一種合成碳納米管陣列的v型火焰燃燒器的製作方法

2023-07-07 00:43:21

專利名稱：一種合成碳納米管陣列的v型火焰燃燒器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於碳納米管合成技術領域，特別涉及一種合成碳納米管陣列的V型 火焰燃燒器。
背景技術：
碳納米管(Carbon Nanotube，CNT)是由一層或者多層石墨按照一定螺旋角捲曲而 成的、直徑為納米級的管狀納米材料。碳納米管準一維納米新型碳材料具有獨特的電學、化 學和機械性能。研究表明CNT的強度約為鋼的100倍，而密度卻只有鋼的六分之一。CNT的 電阻為4. 2 190k Ω / μ m，其軸向熱導率高達6600W/ (m · K)，比金屬的熱導率高出1個數 量級，與迄今為止導熱性最好的材料金剛石相當；CNT具有豐富電子結構，是下一代微電子 技術最有希望的元器件之一。但是自由生長的碳納米管雜亂無章、相互纏繞，限制了碳納米 管的應用開發，特別是在器件化方面的應用。而定向碳納米管陣列在場發射、電極材料、超 級電容、傳感器等方面顯示了較好的性能，是製造基於碳納米管的場發射平板顯示器的關 鍵技術。因此，實現碳納米管陣列的高效、連續批量、低成本合成成為碳納米管應用的關鍵。目前對於碳納米管陣列的合成法代表性研究主要有下面一些解思深等(LiW Z, Xie S S, Qian L X，et al. Science，1996，274 1701 1703) 提出利用孔道限制CNT取向的方法製備了碳納米管陣列。他們通過採用溶膠凝膠的方法， 將鐵催化劑顆粒分散到正矽酸乙酯水解形成的凝膠中，然後通入乙炔氣體，並採用控制溫 度為700°C的化學氣相沉積過程，分散在孔道中的納米級的鐵催化劑顆粒在一合適的溫度 窗口內催化合成碳納米管並通過孔道限位，使CNT取向生長，從而獲得長徑比很大的碳納 米管陣列。Ren 等(Ren Z F, HuangZ P, Xu Jff, et al. Science，1998，282 (5391) 1105 1107)提出的方法首先在玻璃基板上濺射上一層15nm 60nm的鎳膜，再經過氨氣的刻蝕 獲得分散的催化劑顆粒，然後以乙炔為碳源通過等離子體增強化學氣相沉積，在660°C下制 備出垂直於玻璃表面的定向多壁碳納米管陣列。等離子的誘導對CNT的定向生長起到了促 進作用。範守善等(Melechko A V, MerkulovV I，McKnightT E, et al. JournalofApplied Physics, 2005,97 (4) :104 130)首次利用薄膜催化熱化學氣相沉積成功製備了多壁碳納 米管陣列，該法首先用電化學腐蝕單晶矽片獲得多孔矽，然後在多孔矽表面通過電子束蒸 鍍獲得5nm的鐵催化劑膜，經空氣氣氛退火形成催化劑顆粒後，以乙炔為碳源，反應溫度為 700°C，在熱化學氣相沉積爐中生長出了垂直於基板表面的多壁碳納米管陣列。但以上合成碳納米管陣列的方法大都採用化學氣相沉積方法，且所採用設備均較 為昂貴，反應步驟較為複雜。迄今為止，尚沒有高效、連續批量、低成本合成碳納米管陣列的 方式。本實用新型在2006年孫保民、趙惠富(專利號PNCN1830770-A)提出的V型和圓錐 型熱解火焰合成碳納米管的燃燒器及合成方法基礎上提供了一種V型火焰合成碳納米管 陣列的V型火焰燃燒器。實用新 型內容本實用新型針對現有碳納米管合成所用設備昂貴，反應步驟較為複雜的問題，提 出一種高效、連續批量、低成本合成碳納米管陣列的V型火焰燃燒器。本實用新型的V型火焰燃燒器包括V型等腰體、矩形中心管、外部火焰噴口、取樣 基板，其特徵在於V型等腰體兩側設置為開口，底部與矩形中心管相接；外部火焰噴口與矩 形中心管左右側面平行放置；取樣基板按垂直於矩形中心管的方向置於V型等腰體中央。所述取樣基板為依次塗上緩衝塗層和催化劑塗層的拋光單晶矽片或石英片。所述緩衝塗層為單質鋁、催化劑塗層為單質鐵、單質鎳或單質鈷。本實用新型的有益效果本實用新型直接採用火焰作為熱源，提高了反應的加熱 速率及能量利用率，減少了反應時間及能源消耗。本實用新型提供的V型火焰燃燒器把火 焰加熱和碳納米管合成過程分開，從而避免了燃料中的富裕的碳源導致大量炭黑及納米膠 囊的產生，能夠高效地合成更高質量的碳納米管陣列。

圖1為本實用新型V型火焰燃燒器三維結構圖；圖2為本實用新型V型火焰燃燒器原理示意圖；圖中標號1-V型等腰體；2-矩形中心管；3-外部火焰噴口 ；4-取樣基板；5-火 焰；6-可燃預混氣體；7-反應物混合氣體；
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例對本實用新型的具體實施方式
做進一步詳述實施例1 本實用新型所述一種V型火焰燃燒器主要由V型等腰體1、矩形中心管2、外部火 焰噴口 3、取樣基板4組成；V型等腰體1兩側設置為開口，底部與矩形中心管2相接；外部 火焰噴口 3與矩形中心管2左右側面平行放置(圖1、圖2)；在拋光單晶矽片或石英片表面 通過磁控濺射，依次鍍一層20 50nm的鋁Al及5 IOnm的鐵Fe，製成取樣基板；將取樣 基板按垂直於矩形中心管的方向置於V型等腰體中央。利用本實用新型所述V型火焰燃燒器合成碳納米管陣列，操作步驟為(1)首先，將V型火焰燃燒器點火，乙炔和氧氣組成的可燃預混氣體從V型體外部 火焰噴口噴出，並穩定燃燒，對V型口進行加熱，為碳納米管陣列的合成提供高溫熱源；通 過調節燃氧比來調節火焰燃燒的劇烈程度，從而改變V型口取樣區溫度(550 700°C)；(2)其次，向矩形中心管通入甲烷、氫氣和氮氣，為碳納米管陣列的合成提供碳 源；(3)最後，將取樣基板放於燃燒器的V型出口處，加熱3 5min後取下，得到碳納 米管陣列。
權利要求1.一種V型火焰燃燒器，其特徵在於，所述燃燒器主要由V型等腰體(1)、矩形中心管 O)、外部火焰噴口(3)、取樣基板(4)組成；V型等腰體(1)兩側設置為開口，底部與矩形中 心管( 相接；外部火焰噴口( 與矩形中心管( 左右側面平行放置；取樣基板(4)按垂 直於矩形中心管O)的方向置於V型等腰體中央。
2.根據權利要求1所述一種V型火焰燃燒器，其特徵在於，所述取樣基板(4)為依次塗 上緩衝塗層和催化劑塗層的拋光單晶矽片或石英片。
3.根據權利要求2所述一種V型火焰燃燒器，其特徵在於，所述緩衝塗層為單質鋁、催 化劑塗層為單質鐵、單質鎳或單質鈷。
專利摘要本實用新型公開了屬於碳納米管合成技術領域的一種合成碳納米管陣列的V型火焰燃燒器。該V型火焰燃燒器由V型等腰體、矩形中心管、外部火焰噴口、取樣基板組成，V型等腰體兩側設置為開口，底部與矩形中心管相接，外部火焰噴口與矩形中心管左右側面平行放置，取樣基板按垂直於矩形中心管的方向置於V型等腰體中央。本實用新型的裝置直接採用火焰作為熱源，提高了反應的加熱速率及能量利用率，減少了反應時間及能源消耗。
文檔編號C01B31/02GK201914921SQ20102064171
公開日2011年8月3日 申請日期2010年11月29日 優先權日2010年11月29日
發明者孫保民, 許秉浩, 趙惠富, 郭永紅 申請人:華北電力大學