源氣體可包括二氧化硫。下面將描述的是用于一氧化碳的電 解分解以形成金屬的碳納米管的剪切反應(yīng)器。碳離子可以通過碳質(zhì)源氣體的分解而在反應(yīng)器中產(chǎn)生，碳質(zhì)源氣體優(yōu)選為一氧化 碳，因為一氧化碳是豐富的，并且因為分解產(chǎn)生碳和臭氧。圍繞納米管的臭氧用來使不牢固 端(loose end)官能化，并且使弄亂反應(yīng)器的產(chǎn)品的非納米管結(jié)構(gòu)氧化。源氣體，無論是在外部形成的等離子體或是將要被反應(yīng)器內(nèi)的電解分解的氣體， 都通過至少一個軸向源氣體孔口 8注入，并且在靠著陽極的邊界層中從圓盤旋轉(zhuǎn)軸徑向地 向外用平流輸送。陽極驅(qū)使陽離子例如碳離子進入邊界層之間的剪切層。作為陰極被充電的逐漸形成的納米管端24延伸到剪切層內(nèi)。通過陽極的連續(xù)的 旋轉(zhuǎn)，防止了在陽極2、4和陰極24之間擊穿，陽極的連續(xù)的旋轉(zhuǎn)破壞了初期的電弧并且在 空間7中引起擴散或電暈放電。因此，大量的能量可以被送入到空間7內(nèi)，用來分解源氣體。 不僅電能，而且機械能也通過反應(yīng)器的高剪切而轉(zhuǎn)移到源氣體。如果源氣體是一氧化碳(CO)，鍵離解能是9. 144eV。因為本發(fā)明的剪切反應(yīng)器具 有高的停留時間，所以有時間把需要的離解能送入到圓盤葉輪/電極2、4之間的空間7。空 間7中的高壓是由通過軸向供給氣孔口 8的正的供給壓力引起的，并且增加的焓是由于旋 轉(zhuǎn)的葉輪/電極對源氣體的作用。碳質(zhì)源氣體的分解在葉輪/電極之間的剪切層中形成碳離子云14，而氧氣或其它 電解產(chǎn)品氣體在陽極葉輪表面逐漸形成。優(yōu)選地，葉輪是燒結(jié)的金屬制得的，以便對源氣體提供大的表面面積，并且提供用于電解產(chǎn)品氣體的退出的許多孔16。在源氣體包括與載氣混合的陽離子的情況下，載氣例如氮氣、氬氣或氙氣，陽離子 被陽極排斥，并且載氣流過靠著葉輪/電極的邊界層，且通過陽極中的孔16和通過外圍5 中的排氣口 17流出反應(yīng)器。一些氧氣變成臭氧，因為其具有比源氣體重的分子量，所以其 徑向地向外流到外圍的壁5。剪切層包括徑向漩渦的多規(guī)模網(wǎng)(multi-scale network)。在反應(yīng)器的外圍，徑向 漩渦的半徑是小的。由于反向旋轉(zhuǎn)的圓盤葉輪/電極2、4的推動，反應(yīng)器內(nèi)的湍流是有組 織的且各向異性的，且連續(xù)的質(zhì)量流入和流出反應(yīng)器。徑向漩渦18的軸近似地與圓盤旋轉(zhuǎn) 軸10垂直。由于漩渦-壁相互作用的力學(xué)，漩渦端對外圍的壁5的沖擊引起徑向漩渦18的收 縮。作為結(jié)果發(fā)生的沿著漩渦的旋轉(zhuǎn)軸朝著遠離外圍的壁的彈回拉回納米管的逐漸形成端 24，使逐漸形成端24在更緊的彈回漩渦38中朝著圓盤旋轉(zhuǎn)軸10被拉回。濃縮的快速回旋的陽離子在這個小的半徑的彈回漩渦38內(nèi)，陽離子通過其漩渦 運動形成螺管式磁場，螺管式磁場引起陽離子漩渦自緊成甚至更小的半徑。在漩渦的核心 處的是具有得到納米管組件的最佳條件的區(qū)域，稱為形成區(qū)域。作為陰極被充電的逐漸形 成端24在形成區(qū)域中懸擺，并且陽離子在回旋的陰極勢降中連續(xù)地沉積在逐漸形成端上。因為在運動中的電荷總是產(chǎn)生磁場，所以碳離子在剪切層的徑向漩渦中的旋轉(zhuǎn)產(chǎn) 生螺管式磁場。在此，我們具有在統(tǒng)一的漩渦運動中的正電荷，根據(jù)右手定則，漩渦運動將 產(chǎn)生螺管式磁場，該螺管式磁場具有指向外圍的壁5的北極。旋轉(zhuǎn)著通過這個機械地推動 的磁場的碳離子經(jīng)受將其擠壓到漩渦軸的磁力。由于機械地推動的各向異性的湍流，碳離 子漩渦的自緊也作用以將碳離子結(jié)合成納米管結(jié)構(gòu)。當(dāng)納米管朝著圓盤旋轉(zhuǎn)軸10延伸時，提取設(shè)備例如張緊卷軸58朝著外圍的壁拉 回逐漸形成端，并且因此使形成區(qū)域中的逐漸形成端維持在離外圍的壁的最佳的距離處。 連接到張緊卷軸58的充電設(shè)備12使張緊卷軸58作為陰極充電，并且由張緊卷軸58拉回 的納米管把電子傳導(dǎo)到形成區(qū)域。金屬的納米管結(jié)構(gòu)或傳導(dǎo)性的納米管結(jié)構(gòu)有利于形成， 因為它們傳導(dǎo)具有比半傳導(dǎo)性的納米管結(jié)構(gòu)小的電阻的電子。因此，懸擺在形成區(qū)域的納 米管的逐漸形成端24將優(yōu)先地是金屬的碳納米管端。由于張緊卷軸58的拉力與來自漩渦-壁相互作用的彈回的力，納米管中的張力會 拉長和韌化(anneal)納米管，并且提供用于維持形成區(qū)域中的逐漸形成端的設(shè)備。逐漸形成端的最佳的退出速度由監(jiān)測或反應(yīng)器內(nèi)的條件決定，例如供給壓力、溫 度、電荷和離子密度。當(dāng)逐漸形成端在漩渦的回旋中彎曲或在漩渦核心中保持平靜時，退出 速度也可由納米管的壓電作用的測量決定。本領(lǐng)域已知的適當(dāng)?shù)脑O(shè)備，例如步進電機和用 于精確移動的傳動裝置，可連接到張緊卷軸58和納米管纜繩56自身，并且控制其進入和退 出剪切反應(yīng)器的速度，以便將逐漸形成端24維持在空間7中的最佳位置。使用恒定的反應(yīng) 器條件的實驗也可決定最佳的恒定的張緊卷軸速度。最接近反應(yīng)器的退出設(shè)備應(yīng)優(yōu)選地包 括用于緊握納米管并以所需的線性運動使納米管前進的精確提取設(shè)備。優(yōu)選地，外圍的壁5包括面向空間7的一個或更多個凹腔(concave cavity)。每 一個腔都是彎曲的漩渦反射體20，用來聚集彈回漩渦并使彈回漩渦變緊，以實現(xiàn)較緊密的 聚集或碳離子。近似圓錐形的突起物22在漩渦反射體20的中心，包括用于使陰極延伸到空間7的中心開口 26。優(yōu)選地，外圍的壁5應(yīng)作為陽極被充電，以防止碳焦化，但是漩渦反 射體20應(yīng)該是電介質(zhì)，以防止在陰極逐漸形成端24和陽極外圍的壁5之間的擊穿?？蛇x地，外圍的壁可以沒有漩渦反射體或圓錐形的突起物，而具有通過外圍的壁 的一個或更多個孔?？蛇x地，當(dāng)在包括會聚的陽極的可選的實施方案中，如在圖5中所顯示 的，外圍的壁可以不是靜態(tài)的，而是葉輪的部分，使每一個葉輪上具有一半的外圍的壁。通過在逐漸形成的納米管端和反向旋轉(zhuǎn)的陽極之間的電弧放電，可以使蒸氣源氣 體離子化。電弧放電可能是電暈的，因為停留在陽極上的電弧連續(xù)地被遠離陰極的陽極電 弧的旋轉(zhuǎn)破壞。剪切加上電暈放電把足夠的能量抽吸到蒸氣中，用于離子化。蒸氣可以是 有機化合物的、金屬的、碳的、或其它陽離子源的。通過在根據(jù)本發(fā)明的剪切反應(yīng)器內(nèi)的分解，碳質(zhì)源氣體可提供用于碳納米管合成 的陽離子。逐漸形成的納米管端是陰極，而圓盤葉輪/電極是陽極。因為陽極的旋轉(zhuǎn)破壞 初期的電弧并且防止其停留，所以空間中的放電具有電暈放電而不是停留電弧(dwelling arc)的本質(zhì)。例如，一氧化碳在反應(yīng)器中分解，提供了用于納米管沉積的碳陽離子和為得到
臭氧的氧氣。因為在反向旋轉(zhuǎn)的同軸的圓盤葉輪/電極2、4之間存在高剪切，并且存在同時的 且連續(xù)的質(zhì)量流入(通過軸向源流孔口 8)和流出(通過葉輪孔16和排氣口 17)，所以在 根據(jù)本發(fā)明的剪切反應(yīng)器的空間7中，發(fā)生在開放系統(tǒng)中的馮·卡門回旋流(Von Karman swirling flow)。流動不是混亂的，如在封閉的系統(tǒng)裝置中一樣，但是，由于這是開放的系 統(tǒng)的事實，流動包括枝狀的徑向漩渦的多規(guī)模排列。圓盤葉輪/電極2、4的反向旋轉(zhuǎn)在空 間7中推動徑向逆流。邊界層靠著每一個圓盤葉輪/電極。源氣體和氣態(tài)的電解產(chǎn)品例如 臭氧從旋轉(zhuǎn)軸10徑向地向外流動。朝著軸10徑向地向內(nèi)的流動發(fā)生在反向旋轉(zhuǎn)的邊界 層之間的剪切層中。當(dāng)剪切層中的漩渦遇到圍住葉輪之間的空間7的外圍的壁5時，由漩 渦-壁相互作用產(chǎn)生的彈回引起通過剪切層朝著葉輪旋轉(zhuǎn)軸徑向地向內(nèi)的再循環(huán)的流動。如在圖2中的形成區(qū)域的地方的示意性的橫截面圖中所顯示的，在用于剪切層碳 離子漩渦32的每一個彎曲的反射體20的中心，突出的中心的圓錐體22延伸到變緊的彈回 漩渦38的軸。納米管的逐漸形成端24從這個圓錐體的末端的小的開口 26并且徑向地向 內(nèi)朝著圓盤軸延伸。在此，為了清楚的目的，開口被放大顯示；用于納米管的開口 26應(yīng)該是 狹窄的，以允許對納米管的逐漸形成端24的放置的更好控制。在逐漸形成端24的附近是 包括碳離子彈回漩渦38的核心的形成區(qū)域36。在漩渦核心的形成區(qū)域是相對平靜的空間， 具有濃密的且均勻分布的濃度的碳離子，碳離子盤旋著接近逐漸形成端24，這有利于均衡 的且快速的增長。優(yōu)選地，開口 26包括絕緣材料，以便防止納米管的逐漸形成端24短路。 例如，圓錐形的突起物可以是陶瓷的絕緣材料。與作為陽極充電的反向旋轉(zhuǎn)的圓盤葉輪/電極2、4不同，逐漸形成的納米管末端 由充電設(shè)備12作為陰極充電。充電設(shè)備12連接到張緊卷軸58，并且納米管把電子傳導(dǎo) 到逐漸形成端。由于其尖端的尖銳，納米管是已知的非常有效的電子的場發(fā)射體(field emitter)。碳離子漩渦具有電子缺失(electron deficiency) 0電子30的陰極源吸引圍繞 逐漸形成端24的濃密的云中的碳離子14，連續(xù)地把碳離子拖入回旋的陰極勢降中，用于連 續(xù)的漩渦分解，這允許非常長的納米管的合成。隨著納米管的長度的增長，其通過圓錐體退 出34，以防止逐漸形成端24留在形成區(qū)域36。
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來自電解的任何臭氧(O3)使納米管易于氧化的納米管片段的端和有缺陷的形成 的任何位置官能化。如果臭氧不能從電解中得到，那么應(yīng)該在外圍的壁的外部的臭氧供給 28中提供臭氧，臭氧供給28浸洗出現(xiàn)的納米管并朝向形成區(qū)域延伸通過開口 26。石墨或 焦炭固體碳被臭氧氧化，并且在反應(yīng)器中回收，以便使由本發(fā)明產(chǎn)生的固體碳結(jié)構(gòu)中的這 些雜質(zhì)減到最少。生產(chǎn)中也排除了半傳導(dǎo)性的和非傳導(dǎo)性的被損壞的納米管，因為其逐漸 形成端由于其高的電阻而缺少電子，而金屬的納米管是優(yōu)良的導(dǎo)體，能更好地從充電設(shè)備 吸收電子，用來使其逐漸形成端增加。納米管纜繩56從延伸進入形成區(qū)域的捕獲管端(captive stub)增長。為開始增 長過程，納米管管端可以是短的，并且如果需要可以連接到與張緊卷軸或其它退出設(shè)備連 接而且使管端延伸到形成區(qū)域的線。納米管管端可以是連接到張緊卷軸58并延伸到空間 7的金屬線。開啟反應(yīng)器，碳納米管開始沉積在線的端上，并且線與連接到線的納米管一起 被拉出空間7。納米管管端的類型可影響產(chǎn)生的增長的類型，因為增長往往會重復(fù)可得到的 結(jié)構(gòu)。管端可以是單壁的、多壁的或多股的。如果多個納米管端作為管端一起提供，那么將 得到多股的纜繩。充電的陰極線也可吸引納米管以更短的納米管的纏結(jié)的形式增長，更短的納米管 則作為陰極充電以促進進一步的增長。這個納米管“紗”也可連續(xù)地形成和退出。從納米 管紗懸擺的不牢固端應(yīng)通過使紗通過位于外圍的壁5的外部的室中的臭氧而被官能化。臭 氧不會攻擊良好地形成的納米管的長度，但是會氧化有缺陷的結(jié)構(gòu)例如石墨。因此，產(chǎn)生的 納米管紗是不含雜質(zhì)的。納米管的摻雜納米管的結(jié)構(gòu)是有規(guī)律的晶格，其可在特定的位置改變，并且仍維持其大部分的 強度。可以使其它的原子嵌入晶格中，或在管的內(nèi)部捕獲其它的原子。這些原子在納米管 中的特定順序可起到二極管或其它的電子組件的作用。原子在納米管中的其它順序可以用 來存儲信息。一個類比是DNA分子的信息鏈，但是，在這種情況下，分子不會復(fù)制，且可包括 更復(fù)雜的元素順序。已發(fā)現(xiàn)摻雜氮的碳納米管具有優(yōu)良的氧還原特性，使其成為燃料電池中鉬的合適 的代替者。通過氮氣和碳質(zhì)氣體例如一氧化碳的同時電解，可產(chǎn)生摻雜氮的碳納米管。其它組分的分解的產(chǎn)品也可以是摻雜劑，例如來自SO2W分解的硫離子。并入到納 米管中的硫原子可提供用于把納米管連在一起的方式，與橡膠一樣，成為耐用的大型構(gòu)造。 二氧化硫是在煤排放的二氧化碳中的令人煩惱的痕量污染物質(zhì)，所以0)2和SO2的同時的電 解分解可節(jié)省昂貴的洗滌步驟，并且可從廢氣中產(chǎn)生有價值的材料。本發(fā)明提供了用于精確地使長的納米管摻雜的設(shè)備，以及在CO2和SO2的情況下， 用于通過如上所述的同時的大量分解使長的納米管摻雜的設(shè)備。因為逐漸形成端的位置是 可控制的，所以摻雜劑源例如加熱的線可放在逐漸形成端的附近。可通過這種設(shè)備產(chǎn)生的 一種有用的材料是摻雜銀的碳納米管，此摻雜銀的碳納米管將是強硬的，并且也是殺菌的。如在圖2中所顯示的，把摻雜劑原子引入到逐漸形成的納米管端可通過精確地受 控制的加熱的線40完成，由于根據(jù)用于摻雜劑源42的控制器提供的熱，摻雜劑原子通過升 華而脫落。因為這些端作為陽極被充電，所以它們不傾向于吸引碳離子。通過利用主管的 增長的已知速率，在精確的間隔時的摻雜導(dǎo)致完成的納米管纜繩的增加的價值。把摻雜劑
10原子44引入到核心漩渦，核心漩渦將摻雜劑原子44帶到形成區(qū)域36，摻雜劑原子44在形 成區(qū)域36變成納米管結(jié)構(gòu)46的部分。為了阻止摻雜劑被進一步加入到結(jié)構(gòu)，摻雜劑排氣 孔口 48被用來排放形成區(qū)域中的包括摻雜劑原子50的氣體。這樣，可以接通和停掉摻雜 劑，或可按順序加入不同的摻雜劑。由于圓盤葉輪的反向旋轉(zhuǎn)，徑向漩渦傾向于是相對地穩(wěn)定的徑向條幅。但是如果 內(nèi)部的條件引起漩渦在其位置擺動，因為漩渦沖擊外圍的壁，那么，在反射體表面的壓力孔 口 21可使漩渦穩(wěn)定，并且使漩渦的位置集中在彎曲的反射體中，以便使碳離子更好地反射 到形成區(qū)域。負壓52易于在該方向吸收碳離子漩渦，而正壓54形成將把漩渦推開的壓力 脊?？卓诘男螤羁梢员簧扉L，以形成環(huán)狀的壓力脊效應(yīng)或在漩渦反射體內(nèi)的槽。通過這些 孔口從剪切反應(yīng)器退出的氣體的測量可表明內(nèi)部的碳離子的濃度、來自被臭氧氧化的碳沉 積物的二氧化碳和一氧化碳的量以及摻雜物離子的水平。圖3顯示從反應(yīng)器內(nèi)的空間7看到的外圍的壁5的正視圖，顯示了漩渦反射體20 和中心的圓錐形的突起物22的大概的輪廓，圓錐形的突起物22具有用于逐漸形成端24的 中心開口 26。基于上部圓盤葉輪2和下部圓盤葉輪4的運動，顯示了外部的離子漩渦32和 彈回漩渦38。排氣孔口 17主要用來排放非碳離子組分和碳塵，而反射體壓力孔口 21在漩 渦沖擊反射體時控制漩渦的位置。顯示的是摻雜劑源40的離子和摻雜劑排氣孔口 48。圖4是在反向旋轉(zhuǎn)的圓盤之間的多個徑向條幅漩渦的俯視圖。每一個條幅漩渦代 表一個形成區(qū)域，所以根據(jù)本發(fā)明可以同時形成許多納米管纜繩56。每一個纜繩可拉出外 圍且繞到張緊卷軸58上。然后，大量的徑向碳納米管纜繩可輕易地被捆成納米繩或甚至納 米電纜，以及可能具有在高溫下的非常良好的導(dǎo)電性且也具有非常高的抗張強度的材料。圖5顯示包括會聚的陽極的實施方案。外圍的壁5是陽極2、4的會聚部分。在這 個實施例中的陽極首先在圓盤收縮部分62變窄，而且在其外圍，陽極被狹窄的槽形開口 64 分離。在這個開口之外是臭氧室66，用來處理出現(xiàn)的納米管和使出現(xiàn)的納米管官能化，出現(xiàn) 的納米管可能作為納米管紗68出現(xiàn)，其作為陰極被充電設(shè)備12在逐漸形成端24充電。平 行的電流引起導(dǎo)體有吸引力，所以在從剪切反應(yīng)器出來的大量的納米管中的平行電流將使 得它們在一起拉成納米紗，且通過范德華力粘在一起。增長的納米管紗68通過精確提取設(shè) 備70從反應(yīng)器退出，并且最后被繞到張緊卷軸58上。用于納米管的漩渦合成的本發(fā)明可以應(yīng)用于除上述材料之外的適合于這種自組 裝的任何材料或化合物。溫度、載氣、電解和陰極電荷可根據(jù)需要變化，并且剪切反應(yīng)器本 身的組分可以以涂有催化劑或制造的表面為特征，用來提高電解或防止不想要的涂層的形 成。對技術(shù)人員來說很明顯，上面給出的特征和細節(jié)僅僅是示例性的。除非另有說明， 應(yīng)理解為，不是每一個給出的細節(jié)都是必須的；每一個給出的細節(jié)一般都可改變或省略。 根據(jù)實施方案的描述，可以進行怎樣的本文顯示的新穎想法的特定的應(yīng)用，這對普通技術(shù) 的技術(shù)人員來說是明顯的。因此，預(yù)期，本發(fā)明的范圍將不限于所描述的特定的實施方案， 該特定的實施方案僅作為本發(fā)明的示意性的實施方案，且不具有限制權(quán)利要求的范圍的作 用。就在特定的脫鹽技術(shù)中具有比普通技術(shù)更精通的技術(shù)的技術(shù)人員而言，受啟發(fā)的 事后的認識不應(yīng)作為事后的證據(jù)而承認，當(dāng)大量生產(chǎn)具有延伸的長度和可變的組分的納米管的問題長時間仍未解決時，本發(fā)明是明顯的或者他們能輕易地完成困擾他們的本發(fā)明。
權(quán)利要求
一種用于納米管的連續(xù)的合成的剪切反應(yīng)器，包括反向可旋轉(zhuǎn)的隔開的同軸的葉輪/電極，所述葉輪/電極界定在所述葉輪/電極之間的空間，當(dāng)所述圓盤葉輪/電極反向旋轉(zhuǎn)時，所述空間包括剪切層；用于反向旋轉(zhuǎn)的設(shè)備，所述用于反向旋轉(zhuǎn)的設(shè)備連接到所述葉輪/電極；陽極充電設(shè)備，所述陽極充電設(shè)備用于使所述葉輪/電極作為陽極充電，所述陽極充電設(shè)備電連接到所述葉輪/電極；外圍的壁，所述外圍的壁圍住所述空間，所述外圍的壁包括通過其的至少一個開口，所述開口提供用于從所述外圍的壁的外側(cè)與所述空間相通的設(shè)備；用于供給源氣體的設(shè)備，所述用于供給源氣體的設(shè)備近似在所述圓盤葉輪/電極的旋轉(zhuǎn)軸處將源氣體供給到所述空間中，所述源氣體包括在所述空間內(nèi)沉積在逐漸形成的納米管端上的陽離子；提取設(shè)備，所述提取設(shè)備用于從所述空間中提取納米管，所述提取設(shè)備位于所述外圍的壁的外部，并且所述提取設(shè)備連接到在所述空間中逐漸形成的納米管；以及充電設(shè)備，所述充電設(shè)備用于使所述納米管的逐漸形成端作為陰極充電，所述逐漸形成端伸入所述空間。
2.如權(quán)利要求1所述的剪切反應(yīng)器，其中，所述源氣體包括在外部的反應(yīng)器中產(chǎn)生的 陽離子。
3.如權(quán)利要求1所述的剪切反應(yīng)器，其中，所述源氣體包括碳質(zhì)氣體。
4.如權(quán)利要求1所述的剪切反應(yīng)器，其中，所述源氣體包括蒸氣。
5.如權(quán)利要求1所述的剪切反應(yīng)器，其中，所述源氣體提供摻雜劑離子。
6.如權(quán)利要求1所述的剪切反應(yīng)器，其中，所述圓盤葉輪/電極包括通過其的開口，所 述開口提供用于使氣體退出所述空間的設(shè)備。
7.如權(quán)利要求1所述的剪切反應(yīng)器，其中，在所述外圍處的所述開口是在狹窄地隔開 的圓盤葉輪/電極之間的間隙，并且所述外圍的壁包括所述圓盤葉輪/電極的會聚的表面。
8.如權(quán)利要求1所述的剪切反應(yīng)器，其中，用于提取納米管的所述提取設(shè)備包括使所 述納米管暴露于臭氧。
9.如權(quán)利要求1所述的剪切反應(yīng)器，其中，所述外圍的壁是靜態(tài)的覆蓋壁，所述覆蓋壁 包括通過其的至少一個開口，所述開口用于從所述空間中提取納米管。
10.如權(quán)利要求9所述的剪切反應(yīng)器，其中，所述外圍的壁包括集中在所述開口上的至 少一個凹的漩渦反射體。
11.如權(quán)利要求10所述的剪切反應(yīng)器，其中，所述開口通過圓錐形的突起物從所述漩 渦反射體的中心延伸到所述空間。
12.如權(quán)利要求1所述的剪切反應(yīng)器，還包括用于摻雜的設(shè)備，所述用于摻雜的設(shè)備用 于通過在所述外圍的附近弓I入摻雜劑而摻雜逐漸形成的納米管。
13.如權(quán)利要求1所述的剪切反應(yīng)器，還包括維持設(shè)備，所述維持設(shè)備用于使納米管的 逐漸形成端維持在距離所述外圍的壁一定距離且在所述空間內(nèi)的形成區(qū)域內(nèi)。
14.如權(quán)利要求13所述的剪切反應(yīng)器，其中，所述維持設(shè)備包括連接到張緊卷軸的步 進電機。
15.如權(quán)利要求14所述的剪切反應(yīng)器，其中，所述維持設(shè)備包括傳感設(shè)備，所述傳感設(shè)備連接到所述步進電機，以響應(yīng)于所述逐漸形成端的位置而改變電機速度。
16.一種用于傳導(dǎo)性的納米管的優(yōu)先合成的方法，包括以下同時的步驟 在反向旋轉(zhuǎn)的陽極之間的形成區(qū)域中產(chǎn)生陽離子漩渦；使納米管管端作為陰極充電，所述管端放置在所述形成區(qū)域中；以及 從陽極軸退回所述納米管管端，以便使所述納米管的逐漸形成端維持在所述形成區(qū)域內(nèi)。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，還包括同時的步驟通過傳感設(shè)備控制退出的速度。
18.用于產(chǎn)生摻雜的納米管的裝置，包括反向可旋轉(zhuǎn)的隔開的同軸的葉輪/電極，所述葉輪/電極界定在所述葉輪/電極之間 的空間，當(dāng)所述圓盤葉輪/電極反向旋轉(zhuǎn)時，所述空間包括剪切層；用于反向旋轉(zhuǎn)的設(shè)備，所述用于反向旋轉(zhuǎn)的設(shè)備連接到所述葉輪/電極； 陽極充電設(shè)備，所述陽極充電設(shè)備用于使所述葉輪/電極作為陽極充電，所述陽極充 電設(shè)備電連接到所述葉輪/電極；外圍的壁，所述外圍的壁圍住所述空間，所述外圍的壁包括通過其的至少一個開口，所 述開口提供用于從所述外圍的壁的外側(cè)與所述空間相通的設(shè)備；用于供給源氣體的設(shè)備，所述用于供給源氣體的設(shè)備近似在所述圓盤葉輪/電極的旋 轉(zhuǎn)軸處將源氣體供給到所述空間中，所述源氣體提供用于沉積在逐漸形成的納米管端上的 陽離子；提取設(shè)備，所述提取設(shè)備用于從所述空間中提取納米管，所述提取設(shè)備位于所述外圍 的壁的外部，并且所述提取設(shè)備連接到在所述空間中逐漸形成的納米管；以及充電設(shè)備，所述充電設(shè)備用于使所述納米管的逐漸形成端作為陰極充電，所述逐漸形 成端伸入所述空間。
19.如權(quán)利要求18所述的裝置，其中，在所述源氣體中不存在摻雜劑，但是，在所述逐 漸形成的納米管端的最接近的附近，摻雜劑被引入到所述空間中。
20.如權(quán)利要求19所述的裝置，其中，摻雜劑在所述逐漸形成端的最接近的附近從所 述空間被提取，以防止摻雜劑沉積在所述逐漸形成的納米管端上。
全文摘要
通過漩渦沉積的連續(xù)的納米管合成在軸向地供給的剪切反應(yīng)器中進行，所述反應(yīng)器包括同軸的反向旋轉(zhuǎn)的圓盤葉輪/電極，所述圓盤葉輪/電極作為陽極被充電。作為陰極被充電的納米管的逐漸形成端指向陽極旋轉(zhuǎn)軸，并且伸入到在陽極之間的空間。
文檔編號B82B3/00GK101980950SQ200980110846
公開日2011年2月23日 申請日期2009年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月7日
發(fā)明者W·H·麥卡欽, 大衛(wèi)·J·麥卡欽 申請人:麥卡欽公司