專利名稱：碳納米管制備方法和其設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種碳納米管制備方法和其設備，特別涉及一種使用電弧放電制備碳納米管的方法和其設備。
背景技術：
碳納米管是在1991年由Iijima在電弧放電的產物中首次發現的中空碳管，其發表在1991年出版的Nature 354，56。碳納米管以其優良的導電性能，完美的晶格結構，納米尺度的尖端等特性而成為極具希望的場發射陰極材料，在場發射平面顯示器件、電真空器件、大功率微波器件等應用領域有著廣闊的前景。
碳納米管的制備方法主要包括脈沖激光蒸發法、化學氣相沉積法和電弧放電法。脈沖激光蒸發法是利用脈沖激光的高能量蒸發含有金屬催化劑的石墨靶獲得碳納米管；化學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。
使用電弧放電法制備碳納米管的優點在于可大量制備碳納米管。其一般制備過程為抽真空后通入保護氣體，激活連接石墨電極的電源使陽極頂端溫度達到4000℃并發生電弧放電，陽極的頂端一部分被蒸發汽化，大量活性碳粒子和中性碳粒子產生并進入電弧放電區域，粒子之間重復發生碰撞進一步生成碳離子和活性碳粒子，并在陽極、陰極和電弧放電設備內壁上沉積一層煙灰，其包括碳納米管或富勒烯等。當石墨陽極包含有金屬催化劑粒子時，單壁碳納米管可大量生成。
為了提高使用電弧放電法制備碳納米管的純度，富士施樂公司KazunoriAnazawa，Hiroyuki Watanabe和Masaaki Shimizu等人在文章“High-PurityCarbon Nanotubes Synthesis Method by An Arc Discharging in Magnetic Field”，Applied Physics Letters.(2002)，Vol.81，No.4，p.739～p.741和第20040084297號美國專利申請中公布一種制備碳納米管的方法和其設備。
如圖4所示，其電弧放電設備30包括兩石墨電極31，32，其頂端互相對應；一電源(圖未示)用于提供適當電壓使該電極31，32之間(電弧放電區)能產生電弧放電；多個永久磁鐵33，34設置于電弧放電區四周形成至少一個具有重疊方向的電磁場，該電磁場產生的磁場方向一部分與電弧放電方向相平行；和一磁鐵致冷單元，其包括包覆該多個永久磁鐵33，34的散熱介質35和設置于該散熱介質35兩側的水循環冷卻管36，38。使用上述設備制備碳納米管過程中，當該電極31，32之間產生電弧放電時，可同時激活該多個永久磁鐵33，34使之產生一與放電電流方向相平行的電磁場。電弧放電產生的活性碳粒子和碳離子在該電磁場中可增加互相碰撞的機率，所以能生長更多的碳納米管，提高產品的純度和生產率。但是，上述設備的磁場為多個永久磁鐵產生，所以需預先設置具有預定磁通量密度的磁場，且制備過程中，不能根據實際情況控制磁場方向的變化。
有鑒于此，提供一種能于制備碳納米管過程中，可控制磁場方向并進一步提高產品純度和生產率的電弧放電設備，和使用該設備制備碳納米管的方法實為必要。
發明內容本發明的目的在于提供一種能在制備碳納米管過程中，可控制磁場方向并進一步提高產品純度和生產率的電弧放電設備。
本發明的另一目的在于提供一種使用該設備制備碳納米管的方法。
為實現本發明的目的，提供一電弧放電設備，其包括至少兩電極，其頂端互相對應；該電極為碳棒，其內含一絕緣層和一電磁鐵，該絕緣層使碳層與該電磁鐵電絕緣；第一電源連接該碳層，用于提供電壓使該多個電極之間能產生電弧放電；第二電源連接該電磁鐵，用于提供可變電壓使該多個電極之間產生一可變電磁場。
為實現本發明的另一目的，提供一碳納米管的制備方法，其包括以下步驟提供至少兩碳棒電極，其頂端互相對應，該電極內含一絕緣層和一電磁鐵，該絕緣層使碳層與該電磁鐵電絕緣；使該碳棒電極發生電弧放電；使該碳棒電極的電磁鐵產生可變電磁場；收集碳納米管。
與現有技術相比較，本發明使用的電弧放電設備由于在石墨電極內設置可獨立控制的電磁鐵，使電極間能產生一可變電磁場，所以能通過改變電磁場方向使碳粒子、碳離子或催化劑粒子在多個電極之間來回往返，增加碳粒子、碳離子或催化劑粒子的碰撞機會，提高產品純度和生產率；本發明的碳納米管制備方法由于采用上述設備可實現大量高純度碳納米管的制備。
圖1是本發明制備碳納米管的步驟流程圖。
圖2是本發明制備碳納米管電弧放電設備結構示意圖。
圖3是圖2電弧放電設備陽極局部放大示意圖。
圖4是先前技術備制備碳納米管的具有磁場結構的電弧放電設備結構示意圖。
具體實施方式下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。
請一并參閱圖2和圖3，本發明實施例的電弧放電設備，包括一密閉反應器20，其設有一進氣口23和一出氣口24，該出氣口24連接一真空泵(圖未示)；一陰極21和一陽極22，該兩電極分別通過支撐體25，26設置在反應器20兩側壁，該陰極21與陽極22的頂端表面相互對應。
其中，該陰極21為石墨棒結構，其內含一絕緣層212和一電磁鐵213，該絕緣層212使石墨層211與該電磁鐵213電絕緣，該石墨層211與支撐體25和一設置在同一側壁的電連接端27電連接，可通過該連接端27與第一電源負電極(圖未示)相連接；該電磁鐵213外接第二電源(圖未示)，并與支撐體25電絕緣。
其中，該陽極22為石墨棒結構，其內含一絕緣層222和一電磁鐵223，該絕緣層222使石墨層221與該電磁鐵223電絕緣，該石墨層221與支撐體26和一設置在同一側壁的電連接端28電連接，可通過該連接端28與第一電源正電極(圖未示)相連接；該電磁鐵223外接第二電源(圖未示)，并與支撐體26電絕緣。因陽極22為消耗電極，所以其頂端在不影響電磁場產生的條件下可留較長石墨層221。另外，可在該陽極22頂端的石墨層221蒸鍍或濺鍍一層Fe、Co、Ni或其合金的催化劑層，或在該陽極22頂端表層挖孔填入該催化劑。含有催化劑的陽極22可進一步加快反應速度并提高碳納米管產品的純度，如根據實驗參數的不同制備單壁碳納米管。
本實施例的第一電源為直流電源，其能使陰極21與陽極22之間產生電弧放電；第二電源為交流電源或射頻電源，其用于使電磁鐵213，223之間產生一可變電磁場。第一電源與第二電源各自獨立工作互不影響。
使用時，可通過控制第二電源來控制電弧放電區的活性碳離子和催化劑粒子，使上述粒子和碳粒子在高溫下互相碰撞；而且可進一步通過控制第二電源使磁場方向交互替換改變，從而控制活性碳離子和催化劑粒子在兩極間往返，增加活性碳離子、催化劑粒子和碳粒子相互碰撞的機會，從而提高碳納米管的純度和產出率。
可以理解的是，本發明電極的石墨層亦可采用活性碳或不定形碳材料，另，還可與密閉反應器20內設置多對同樣的電極，用于進一步提高碳納米管的產出率。
請一并參閱圖1和圖2，本發明使用上述電弧放電設備制備碳納米管的方法，其包括以下步驟步驟1提供一陰極21和一陽極22，該兩電極皆為石墨棒結構，其頂端互相對應，該兩電極內分別含有一絕緣層212，222和一電磁鐵213，223，該絕緣層212，222使石墨層211，221與該電磁鐵213，223電絕緣。另外還可在陽極22頂端的石墨層221蒸鍍或濺鍍一層Fe、Co、Ni或其合金的催化劑層，或在該陽極22頂端表層挖孔填入該催化劑。
步驟2使該陰極21陽極22之間發生電弧放電關閉電弧放電設備20的進氣口23；激活連接出氣口24的真空泵(圖未示)，抽真空至1×10-2Torr；引入氦氣或其它惰性氣體至100～200Torr；接通直流第一電源(圖未示)(電壓20～50V，電流60～120A)使該兩石墨棒電極之間形成穩定的電弧。
步驟3使該陰極21和陽極22內含的電磁鐵213，223產生可變電磁場在步驟2形成電弧放電同時，立即接通交流第二電源(圖未示)產生電磁場，并使該電磁場的磁通量密度達到10-5～1T；通過控制第二電源使磁場方向交互替換改變，從而控制活性碳離子和催化劑粒子在兩極間往返，增加活性碳離子、催化劑粒子和碳粒子相互碰撞的機會，從而提高碳納米管的純度和產出率。
步驟4在陰極頂端收集碳納米管本發明由于可控制磁場方向，所以可限制催化劑粒子的行進方向，在陰極21頂端沉積碳納米管。
可以理解的是，本發明碳納米管的制備方法可提供多對同樣的電極，用于進一步提高碳納米管的產出率。
本發明使用的電弧放電設備由于在石墨電極內設置一可獨立控制的電磁鐵，使電極間能產生一電磁場，所以，能通過控制電磁場方向增加碳粒子、碳離子或催化劑粒子的碰撞機會，提高產品純度和產出率，且該設備結構簡單；本發明的碳納米管制備方法由于采用上述設備可實現大量高純度碳納米管的制備。
權利要求
1.一種碳納米管的制備方法，其包括以下步驟提供至少兩碳棒電極，其頂端互相對應，該電極內含一絕緣層和一電磁鐵，該絕緣層使碳層與該電磁鐵電絕緣；使該碳棒電極發生電弧放電；使該碳棒電極的電磁鐵產生可變電磁場；收集碳納米管。
2.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于碳層為石墨、活性碳或不定形材料制成。
3.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于兩碳棒電極包括一陰極和一陽極，該陽極頂端的碳層蒸鍍或濺鍍一催化劑層或在該碳層挖孔填入該催化劑層。
4.如權利要求3所述的制備方法，其特征在于催化劑層為Fe、Co、Ni或其合金構成。
5.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于使該碳棒電極發生電弧放電包括以下步驟關閉電弧放電設備的進氣口；激活連接出氣口的真空泵，抽真空；引入惰性保護氣體；接通直流電源使該兩石墨棒電極之間形成穩定的電弧。
6.如權利要求5所述的制備方法，其特征在于抽真空達到的真空度為1×10-2Torr。
7.如權利要求5所述的制備方法，其特征在于引入惰性保護氣體達到的真空度為100～200Torr。
8.如權利要求5所述的制備方法，其特征在于保護氣體為氦氣。
9.如權利要求5所述的制備方法，其特征在于電磁場的磁通量密度達到10-5～1T。
10.一種制備碳納米管的設備，其特征在于包括至少兩電極，其頂端互相對應；該電極為碳棒，其內含一絕緣層和一電磁鐵，該絕緣層使碳層與該電磁鐵電絕緣；第一電源連接該碳層，用于提供電壓使該多個電極之間能產生電弧放電；第二電源連接該電磁鐵，用于提供電壓使該多個電極之間產生一電磁場。
11.如權利要求10所述的設備，其特征在于碳層為石墨或不定形材料制成。
12.如權利要求10所述的設備，其特征在于兩碳棒電極包括一陰極和一陽極，該陽極頂端的碳層蒸鍍或濺鍍一催化劑層或在該碳層挖孔填入該催化劑層。
13.如權利要求12所述的設備，其特征在于催化劑層為Fe、Co、Ni或其合金構成。
14.如權利要求10所述的設備，其特征在于第一電源為直流電源。
15.如權利要求10所述的設備，其特征在于第二電源為交流電源或射頻電源。
全文摘要
本發明涉及一種碳納米管制備方法和其設備。其制備方法包括提供至少兩碳棒電極，其頂端互相對應，該電極內含一絕緣層和一電磁鐵，該絕緣層使碳層與該電磁鐵電絕緣；使該碳棒電極發生電弧放電；使該電磁鐵產生可變電磁場；收集碳納米管。其設備包括至少兩電極，其頂端互相對應；該電極為碳棒，其內含一絕緣層和一電磁鐵，該絕緣層使碳層與該電磁鐵電絕緣；第一電源連接該碳層，用于提供電壓使該多個電極之間能產生電弧放電；第二電源連接該電磁鐵，用于提供可變電壓使該多個電極之間產生一可變電磁場。本發明的碳納米管的制備方法和其設備，均可產生一可變電磁場，所以能增加碳粒子、碳離子或催化劑粒子的碰撞機會，提高產品純度和生產率。
文檔編號B82B3/00GK1765735SQ20041005203
公開日2006年5月3日 申請日期2004年10月28日 優先權日2004年10月28日
發明者顏士杰 申請人:鴻富錦精密工業(深圳)有限公司, 鴻海精密工業股份有限公司