專利名稱：電極間距微調(diào)系統(tǒng)和使用該系統(tǒng)的電弧放電設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電極間距微調(diào)系統(tǒng)和使用該系統(tǒng)的電弧放電設(shè)備。
背景技術(shù)：
碳納米管是一種新型碳材料，由日本研究人員Iijima于1991年發(fā)現(xiàn)，請參見″Helical microtubules of graphitic carbon″，S Iijima，Nature，Vol.354，P56(1991)。碳納米管以其優(yōu)良的導(dǎo)電性能，完美的晶格結(jié)構(gòu)，納米尺度的尖端等特性而成為極具希望的場發(fā)射陰極材料，于場發(fā)射平面顯示器件、電真空器件、大功率微波器件等應(yīng)用領(lǐng)域有著廣闊的前景。
碳納米管的制備方法主要包括脈沖激光蒸發(fā)法、化學(xué)氣相沉積法和電弧放電法。脈沖激光蒸發(fā)法是利用脈沖激光的高能量蒸發(fā)含有金屬催化劑的石墨靶獲得碳納米管；化學(xué)氣相沉積法是用納米尺度的過渡金屬或其氧化物作為催化劑，在相對低的溫度下熱解含碳的源氣體來制備碳納米管；電弧放電法是利用純石墨或摻有金屬催化劑的石墨電極電弧放電獲得碳納米管。其中，電弧放電法是制備碳納米管材料的一種重要方法，因這種方法制備的碳納米管石墨化程度高，物理特性最好。
目前，電弧放電設(shè)備包括至少兩對應(yīng)的碳棒電極，以及用于控制兩碳棒電極間隙的位移調(diào)節(jié)裝置。電弧放電過程中，陽極頂端一部分碳原子在高溫(4000℃以上)下被蒸發(fā)汽化以及在陰極產(chǎn)生大量電子的轟擊下，產(chǎn)生大量活性碳粒子和中性碳粒子并進入電弧放電區(qū)域，各種粒子之間重復(fù)發(fā)生碰撞進一步生成碳離子和活性碳粒子，并在陽極、陰極和電弧放電設(shè)備內(nèi)壁上沉積一層煙灰，其包括碳納米管或富勒烯等。所以，陽極的碳棒在電弧放電過程中將不斷消耗，兩電極的間隙將不斷變化。
在電弧放電制備碳納米管的實驗中，電壓和氣體壓力是最重要的兩項制程參數(shù)，其中影響電壓的最大因素是兩電極頂端的距離。為使電弧放電的電壓保持于一定范圍內(nèi)，需通過位移調(diào)節(jié)裝置于電弧放電過程中調(diào)節(jié)兩電極的間隙。
請參閱圖1，2003年2月12日公告的第02224490.5號中國專利中揭露一種電弧放電設(shè)備10，其包括一真空室1，設(shè)置在該真空室1內(nèi)的一陽極4和一盤狀的陰極5。其中，該陽極4由一陽極支架2和與該陽極支架2相連的一陽極移動臂3所支撐；該陰極5由一陰極支架6支撐，該陽極4設(shè)在該陰極5的上方，且該陽極4的下端與盤狀的陰極5相對應(yīng)。陽極支架2和陰極支架6的下端分別設(shè)置有陽極轉(zhuǎn)動手柄9和陰極轉(zhuǎn)動手柄8。該設(shè)備通過手動調(diào)節(jié)陽極轉(zhuǎn)動手柄9或陰極轉(zhuǎn)動手柄8來控制該陽極4與該陰極5的間距，使電弧放電保持一定的電壓。但是，該陽極4與該陰極5的間距會不斷變化，因此必須由人工監(jiān)視電壓表，并不斷以手動微調(diào)碳棒間距，有時實驗時間長達數(shù)十分鐘，所以，該設(shè)備不利于操作人員的實際操作，且容易出現(xiàn)碳納米管生長不均勻的問題。
另外，現(xiàn)有的電弧放電設(shè)備還有采用在兩碳棒電極任一端連接手動的位移調(diào)節(jié)設(shè)備，用于控制兩電極之間的電壓。該設(shè)備同樣出現(xiàn)需長時間手動操作，且容易出現(xiàn)碳納米管生長不均勻的問題。
有鑒于此，提供一種可以自動準(zhǔn)確控制電極間距，使電弧放電的電壓保持穩(wěn)定的電極間距微調(diào)系統(tǒng)和使用該系統(tǒng)的電弧放電設(shè)備實為必要。

發(fā)明內(nèi)容以下，將以若干實施例說明一種可以自動準(zhǔn)確控制電極間距，使電弧放電的電壓保持穩(wěn)定的電極間距微調(diào)系統(tǒng)。
以及通過這些實施例說明一種可以自動準(zhǔn)確控制電極間距，使電弧放電的電壓保持穩(wěn)定的電弧放電設(shè)備。
為實現(xiàn)上述內(nèi)容，提供一種電極間距微調(diào)系統(tǒng)，其包括兩相對應(yīng)的電極，其中至少一電極可移動；一用于測量該兩電極間隙電壓差值的電壓感測器；一與該電壓感測器相連接的控制器，用于將電壓訊號轉(zhuǎn)換成距離訊號；至少一與該控制器相連接的驅(qū)動裝置，其與該可移動電極相連接，用于控制該可移動電極根據(jù)該距離訊號移動相應(yīng)的距離。
該驅(qū)動裝置包括一伺服馬達和一與該伺服馬達的齒輪機構(gòu)連接的螺桿，該螺桿與該可移動電極相連接。
以及，提供一種電弧放電設(shè)備，其包括一反應(yīng)器；兩設(shè)于該反應(yīng)器內(nèi)部側(cè)壁的電極，其頂端相互對應(yīng)，且其中至少一電極可移動；一電源連接該兩電極，用于使該兩電極之間產(chǎn)生電弧放電；一用于測量該兩電極間隙電壓差值的電壓感測器；一與該電壓感測器相連接的控制器，用于將電壓訊號轉(zhuǎn)換成距離訊號；至少一與該控制器相連接的驅(qū)動裝置，其與該可移動電極相連接，用于控制該可移動電極根據(jù)該距離訊號移動相應(yīng)的距離。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本技術(shù)方案的電極間距微調(diào)系統(tǒng)通過即時監(jiān)控該兩電極間隙電壓(制程電壓)值，回饋于控制器，然后下指令給驅(qū)動裝置(伺服馬達和螺桿)進行兩電極間距的微調(diào)，用于控制該間隙電壓于一定值。所以，本技術(shù)方案的電極間距微調(diào)系統(tǒng)能即時控制兩電極間隙電壓于一定值，使兩電極的電弧放電穩(wěn)定。采用該系統(tǒng)的電弧放電設(shè)備自動化程度高，有利于提高其碳納米管產(chǎn)品品質(zhì)。

圖1是第02224490.5號中國專利的電弧放電設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是第一實施例的電極間距微調(diào)系統(tǒng)示意圖。
圖3是第一實施例的電極間距微調(diào)系統(tǒng)中伺服馬達、螺桿與兩電極的連接結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是第一實施例的電極間距微調(diào)系統(tǒng)的工作流程示意圖。
圖5是第二實施例的電弧放電設(shè)備示意圖。
具體實施方式下面將結(jié)合附圖和實施例對本技術(shù)方案作進一步的詳細說明。
請參閱圖2，第一實施例的電極間距微調(diào)系統(tǒng)20，其主要包括兩相對應(yīng)的陽極23和陰極24，一電壓感測器27，一控制器28，一驅(qū)動裝置(未標(biāo)示)，本實施例該驅(qū)動裝置包括一伺服馬達(Servo Motor)29和一滾珠螺桿(BallScrew)(圖未示)。
該陽極23和陰極24設(shè)于一反應(yīng)器21內(nèi)部，該陽極23與位于反應(yīng)器21底部的支撐體25相連接，該陰極24與設(shè)于該反應(yīng)器21頂部的支撐體26相連接。該兩電極23、24分別與支撐體25、26電絕緣。本實施例中該陰極24和支撐體26可移動，該陽極23和支撐體25固定于反應(yīng)器21。該兩電極23、24都為碳棒電極，其間距保持適當(dāng)距離。
該陰極24與陽極23外接一電源(圖未示)，用于提供一固定電流使該兩電極23、24產(chǎn)生電弧放電，本實施例該電源的工作電流為70A。
該電壓感測器27與該陰極24和陽極23相連接，其用于測量該兩電極23、24間隙的電壓，該電壓即該兩電極23、24在產(chǎn)生電弧放電形成通路時在該兩電極23、24之間產(chǎn)生的電壓差，也稱制程電壓。該電壓感測器27還具有發(fā)出所測電壓差值的功能。
該控制器28與該電壓感測器27相連接，其用于將電壓感測器27發(fā)出的電壓訊號轉(zhuǎn)換成距離訊號。
該伺服馬達29與該控制器28相連接，其用于將控制器28發(fā)出的距離訊號進行處理，最后通過該伺服馬達內(nèi)部的齒輪機構(gòu)(圖未示)輸出距離。該伺服馬達29除該齒輪機構(gòu)外還包括一直流馬達(圖未示)、一反饋可調(diào)電位器(圖未示)和一電子控制板(圖未示)。
該滾珠螺桿(圖未示)與該伺服馬達29的齒輪機構(gòu)相連接，該滾珠螺桿(圖未示)與該支撐體26相連接，用于移動與該支撐體26連接的該陰極24，使其與陽極23保持適當(dāng)距離。
電極間距微調(diào)系統(tǒng)20的工作原理是通過電壓感測器27即時監(jiān)控制程電壓值，回饋于控制器28，然后下指令給伺服馬達29進行該兩電極23、24間距的微調(diào)，使該兩電極23、24間隙的電壓保持一定值。
下面結(jié)合圖3和圖4進一步詳細說明伺服馬達29和滾珠螺桿(圖未示)的連接結(jié)構(gòu)和整個電極間距微調(diào)系統(tǒng)20的工作流程。
如圖3所示，該伺服馬達(圖未示)內(nèi)部的直流馬達291與齒輪機構(gòu)292相連接。該滾珠螺桿包括一螺桿本體301、一固定于螺桿本體301的第二齒輪302和一與螺桿本體301配套的螺母303，其可以于螺桿本體301上移動。該第二齒輪302與該齒輪機構(gòu)292相齒合。該螺母303與該支撐體26相連接。在該齒輪機構(gòu)292的帶動下該第二齒輪302發(fā)生轉(zhuǎn)動，同時該螺桿本體301亦發(fā)生轉(zhuǎn)動，該螺桿30的轉(zhuǎn)動能使該螺母303向該陽極23方向轉(zhuǎn)動，并帶動該支撐體26和該陰極24向該陽極23方向移動，使陰極24與陽極23的間距保持適當(dāng)距離。
如圖4所示，該電極間距微調(diào)系統(tǒng)20的工作流程為流程100，測量該兩電極23、24間隙的電壓變化差值。當(dāng)電弧放電進行到一定時間，兩電極23、24的間距隨著電極消耗而變大，兩電極23、24的電壓亦隨著改變。通過電壓感測裝置27測量電壓變化差值Δv。電壓感測裝置27將測得的電壓變化差值Δv傳送給該控制器28。
流程200，將電壓變化差值Δv轉(zhuǎn)換成電極移動值Δd。此流程主要由該控制器28完成。該控制器28內(nèi)設(shè)置有一實驗數(shù)據(jù)庫，用于存儲Δv與Δd之間的換算關(guān)系。該控制器28將所得的Δd值傳送給該伺服馬達29。
流程300，由伺服馬達29和滾珠螺桿將電極移動Δd。由于伺服馬達29是通過齒輪機構(gòu)292與滾珠螺桿來移動電極，因此直流馬達291的輸出與實際電極移動的距離存在一固定比例，所以需先算出馬達實際旋轉(zhuǎn)的角度，再經(jīng)由齒輪比(Gear Ratio)和滾珠螺桿比(Ball Screw Scale)來進行換算，最后實現(xiàn)實際電極移動的距離為Δd。
上述三工作流程，在整個電弧放電過程中，可以自動循環(huán)完成。
可以理解的是，本實施例的控制器28和伺服馬達29必須進行實驗前的各種參數(shù)設(shè)定。本實施例的滾珠螺桿亦可以采用一般的螺桿。該電極間距微調(diào)系統(tǒng)20的驅(qū)動裝置除伺服馬達和螺桿外，還可以采用其它設(shè)備，只要其能滿足將距離訊號轉(zhuǎn)換成實際電極位移的條件。
另外，根據(jù)本技術(shù)方案的精神，該電極間距微調(diào)系統(tǒng)除兩電極中一電極需固定，另一電極可移動的情況外，當(dāng)然可以采用該兩電極皆具有移動功能，據(jù)此電極間距微調(diào)系統(tǒng)需相應(yīng)作適當(dāng)改變，如通過兩驅(qū)動裝置與該兩電極相連接，控制器發(fā)送的距離訊號可以同時分兩份傳送給該兩驅(qū)動裝置或?qū)⒁环菥嚯x訊號輪流傳送給其中一驅(qū)動裝置。
請參閱圖5，第二實施例提供一種使用該電極間距微調(diào)系統(tǒng)的電弧放電設(shè)備50，包括一密閉反應(yīng)器51，一位于該反應(yīng)器51內(nèi)的陰極53和一與陰極53對應(yīng)的陽極54，該兩電極53、54分別通過支撐體55、52固定于該反應(yīng)器51兩內(nèi)側(cè)壁，其中，該支撐體55和陰極53能于反應(yīng)器51內(nèi)移動。該兩電極53、54皆為石墨棒電極。一電源59設(shè)置于該反應(yīng)器51外部，用于在該兩電極53、54之間提供一固定電流(70A)，使該兩電極53、54之間產(chǎn)生穩(wěn)定電弧放電。
該電弧放電設(shè)備50還包括一電極間距微調(diào)系統(tǒng)，其包括一用于測量該兩電極間隙電壓差值的電壓感測器57，其分別連接該兩電極53、54；一與該電壓感測器57相連接的控制器58，其用于將電壓訊號轉(zhuǎn)換成距離訊號；一與該控制器58相連接的驅(qū)動裝置56，其與該支撐體55相連接，用于推進該陰極53。該驅(qū)動裝置56可以采用伺服馬達和螺桿結(jié)構(gòu)，其具體連接方式可以參考上述實施例的電極間距微調(diào)系統(tǒng)20。
另外，該電弧放電設(shè)備50還包括一真空泵64，其與該反應(yīng)器51相連接，用于降低反應(yīng)器51內(nèi)的氣體壓強；一供氣系統(tǒng)，用于提供工作氣體(惰性氣體)，其包括一氣罐61，多個導(dǎo)氣管63和一閥門62，該多個導(dǎo)氣管63依次連接該氣罐61、閥門62和反應(yīng)器51，該閥門62可以開啟或關(guān)閉導(dǎo)氣管63向該反應(yīng)器51供氣。
使用時，需先由真空泵64將反應(yīng)器51抽真空；通入工作氣體；啟動電源59使該兩電極53、54間隙產(chǎn)生電弧放電；當(dāng)電弧放電放應(yīng)進行一定時間，制程電壓值發(fā)生變化，電壓感測器57即時監(jiān)控該制程電壓值，回饋于控制器58，然后下指令給驅(qū)動裝置56的伺服馬達和螺桿結(jié)構(gòu)進行微調(diào)，使制程電壓值保持一定值。
可以理解的是，該電弧放電設(shè)備采用的兩相對應(yīng)的電極都具有移動功能，據(jù)此電極間距微調(diào)系統(tǒng)需相應(yīng)作適當(dāng)改變，如通過兩驅(qū)動裝置與該兩電極相連接，控制器發(fā)送的距離訊號可以同時分兩份傳送給該兩驅(qū)動裝置或?qū)⒁环菥嚯x訊號輪流傳送給其中一驅(qū)動裝置。
本技術(shù)方案的電極間距微調(diào)系統(tǒng)通過即時監(jiān)控該兩電極間隙電壓(制程電壓)值，回饋于控制器，然后下指令給驅(qū)動裝置(伺服馬達和螺桿)進行兩電極間距的微調(diào)，用于控制該間隙電壓于一定值。所以，本技術(shù)方案的電極間距微調(diào)系統(tǒng)能即時控制兩電極間隙電壓于一定值，使兩電極的電弧放電穩(wěn)定。采用該系統(tǒng)的電弧放電設(shè)備自動化程度高，有利于提高碳納米管產(chǎn)品品質(zhì)。
權(quán)利要求
1.一種電極間距微調(diào)系統(tǒng)，其包括兩相對應(yīng)的電極，其中至少一電極可移動；一用于測量該兩電極間隙電壓差值的電壓感測器；一與該電壓感測器相連接的控制器，用于將電壓訊號轉(zhuǎn)換成距離訊號；至少一與該控制器相連接的驅(qū)動裝置，其與該可移動電極相連接，用于控制該可移動電極根據(jù)該距離訊號移動相應(yīng)的距離。
2.如權(quán)利要求1所述的電極間距微調(diào)系統(tǒng)，其特征在于該兩電極皆為碳棒電極。
3.如權(quán)利要求1所述的電極間距微調(diào)系統(tǒng)，其特征在于該電極間距微調(diào)系統(tǒng)進一步包括一電源，用于提供一固定電流使該兩電極之間產(chǎn)生電弧放電。
4.如權(quán)利要求1所述的電極間距微調(diào)系統(tǒng)，其特征在于該驅(qū)動裝置包括一伺服馬達以及一與該伺服馬達的齒輪機構(gòu)連接的螺桿，該螺桿用于連接該可移動電極。
5.如權(quán)利要求4所述的電極間距微調(diào)系統(tǒng)，其特征在于該伺服馬達包括一直流馬達、一反饋可調(diào)電位器、一電子控制板和一齒輪機構(gòu)。
6.如權(quán)利要求4所述的電極間距微調(diào)系統(tǒng)，其特征在于該螺桿包括滾珠螺桿。
7.如權(quán)利要求6所述的電極間距微調(diào)系統(tǒng)，其特征在于該滾珠螺桿包括一螺桿本體、一固定于螺桿本體的第二齒輪和一與螺桿本體配套的螺母，該螺母與該可移動電極相連接。
8.如權(quán)利要求7所述的電極間距微調(diào)系統(tǒng)，其特征在于該第二齒輪與該伺服馬達的齒輪機構(gòu)相齒合。
9.一種電弧放電設(shè)備，其包括一反應(yīng)器；兩設(shè)于該反應(yīng)器內(nèi)部側(cè)壁的電極，其頂端相互對應(yīng)，且其中至少一電極可移動；一電源連接該兩電極，用于使該兩電極之間產(chǎn)生電弧放電；其特征在于還包括一用于測量該兩電極間隙電壓差值的電壓感測器，一與該電壓感測器相連接的控制器，用于將電壓訊號轉(zhuǎn)換成距離訊號，至少一與該控制器相連接的驅(qū)動裝置，其與該可移動電極相連接，用于控制該可移動電極完成該距離訊號的移動值。
10.如權(quán)利要求9所述的電弧放電設(shè)備，其特征在于該兩電極皆為碳棒電極。
11.如權(quán)利要求9所述的電弧放電設(shè)備，其特征在于該驅(qū)動裝置包括一伺服馬達以及一與該伺服馬達的齒輪機構(gòu)連接的螺桿，該螺桿用于連接該可移動電極。
12.如權(quán)利要求11所述的電弧放電設(shè)備，其特征在于該伺服馬達包括直流馬達、反饋可調(diào)電位器、電子控制板和齒輪機構(gòu)。
13.如權(quán)利要求11所述的電弧放電設(shè)備，其特征在于該螺桿包括滾珠螺桿。
14.如權(quán)利要求13所述的電弧放電設(shè)備，其特征在于該滾珠螺桿包括一螺桿本體、一固定于螺桿本體的第二齒輪和一與螺桿本體配套的螺母，該螺母與該可移動電極相連接。
15.如權(quán)利要求14所述的電弧放電設(shè)備，其特征在于該第二齒輪與該伺服馬達的齒輪機構(gòu)相齒合。
16.如權(quán)利要求9所述的電弧放電設(shè)備，其特征在于該電弧放電設(shè)備進一步包括一連接于該反應(yīng)器的真空泵。
17.如權(quán)利要求9所述的電弧放電設(shè)備，其特征在于該電弧放電設(shè)備進一步包括一連接于該反應(yīng)器的供氣系統(tǒng)，其包括一氣罐，多個連接于該氣罐和該反應(yīng)器的導(dǎo)氣管和一連接該多個導(dǎo)氣管的閥門。
全文摘要
本發(fā)明提供一種電極間距微調(diào)系統(tǒng)和使用該系統(tǒng)的用于制備碳納米管的電弧放電設(shè)備。該系統(tǒng)包括兩相對應(yīng)的電極，其中至少一電極可移動；一用于測量該兩電極間隙電壓差值的電壓感測器；一與該電壓感測器相連接的控制器，用于將電壓訊號轉(zhuǎn)換成距離訊號；至少一與該控制器相連接的驅(qū)動裝置，其與該可移動電極相連接，用于控制該可移動電極根據(jù)該距離訊號移動相應(yīng)的距離。該驅(qū)動裝置包括一伺服馬達和一螺桿。該系統(tǒng)能即時控制兩電極電壓于一定值，使兩電極的電弧放電穩(wěn)定。
文檔編號H01T19/00GK1821066SQ200510033258
公開日2006年8月23日 申請日期2005年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月18日
發(fā)明者張俊毅 申請人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司, 鴻海精密工業(yè)股份有限公司