用於合成碳納米結構的電弧電極的製作方法
2023-07-05 21:06:41 1
專利名稱：用於合成碳納米結構的電弧電極的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於合成碳納米結構的電弧電極結構，以及利用其製造碳納米結構的方法。更具體地說，本發明涉及一種用來產生電弧等離子體放電、以便通過消耗含碳電極或通過化學氣相澱積(CVD)工藝來合成碳納米結構的電極裝置。可製得的碳納米結構包括單壁納米管(SWNT)、多層壁納米管(MWNT)、富勒烯(fullerene)、內含金屬的富勒烯(endohedralmetallofullerene)、碳納米纖維、以及其它含碳納米材料。
背景技術：
在相關領域中，利用在一個陽極和一個陰極之間的電弧放電來製造碳納米結構。例如，可參見的有1999年9月28日公開的日本專利11-263609；D.T.Colbert等人在1994年11月18目的科學雜誌(science magzine)第266卷上發表的「富勒烯納米管的生長和燒結(Growth and Sintering of fullereneNanotubes)」；Lowell D.Lamb等人在1993年大不列顛Elsevier Science有限公司出版的物理化學固體雜誌(Joumal of Phys.Chem.Solids)第54卷第12期第1635-143頁上發表的「富勒烯的製造(Fullerene Production)」；以及美國專利6,063,243。因為僅使用一個陽極和一個陰極，因此只能得到一個有限的電弧等離子體區。另外，這些電極包括彼此相對的平面。由於僅僅平的電極表面彼此相對，因此即使不是不可能，也很難控制電弧等離子體的方向和區域。因此，很難控制最終製得的碳納米結構。另外，在電弧等離子體區域之外的區域，溫度下降很快。由於電弧等離子體區域的尺寸有限，以及由於電弧等離子體區域外部的溫度低，反應物快速淬熄，而沒有進行熱退火。這種反應物的快速淬熄導致無定形碳和其它不需要的物質的大量產出，從而導致碳納米結構的產出率很低。因此，利用這些裝置和方法只能製得短的SWNT。
這種相關技術的陽極通常是其中混有催化劑的碳棒。具有低沸點或升華點的催化劑很容易從熱電極中跑出，因此利用不完全。
在炭黑生成過程中，炭黑通常沉積在電弧電極室的內壁上，於是必須被採集。正如Lamb等人在「富勒烯的製造」中所指出的，炭黑的採集存在著極大的健康風險。因此炭黑的採集必須小心地進行，而這意味著速度緩慢和高費用。因此炭黑的採集是一項艱苦的工作，特別是在大電極室中尤其如此。
最後，在傳統的電弧—化學氣相澱積裝置中，有機蒸氣通過不在該電極中心的入口被引入。也就是說，在該相關技術的結構中，氣態反應物被引入到電弧等離子體放電區域的旁邊。參見Ando等人於2000年6月23日在Elsevier Science B.V.的化學物理學小冊子323(Chemical Physics letters323)上發表的「利用電弧等離子體射流方法來大規模生產單壁碳納米管(Mass production of single-wall carbon nanotubes by the arc plasma jetmethod)」。因此，有機蒸氣沒有受到熱電極的預熱，並沒有被完全地和均勻地引入電弧等離子體區域，這將導致SWNT的產出率較低。並且，兩個電極都沒有被流動的有機蒸氣冷卻。而且，因為有機蒸氣從電弧等離子體區域的旁邊經過，因此既有相當量的有機蒸氣未被利用，也有相當一部分電弧等離子體區域未被充分利用。
在另一個典型的CVD裝置中，氣體通過一個由爐子加熱的旋轉管。然而，為了防止該管不被熔化，該過程只能在約1000℃下進行。因此由於溫度的限制，大量的(多達約90％的)氣體沒被利用或者被浪費了。因此，該過程效率非常低。
發明內容
本發明的一個目的就是解決上面所指出的現有技術中的問題。更具體地說，本發明的一個目的是提供一種電弧電極結構，以及有關的裝置，其解決了上面指出的現有技術中的問題。本發明的另一目的是提供一種用來高效地製造尤其是SWNT這樣的碳納米結構的電極結構，其中SWNT的產出率得到了提高。
本發明可使電弧等離子的方向和區域得到調節，從而可控制最終的產物。也就是說，由於本發明包括具有傾斜表面的環形電極，因此可容易地調節電弧等離子體的方向和區域。此外，由於該電極包括傾斜表面，因此它可以自動清潔。也就是說，否則將聚集在平的電極表面上的沉積物將從本發明電極的傾斜表面上滑落，由此清潔了該電極表面。另外，該電極的該傾斜表面上包括多個孔，這些孔用於容納催化劑，即使當催化劑達到其沸點或升華點時也如此。所述孔具有不同的深度，從而在電弧放電的整個持續時間內，催化劑可被連續地、均勻地分布在整個電弧等離子體區域內。
除了一個電極上的傾斜表面以外，本發明還包括多個與該第一電極傾斜表面相對設置的第二電極。設置至少兩個第二電極有利於電弧等離子體的方向和區域的可調性。第二電極布置得使它們的電弧結合成而產生更大的、更熱的電弧等離子體區域，這使得反應時間更長。更長的反應時間又導致更長的SWNT、以及其更高的產出率。
本發明的又一目的在於提供一種電弧電極結構，其使得碳納米結構很容易被收集和熱退火。第一電極中具有一個中心通孔。通孔連接到一個出口管上，出口管又與收集箱和泵相連。該泵通過中心孔將炭黑抽吸到收集箱內，從而炭黑不會沉積在電極室的內壁上。用這樣的方式，可容易地、安全地和快速地收集炭黑。另外，當通過熱電極的中心通孔抽吸炭黑時，炭黑被熱退火，由此完善了該納米結構。也就是說，當炭黑沿著該中心孔移動時，來自於電極的熱量可使反應時間更長，而這將製得更長的SWNT，並且可除去納米結構中的懸空鍵(dangling bond)。
可選地，該第一電極中心通孔可用來將有機蒸氣、氣體(包括惰性氣體)和催化劑引入電極室，而不是使用該中心通孔來從電極室中除去炭黑。也就是說，本發明的裝置可通過CVD、由氣體原料來製造碳納米結構，而不是通過分裂碳電極來製造。於是通過選取引入到電弧等離子體區的氣體，碳納米結構的類型和尺寸很容易得到控制。由於氣體通過在一個電極中的中心孔引入，所述氣體在到達電弧等離子體區之前得到預熱，由此提高了碳納米結構的產出率。類似地，氣體穿過電極的引入冷卻了該電極，由此提高了安全性和電極的使用壽命。另外，由於氣體通過該電極的中心引入，電弧等離子體區域位於中心通孔的上方，因此氣體必定通過電弧等離子體區，從而可利用更大部分的電弧等離子體區。通過如此引入有機蒸氣，未利用的氣體的量降低了，這又降低了碳納米結構的製造成本。
通過參照附圖對本發明優選實施例的詳細描述，本發明的上述和其他目的和優點將變得更加顯然，其中在所有這幾個視圖中，相同的附圖標記指代相同的或相應的部件。
圖1是本發明第一實施例的用於製造碳納米結構的一個室和電弧電極的示意圖；圖2是沿圖1的II-II線剖開的電弧電極的部分剖面示意圖；圖3是圖1所示的一個電弧電極的側面示意圖；圖4是本發明第二實施例的用於製造碳納米結構的一個室和電弧電極的示意圖；圖5是本發明第三實施例的用於製造碳納米結構的一個室和電弧電極的示意圖；具體實施方式
第一實施例圖1-3顯示出本發明的第一實施例。用於製造碳納米結構的裝置包括室1、第一電極20、或多個第二電極40、以及調整機構50。
室1包括包圍室內部5的壁2。壁2被構造成允許冷卻流體流過其中。冷卻流體可被引導通過冷卻流體入口4，並從冷卻流體出口8流出，以便冷卻該室內部5。另外，室1包括入口6和出口10，從而可在室內部5內形成氣體保護氣氛。氣體保護氣氛包括任何諸如，舉例來說，氦或氬這樣的惰性氣體。此外，氣體保護氣氛可包括氫氣或氫氣和惰性氣體的混合物，並通常在約300託至約760託的壓強下。氣體保護氣氛的具體組成成份取決於人們希望得到的碳納米結構的種類。另外，該室還包括一觀察窗12，從而用戶可以觀察到設置於室內部5中的第一電極20和一個或多個第二電極40。
第一電極20包括第一端部21、第二端部33、以及在所述兩端部之間沿縱軸31延伸的主體27。主體27具有設置於其中的中心盲孔29。也就是說，中心孔29不是從第一端部21到第二端部33貫穿整個第一電極20。通過安裝到第二端部33上的連接件14，第一電極20被連接到一電壓電位上，並被安裝在室內部5中。
第一端部21包括一朝著中心孔29傾斜的傾斜表面23。該傾斜表面23被設置成相對於縱軸31成角度θ。參見圖3。角度θ可以從約20°到約小於60°，但優選在約30°到約45°之間。角度θ應如此選定從而傾斜表面23可影響第一電極20的清潔，還可影響在第一電極20和該一個或多個第二電極40之間的電弧的形狀。
在碳納米結構的生產過程中，傾斜表面23有助於清潔第一電極20的第一端部21。也就是說，當在第一電極20和一個或多個第二電極40之間施加電壓時，沉積物傾向於形成在第一端部21上。然而，由於該傾斜表面23的存在，沉積物從第一端部21上滑落並滑進中心孔29中。當角度θ變大時，傾斜表面23變平，沉積物不會從其上滑落。
另外，傾斜表面23有助於形成由第一電極20和第二電極40產生的電弧的形狀。當使用兩個或多個第二電極40時，這也是優選的，傾斜表面23使得電弧等離子體的區域和方向可被調節從而可以控制最終產品。也就是說，當角度θ變小時，每個第二電極40的電弧等離子體區域更多地指向第一電極21的中心，較少的電弧等離子體區域位於第二電極40的端部上方，即，較少的電弧等離子體區域位於沿第一電極20的傾斜表面23徑向向外處。當來自於兩個或多個第二電極40的電弧等離子體區域指向第一電極21的中心時，由此多個電弧結合生成一個更大的、更熱的、並增加了反應時間的電弧等離子體區。因此，增加了碳納米結構的產出率和尺寸。當角度θ變大時，第一電極20的第一端部21變平並接近傳統技術的電極結構(即其θ＝90°)，此時即使不是不可能，也很難控制電弧等離子體的區域和方向。
另外，如圖2所示，傾斜表面23具有多個設置於其上的孔25。孔25容納有在碳納米結構的製造過程中所使用的催化劑。因為催化劑被容納在孔25中，因此很容易根據放電的不同而改變催化劑。也就是說，第一電極20在放電過程中不被消耗，因此孔25保持它們的形狀和容納催化劑的能力。因此，孔25隻需被清掃乾淨並充填新的催化劑。
每個孔25具有從約2mm至約10mm的深度，但優選為約5mm。如果孔25太深，催化劑會熔化並沉積在該孔的底部，於是不能被用於在第一電極20的傾斜表面23處的反應。因此，應選擇這樣的深度，從而即使當催化劑熔化或升華時，催化劑也可被保持在孔25中，並與傾斜表面23足夠接近，從而可被利用。
另外，當第一電極的第一端部21的直徑為約20cm，中心孔29的直徑為約4cm時，每個孔25具有從約3mm到約10mm的直徑。然而，優選地，每個孔25的直徑範圍為從約4mm至約8mm。如果每個孔25的直徑變得過大，則在傾斜表面23上不能形成足夠數量的孔，因此沒有足夠量的催化劑來用於反應。這對於增加中心孔29的、範圍為從約0cm至約6cm的直徑或者減少第一電極第一端部21的、範圍為從約5cm至約30cm的直徑來說同樣如此。而且，當孔25的直徑太大時，很難獲得孔25相對於第一電極20的表面面積的理想分布。
圖2示出的孔25具有相同的直徑，但是它們不必需如此。另外，不必每個孔25都具有相同的深度。實際上，優選的是孔25具有不同的深度，以便可從電弧放電開始直到第二電極40消耗完為止，連續地供給催化劑。也就是說，有些孔25較淺，因此催化劑很快就從此蒸發了，而其他的孔25則較深，因此催化劑蒸發得較慢，並持續較長的一段時間。重要的是孔25分布在整個傾斜表面23上，以便從電弧放電開始直到第二電極40消耗完為止，能通過蒸發連續地向電弧等離子體區供給催化劑。並且孔25越多，在電弧放電過程中就越容易實現這種連續的、均勻的催化劑供給。
儘管示出的第一電極20的橫截面為圓形，然而可以使用任何其他的截面形狀，如，舉例來說，橢圓形、矩形、正方形、五邊形、六邊形、八邊形等等。另外，在本實施例中，第一電極20由石墨製成(以承受電弧等離子體區在操作過程中約4000℃的溫度)並連接到負電壓電位，由此形成為陰極。
另外，在電弧放電過程中，第一電極20可旋轉。通過旋轉第一電極20，較容易在消耗第二電極40的整個時間內連續地供給催化劑，並且較容易均勻地將催化劑供給到電弧等離子體區域。也就是說，通過旋轉第一電極20，容納著催化劑的孔25移動穿過電弧等離子體區，並且在電弧等離子體區之外的一些孔25可進入並穿過電弧等離子體區。於是，催化劑可連續地和更均勻地分布在整個電弧等離子體區上。
一個或多個第二電極40設置在室1內，以便與第一電極20的傾斜表面23相對。當使用多個第二電極40時，可得到一個更大的和更熱的電弧等離子體區域。另外，電弧的匯聚或重疊使得電弧等離子體區的溫度更均勻。每個第二電極40包括第一端部41和第二端部42。第一端部41連接到調整機構50上，而第二端部42與傾斜表面23相對，以便在每個第二端部和傾斜表面23之間形成間隙47。由於第二電極40在電弧放電過程中消耗很快，並得到了與傾斜表面23大致平行的傾斜表面，因此可沿著垂直於傾斜表面23的直線從第二端部42的中心到傾斜表面23來測量間隙47。在該實施例中，第二電極連接到正電壓電位上，於是成為陽極。另外，在本實施例中，因為催化劑由第一電極20中的孔25提供，每個第二電極可由純碳製得。純碳棒比其中含有催化劑的碳棒便宜。當然，即使由第一電極20中的孔25供給催化劑，一個或多個第二電極40中也可包括催化劑。
調整機構50將第二電極40連接到室1上，並連接到一電壓電位上。調整機構50包括一個板52、螺紋柱54和螺母56。
板52安裝有第二電極40，從而第二電極可相對於彼此進行調節。也就是說，當使用兩個第二電極40時，它們間隔開一個距離45，並且該間距可調。由於第二電極安裝到板52上，因此該距離45是可調節的，從而它們可以在箭頭B的方向上朝著彼此移動或者彼此遠離。儘管本實施例中僅示出兩個第二電極40，然而可以使用任何數量的第二電極40。第二電極40數量的增加使得電弧等離子體區域的可能尺寸增加了，並提高了溫度，並因此增加了製得的碳納米結構的數量。並且當使用多於兩個的第二電極40時，板52包括一裝配結構，該結構允許每個第二電極40可相對於其他的第二電極40移動，從而每個第二電極40之間的距離45可調。在本發明的一個優選實施例中，距離45設定為約8cm，這促使電弧理想結合。當存在大量的第二電極40時，它們可設置在一個直徑長度等於距離45的長度的圓上。
另外，螺紋柱54安裝在板52上，並在室1內延伸並貫穿壁2。螺母56連接到螺紋柱54上，以便將板52以及由此將第二電極40安裝在室內部5中。螺母56和螺紋柱54使得第二電極可在箭頭A的方向上移動，以便調節間隙47的距離。螺母56既可手動調節也可由自動控制器(未示出)調節，以便相對於第一電極20來定位第二電極40。在本發明的優選實施例中，間隙47的距離可在從約2mm到約5mm的範圍內來設定，優選在從約2mm到約3mm的範圍內來設定。如果間隙47太大，則不能產生電弧，而如果間隙47太小，僅僅形成小的電弧等離子體區。再者，較大尺寸的電弧等離子體區得到較長的反應時間，而這又導致較大的碳納米結構以及這種結構的較高的產出率。
調整機構的結構對於本發明來說並不嚴格，並且可以是允許第二電極40連接到一電壓電位上的任何機構，以及允許調節第二電極40之間的距離45並可調節間隙47的機構。
現在將描述利用本發明該實施例來製造SWNT的優選操作。
由石墨製得並具有與縱軸31成約30°角θ的傾斜表面23的第一電極20設置於直徑約10mm的純碳第二電極40之下，從而不需要的沉積物被收集在中心盲孔29中。
傾斜表面23上的孔25填充有(通常到其頂部)催化劑，如，舉例來說，硫、磷、鎳、釔、鈷、或它們的混合物。催化劑的種類取決於要製造的碳納米結構的類型。例如，通過改變催化劑，可高效地製得下述碳納米結構的任何一種或多種單壁納米管(SWNT)；多層壁納米管(MWNT)；富勒烯(fullerene)、內含金屬的富勒烯(endohedral metallofullerene)、碳納米纖維；以及其它納米結構。對於SWNT的製造，用硫催化劑可製得較大直徑的管。該實施例的一個重要特徵在於，由於石墨第一電極20在其傾斜表面23上具有孔25，因此它容易向電弧等離子體區供給催化劑。也就是說，催化劑可被容易地引入孔25，其後，被方便地提供給電弧等離子體區。另外，由於第一電極20不被消耗，因此即使在電弧放電過程中，孔25也可保持其形狀。因此，即使達到催化劑的沸點或升華點以後，孔25也可保持催化劑；催化劑不會從第一電極20中跑出。
接著，向室內部5填充氣體保護氣氛，該氣體保護氣氛包括諸如氦或氬這樣的惰性氣體、諸如氫氣這樣的氣體、或它們的混合物。儘管可以使用任何一種惰性氣體，然而含有H2的氣氛趨於製得長度較長的SWNT，而含有He的氣氛趨於製得較短的SWNT(應指出的是為了製得富勒烯，必須使用He氣氛)。在室內部5中形成氣體保護氣氛以後，室入口6和室出口10上的閥關閉，以便保持約500託的H2靜態氣體保護氣氛。
第二電極40彼此相隔約8cm，這形成了具有較大電弧等離子體區的結合電弧。接著，把第一電極20和第二電極40設置成帶有約2mm至約3mm的間隙47而彼此相對。
此外，第一電極20連接到負電壓電位上，以用作陰極，而第二電極40連接到正電壓電位上，以用作陽極。接著，將約30至約35伏特之間的直流(DC)電壓和約200安培的電流施加到第一電極20和第二電極40上，由此通過電弧放電而產生電弧等離子體區。電弧放電進行約30分鐘到1小時以消耗完陽極。隨著第二電極40的消耗，調整機構50可被操作來使第二電極40向著第一電極20移動，以便維持在約30和約35伏特之間的電壓。電極40的消耗所產生的炭黑包括所需的碳納米結構，並位於室1的內壁3上。
在上述條件下，可達到約0.3至約1g/分鐘的炭黑生產率，其中SWNT的產出率大於50％重量百分比。製得的SWNT的直徑通常為約1.2至約1.8納米，長度大於約100微米。
儘管在上述對裝置的操作中描述了DC電壓，然而交流(AC)電壓也可用於本發明的裝置。另外，儘管優選約200安培的電流，也可使用從約100至約300安培的電流。
第二實施例在圖4中示出了本發明的第二實施例。與在第一實施例中所圖示和描述的元件相同的元件使用相同的附圖標記，因此，此處省略了對這種元件的描述。
在本發明的該實施例中，室1包括出口管16、收集箱18、以及泵19。出口管16連接到第一電極20和收集箱18上。收集箱18又連接到泵19上。另外，第一電極20包括一個中心孔29』，該中心孔延伸貫穿整個第一電極20，並連接到出口管16上。
於是，室5的內部與泵19相連通，從而通過開動泵19以產生從室內部5到收集箱18的流動，可很容易地將由在第一電極20和第二電極40之間電弧放電而製得的炭黑收集到收集箱18中。從室內部5的流出速率設定為足以防止顯著數量的炭黑聚集在內壁表面3上的值。在泵19從室內部5抽取炭黑和氣體時，室入口6使得相應量的氣體進入室內部5內，以便維持室內部5內的壓力。
於是，該實施例具有容易收集炭黑的優點。炭黑，包括副產物和所需的碳納米結構，被收集在收集箱18內，而不是沉積在收集室1的內壁表面3上。也就是說，由於在室1的內壁表面3上不會形成顯著數量的炭黑，因此不必進行費時的、昂貴的、並可能是不安全的炭黑收集過程。
本實施例的另一個優點是在碳納米結構與炭黑一起通過第一電極20的中心孔29』被抽出時，其被加熱退火。第一電極20由電弧放電加熱。第一電極第一端部21的表面達到約4000℃，而主體27隨著其延伸遠離該第一端部21而逐漸冷卻。因此，沿中心孔29』形成了溫度梯度。當炭黑被抽吸通過該溫度梯度時，炭黑中的碳納米結構可反應更長時間，並變得更完美。也就是說，當抽吸碳納米結構通過第一電極20的中心孔29』時，其得到了加熱退火，以便消除懸空鍵(dangling bond)。本發明該實施例形成的較長的反應時間也可獲得較長的納米管，並增加產出率。在內含金屬的富勒烯(metallofullerene)的製造中，這種較長的反應時間特別有益。在本發明的一個優選實施例中，中心孔29』約30cm以使碳納米結構加熱退火。
圖4顯示出設置於第二電極40之上的第一電極20，從而形成於第一電極20上的沉積物會滑落到室內部5的底部。在這樣的結構中，在第二電極40中包含約7.5％至約20％重量百分比的量的催化劑。但是第一電極20可以設置在第二電極40之下，於是象在第一實施例中一樣提供催化劑。用第一電極20供給催化劑的優點超過了收集到與所需的納米結構一起的不需要的電極沉積物的缺點，所述收集將發生在第一電極20位於第二電極40之下的情況下。
第三實施例在圖5中示出本發明第三實施例。與在第一和第二實施例中所圖示和描述的元件相同的元件使用相同的附圖標記，因此，此處省略了對這些元件的描述。然而，在該實施例中，碳納米結構由以氣態引入的碳成份構造而成。也就是說，本實施例是CVD(化學氣相澱積)過程。
該實施例的室1具有引入管16』和室出口10；室入口6不是必須的，但是如果需要也可包括在內。也就是說，引入管16』連接到第一電極20的中心通孔29』上，並向電弧等離子體區和室內部5提供氣體。相等量的氣體通過室出口10排出室1，以便在電弧放電過程中使室內部5內的壓力保持恆定。
碳納米結構正是由通過中心孔29』引入的氣體的成份製成或累積而成。也就是說，含有催化劑和碳納米結構原材料的氣體通過中心通孔29』供給到電弧等離子體區。在電弧等離子體區，將足夠能量施加給氣體，以便引起生成碳納米結構的反應。然而在氣體到達電弧等離子體區之前，它通過由電弧放電加熱的第一電極20的中心通孔29』。於是，在到達電弧等離子體區之前，該氣體得到了預熱。由於該氣體得到了預熱，可以得到更好的碳納米結構產出率。
氣體含有製造碳納米結構用的催化劑和原材料，因此，很容易控制碳納米結構的尺寸和製造。也就是說，所引入氣體的流率和濃度控制製得的納米結構的類型和量。例如該氣體可包括混有惰性氣體和催化劑的有機蒸氣。在這種裝置中有機蒸氣包括CH4、CH2＝CH2、CH≡CH、CH3CH2CH3中的任何一種或多種；而催化劑可包括單獨使用或結合使用的S、硫醇噻吩(thiol thiophene)、C10H10Fe、C10H10Ni或C10H10Co。另外，在該實施例中，由於氫氣清潔催化劑表面，所以內部室5具有含有H2的氣氛，從而增加了製得的碳納米結構的產出率。氫也可與有機蒸氣和催化劑一起引入。另外，內部室壓力約為1個大氣壓。
儘管在本實施例中，催化劑以氣態引入，催化劑也可象前面的實施例一樣包含在第一電極20或第二電極40中。也就是說，催化劑可以下述三種方式中的任一種或多種加入電弧等離子體區a)利用通過引入管16』引入的氣體加入；b)利用第一電極20中的孔25加入；或c)利用第二電極40加入。
另外，本發明的結構導致碳納米結構生產效率的提高。正如所指出的那樣，第一電極20的傾斜表面23可以控制電弧等離子體的方向和區域。由此，通過選取適當的角度θ、第二電極間距45和電極間隙47，可以在中心開口29』上方的整個大範圍內均勻地形成電弧等離子體區。於是，由於氣體通過第一電極20的中心引入，並且電弧等離子體區均勻地形成在中心開口29，上方，因此氣體由於整個電弧等離子體區的更完全的利用而被均勻地消耗。也就是說，由於氣體必須經過電弧等離子體區，因此只有很小量的通過中心孔29』引入的氣體未被消耗。而且，由於氣體通過具有4000℃溫度(比通常的CVD工藝的溫度高得多)的電弧等離子體區，本發明可得到比通常的CVD方法高得多的效率。於是，利用本發明該實施例，可高效地製得碳納米結構。
由於傾斜表面23允許對電弧等離子體區的控制，因此有可能僅僅使用一個第二電極40，儘管這不是優選的。也就是說，可以由一個第二電極40來控制電弧等離子體的方向和區域，以便這種電弧等離子體區位於中心開口29』之上方。然而，這種電弧等離子體區不如使用兩個或多個第二電極40所得到的電弧等離子體區大，於是，其碳納米結構的生產能力、產出率、質量不如在使用兩個或多個第二電極40時高。
在本實施例中，碳納米結構製造的主要來源是由氣體成份來形成的(儘管有些是靠消耗第二電極40而製得的)。因此，最好是第二電極40消耗較慢，以便延長電弧放電的時間，這又增加了用一組電極40製得的碳納米結構的數量。為了增加電弧放電的持續時間，第一電極20連接到一個正電壓電位上，以用作陽極，而第二電極40連接到負電壓電位上以用作陰極。也就是說，電壓電位與用在第一和第二實施例中的設置發生了轉換，以便使第二電極40的消耗減慢。
在該實施例中，與第一實施例類似，含有碳納米結構的炭黑沉積在室1的內壁表面3上。
可以預期的是，在不背離權利要求書中所限定的本發明的精神和範圍的前提下，可以對本發明的電弧電極裝置作出多種改進。
權利要求
1.一種電弧電極裝置，用於製造碳納米結構，包括室；第一電極，具有第一端部、第二端部、以及在所述第一端部和所述第二端部之間延伸的主體，所述第一電極設置在所述室內，並與正電位和負電位中的一個相連；以及至少兩個第二電極，每個都具有第一端部和第二端部，所述至少兩個第二電極設置在所述室內，並連接到第二電位上，所述第二電位是所述正電位和負電位中的另一個，其中所述至少兩個第二電極的所述第二端部被設置成與所述第一電極的所述第一端部相對，以便在每個所述第二電極和所述第一電極之間形成間隙，其中，所述第一電極和所述至少兩個第二電極中的至少一個含碳。
2.如權利要求1所述的電弧電極裝置，其中所述第一電極主體中具有中心孔，並限定出一個縱軸，而且其中，所述第一電極第一端部包括一個傾斜表面，該傾斜表面沿相對於所述縱軸傾斜的方向延伸，並且其中所述至少兩個第二電極的所述第二端部與所述傾斜表面相對設置，以便形成所述間隙。
3.如權利要求2所述的電弧電極裝置，其中所述中心孔是一個盲孔，該盲孔從所述傾斜表面延伸進所述第一電極主體內，以便形成一個底面。
4.如權利要求3所述的電弧電極裝置，其中所述第一電極設置在所述至少兩個第二電極之下，從而可將不需要的副產品收集到所述中心孔中。
5.如權利要求2所述的電弧電極裝置，其中所述傾斜表面具有多個形成於其中的孔。
6.如權利要求5所述的電弧電極裝置，其中所述多個孔包括深度不同的孔。
7.如權利要求2所述的電弧電極裝置，其中所述中心孔延伸貫穿整個所述第一電極，因此所述第一電極主體是空心的，所述電弧電極裝置還包括與所述中心孔連通的泵，以便通過所述中心孔將材料從所述室中抽出。
8.如權利要求7所述的電弧電極裝置，還包括設置在所述泵和所述中心孔之間的收集箱，以便接收通過所述中心孔抽出的材料。
9.如權利要求1所述的電弧電極裝置，還包括連接到所述第二電極第一端部並連接到所述室上的調整機構，以便所述第二電極可相對於彼此移動，並可相對於所述第一電極移動。
10.如權利要求1所述的電弧電極裝置，其中所述第一電極設置在所述至少兩個第二電極之下；所述第一電位為正，因此所述第一電極用作陽極，所述第二電位為負，因此所述至少兩個第二電極用作陰極；以及所述第一電極主體中具有中心孔，並限定出一個縱軸，所述中心孔延伸貫穿整個所述第一電極，因此所述第一電極主體為空心的，由此氣體可通過所述中心孔而引入所述室。
11.如權利要求1所述的電弧電極裝置，其中所述至少兩個第二電極彼此間隔開，並與所述第一電極間隔開，以便形成匯聚電弧。
12.如權利要求1所述的電弧電極裝置，其中所述第一電極安裝成可相對於所述至少兩個第二電極旋轉。
13.如權利要求1所述的電弧電極裝置，其中所述第一電極由石墨製成，所述至少兩個第二電極由碳製成。
14.一種電弧電極裝置，用於製造碳納米結構，包括室；第一電極，設置在所述室內，所述第一電極具有第一端部、第二端部、在所述第一端部和所述第二端部之間延伸的縱軸、以及具有沿著所述縱軸延伸的中心孔的主體，其中所述第一端部包括一個傾斜表面，該傾斜表面沿相對於所述縱軸傾斜的方向延伸，以及第二電極，設置在所述室內，並具有第一端部和第二端部，所述第二電極第二端部被設置成靠近所述傾斜表面，以便在其間形成間隙，其中，所述第一電極和所述第二電極中的至少一個含碳。
15.如權利要求14所述的電弧電極裝置，其中所述中心孔是一個盲孔，該盲孔從所述傾斜表面延伸進所述第一電極主體中，以便形成一個底面。
16.如權利要求15所述的電弧電極裝置，其中所述第一電極設置在所述第二電極之下，從而可將不需要的副產品沉積物收集到所述中心孔中。
17.如權利要求14所述的電弧電極裝置，其中所述傾斜表面具有多個形成於其中的孔。
18.如權利要求17所述的電弧電極裝置，其中所述多個孔包括深度不同的孔。
19.如權利要求14所述的電弧電極裝置，其中所述中心孔延伸貫穿整個所述第一電極，因此所述第一電極主體是空心的，所述電弧電極裝置還包括與所述中心孔連通的泵，以便通過所述中心孔將材料從所述室中抽出。
20.如權利要求19所述的電弧電極裝置，還包括設置在所述泵和所述中心孔之間的收集箱，以便接收通過所述中心孔抽出的材料。
21.如權利要求14所述的電弧電極裝置，還包括至少兩個所述第二電極。
22.如權利要求21所述的電弧電極裝置，還包括連接到所述第二電極第一端部並連接到所述室上的調整機構，因此所述第二電極可相對於彼此移動，並可相對於所述第一電極移動。
23.如權利要求21所述的電弧電極裝置，其中所述第一電極設置在所述至少兩個第二電極之下；所述第一電極連接到正電位上，因此所述第一電極用作陽極，所述至少兩個第二電極連接到負電位上，因此所述至少兩個第二電極用作陰極；以及所述第一電極主體中具有中心孔，並限定出一個縱軸，所述中心孔延伸貫穿整個所述第一電極，因此所述第一電極主體為空心的，由此氣體可通過所述中心孔而引入所述室內。
24.如權利要求21所述的電弧電極裝置，其中所述至少兩個第二電極彼此間隔開，並與所述第一電極間隔開，以便形成匯聚電弧。
25.如權利要求21所述的電弧電極裝置，其中所述第一電極安裝成可相對於所述至少兩個第二電極旋轉。
26.如權利要求14所述的電弧電極裝置，其中所述第一電極由石墨製成，所述第二電極由碳製成。
27.一種製造碳納米結構的方法，包括在具有多個壁的室內設置第一石墨電極和至少兩個第二碳電極，從而使所述至少兩個第二電極與所述第一電極隔著一間隙相對；向室內提供一種氣氛，所述氣氛包括惰性氣體和第一壓力；以及在所述至少兩個第二電極和所述第一電極之間提供一個電壓，從而在每個所述至少兩個第二電極和所述第一電極之間形成電弧，以製造碳納米結構，其中，所述設置步驟包括設置所述至少兩個第二電極，以便在提供所述電壓時，使所述電弧結合在一起。
28.如權利要求27所述的製造碳納米結構的方法，其中所述第一電極包括一個貫穿其中的孔，並且所述方法還包括提供通過所述孔的吸力，以便將所述氣體和碳納米結構抽出所述室，由此碳納米結構由來自於所述第一電極的熱量退火；向所述室供給氣體，以便將所述室保持在所述第一壓力。
29.如權利要求28所述的製造碳納米結構的方法，其中所述提供吸力的步驟包括提供一定大小的吸力，該大小的吸力可防止顯著數量的炭黑形成在所述壁上。
30.如權利要求27所述的製造碳納米結構的方法，其中所述第一電極包括一個貫穿其中的孔，並且所述方法還包括通過使有機蒸氣和催化劑穿過所述孔並穿過所述電弧，而將有機蒸氣和催化劑引入所述室，其中在所述有機蒸氣和催化劑通過所述電弧之前，由所述第一電極加熱所述催化劑和有機蒸氣。
全文摘要
一種用於製造碳納米結構的電弧電極結構，其包括設置在室內的一個第一電極以及兩個或多個第二電極。所述電極連接到一個電壓電位上以產生一個電弧等離子體區。第一電極具有一個傾斜表面，傾斜表面上有多個用於容納催化劑的孔。第一電極的傾斜表面、以及該多個第二電極的定位可以控制電弧等離子體的方向和區域。另外，第一電極具有一個中心孔，該中心孔可以是盲孔或通孔。盲孔收集由第一電極傾斜表面上滑落的不需要的沉積物。通孔或者可將炭黑和碳納米結構從室中取出，或者可將有機蒸氣引入室內。當通孔用來將有機蒸氣引入室內時，其引導蒸氣通過電弧等離子體區，從而通過CVD過程製成碳納米結構，而不是從碳電極上剝離。
文檔編號H01J37/32GK1479937SQ01820293
公開日2004年3月3日 申請日期2001年12月7日 優先權日2000年12月8日
發明者黃厚金, 志, 梶浦尚志, 史, 宮腰光史, 夫, 山田淳夫, 司, 白石誠司 申請人:索尼公司