碳納米管連續製備裝置的製作方法
2023-05-17 00:41:51 4
本發明涉及一種碳納米管連續製備裝置，屬於碳納米管技術領域。
背景技術：
納米管比人的頭髮絲還要細1萬倍，而它的硬度要比鋼材堅硬100倍。它可以耐受6500°F（3593℃）的高溫，並且具有卓越的導熱性能。納米管既可以用作金屬導電體，比金的導電性高得多，也可以用作製造電腦晶片所必須的半導體。納米管在極低的溫度下還具有超導性。
納米管的類別有：矽納米管、單壁碳納米管、雙壁碳納米管、多壁碳納米管、功能化多壁碳納米管、短多壁碳納米管、工業化多壁碳納米管、石墨化多壁碳納米管、大內徑薄壁碳納米管、鍍鎳碳納米管。隕石碳質晶體納米管。
在納米管應用於電腦運算的發展進程中，一個重要的裡程碑就是把納米管制造成電腦中所用的開關或電晶體。1998年，IBM公司所屬威特森研究中心的一個研究小組即以此為目標進行了研究。研究人員證明單個的納米管可以具有電晶體的作用，而且提高了其晶體的導電性能。
然而，應用於電腦運算也只是納米管展露其優越性的一個方面。人們可以把這些微型管粘合在一起，製成纖維或繩索，用作超導線纜，或者塑料及其他高級材料的超強加固劑。如果納米管具備極強的撓性、強度和恢復力，它們將可合成高性能的體育和航空材料。由於其強大的張力，它們具有彎而不折且能恢復原來形狀的特殊性能。
此外，納米管還可應用於最需要導熱性能的地方。例如，電動機如果採用納米管做散熱片，其中的塑料部件就不會被高溫所熔化。這種微型材料還可置入需要耐受極度高溫的材料之中，如飛機和火箭外部的嵌板等。美國國家航宇和宇航局期望將納米管置入從防熱層到太空衣等各種設施之中。
能源公司對納米管也刮目相看。納米管可以用來製造更小、更輕、效能更高的燃料電池，它還能夠用於貯存用作能源的氫氣。研究人員在平玻璃片或其他材料上把無數個納米管排列起來，讓它們看起來像一片收割的整齊麥田。日本的NEC和韓國的三星公司準備將這種由納米管組成的「田野」做成電視機的顯示屏，以取代電視機所採用的老式陰極射線管。
目前，碳納米管制備工藝主要有電弧放電法、鐳射燒蝕法以及化學氣相沉積法。其中，化學氣相沉積法以其工藝簡便、成本低、納米管可控、長度大、收集率高等特點得到廣泛研究與應用。化學氣相沉積法主要是運用納米尺度的過度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氣源來製備碳納米管的。
傳統的碳納米管制備裝置中，襯底是不透氣的，當反應氣體通入時，與催化劑薄膜接觸，可以在其表面生長碳納米管，隨著碳納米管逐漸增厚，催化劑薄膜逐漸被完全淹沒，被淹沒的催化劑薄膜不能再與反應氣體接觸，起不到催化劑的作用，導致碳納米管無法繼續生長。一般當碳納米管生長至約1-2mm 後就會停止生長，這種情況下，使得碳納米管不能連續生長和垂直向下生長，生長效率較低，而且一般的製備裝置在製備碳納米管和出料時，碳納米管會附著在反應腔和出料管內壁。
中國發明專利說明書CN 103569998 A公開這樣一種碳納米管制備裝置，包括：一反應腔，所述反應腔內設置有：至少一個進氣管，每個進氣管上設有多個進氣孔；基片承載盤；至少一個出氣管，每個出氣管上設有多個出氣孔；其中，所述基片承載盤位於所述進氣管和所述出氣管之間，每個進氣管和每個出氣管可拆卸的安裝在所述反應腔中。但是這種製備裝置在製備碳納米管和出料時，碳納米管會附著在反應腔和出料管內壁。
中國實用新型專利說明書CN 205045828 U公開這樣一種碳納米管的生產裝置，包括臥式反應腔、石英反應管、石英舟、加熱裝置、溫控櫃，所述石英反應管位於所述臥式反應腔內，所述加熱裝置位於所述臥式反應腔的上方，所述溫控櫃位於所述臥式反應腔的下方，該生產裝置還包括超聲振蕩器、微孔過濾器、氫氟酸洗池、高錳酸鉀反應器，所述超聲振蕩器與所述臥式反應腔相連，所述超聲振蕩器與所述微孔過濾器相連，所述微孔過濾器與所述氫氟酸洗池相連，所述氫氟酸洗池與所述高錳酸鉀反應器相連，所述高錳酸鉀反應器與所述乾燥器相連。但是這種製備裝置生產效率低，在製備碳納米管和出料時，碳納米管會附著在反應腔和出料管內壁。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是提供一種碳納米管連續製備裝置，該碳納米管連續製備裝置解決了碳納米管生長效率低、不能垂直連續生長以及在製備碳納米管和出料時碳納米管會附著在反應腔和出料管內壁的問題。
為了解決上述技術問題，本發明的碳納米管連續製備裝置包括反應腔，反應腔上端設有進料管，反應腔下端連接出料管，反應腔內水平設有基板，基板下表面設有催化劑薄膜，基板上設有若干個第一孔洞，催化劑薄膜上設有若干個第二孔洞，第一孔洞與第二孔洞貫通，反應腔內設有等離子發射器，反應腔外側連接第一加氣腔，第一加氣腔上端設有加氣口，第一加氣腔外圍設有加熱裝置，出料管外側連接第二加氣腔，第二加氣腔與第一加氣腔貫通連接，所述反應腔與出料管內壁均設有若干個噴氣嘴，反應腔內壁上的噴氣嘴的入氣口與第一加氣腔連接，出料管內壁上的噴氣嘴的入氣口與第二加氣腔連接。
所述第一通孔的直徑為30~120nm ；所述第二通孔的直徑為10~50nm。
所述基板材質為陶瓷。
所述反應腔底部呈凹形。
所述噴氣嘴的出氣口傾斜向下。
採用這種碳納米管連續製備裝置，具有以下優點：
1、由於基板下表面設有催化劑薄膜，基板上設有若干個第一孔洞，催化劑薄膜上設有若干個第二孔洞，第一孔洞與第二孔洞貫通，這樣碳源氣體可以通過第一孔洞流入催化劑薄膜第二通孔中，保證了碳納米管可以不斷連續生長，碳納米管的生長方向變為垂直向下生長，在重力的作用下，碳納米管會累加後從催化劑薄膜上脫落，從而起到了連續快速生長的效果，提高了碳納米管的生長效率；
2、由於反應腔內設有等離子發射器，這樣可以進一步碳源氣體的分解，使反應更加充分，進一步提高了碳納米管的生長效率；
3、由於反應腔與出料管內壁均設有若干個噴氣嘴，反應腔內壁上的噴氣嘴的入氣口與第一加氣腔連接，出料管內壁上的噴氣嘴的入氣口與第二加氣腔連接，這樣可以往加氣腔加入惰性氣體，然後從噴氣嘴噴出，避免了碳納米管附著在反應腔和出料管內壁上及堵塞出料管。
附圖說明
下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。
圖1是本發明的結構示意圖。
其中有：1. 反應腔；2. 進料管；3. 等離子發射器；4. 基板；4.1. 第一孔洞；5. 催化劑薄膜；5.1. 第二孔洞；6. 碳納米管；7. 噴氣嘴；8. 第一加氣腔；9. 加氣口；10. 出料管；11. 第二加氣腔；12. 加熱裝置。
具體實施方式
圖1所示碳納米管連續製備裝置，包括反應腔，反應腔上端設有進料管，反應腔下端連接出料管，反應腔內水平設有基板，基板下表面設有催化劑薄膜，基板上設有若干個第一孔洞，催化劑薄膜上設有若干個第二孔洞，第一孔洞與第二孔洞貫通，反應腔內設有等離子發射器，反應腔外側連接第一加氣腔，第一加氣腔上端設有加氣口，第一加氣腔外圍設有加熱裝置，出料管外側連接第二加氣腔，第二加氣腔與第一加氣腔貫通連接，所述反應腔與出料管內壁均設有若干個噴氣嘴，反應腔內壁上的噴氣嘴的入氣口與第一加氣腔連接，出料管內壁上的噴氣嘴的入氣口與第二加氣腔連接。
所述第一通孔的直徑為30~120nm ；所述第二通孔的直徑為10~50nm。
所述基板的材質為陶瓷。
所述反應腔底部呈凹形。
所述噴氣嘴的出氣口傾斜向下。
反應時，通過進料管通入碳源氣體，碳源氣體可以通過第一孔洞流入催化劑薄膜第二通孔中，接著流到催化劑薄膜下表面，由於催化劑薄膜的下表面暴露能夠與碳源氣體接觸，使得碳納米管的生長方向沿著催化劑下表面方向，並在重力作用下，提高了碳納米管的生長效率。並在重力作用下自動脫落。由於反應腔內設有等離子發射器，這樣可以進一步碳源氣體的分解，使反應更加充分，進一步提高了碳納米管的生長效率。由於反應腔與出料管內壁均設有若干個噴氣嘴，反應腔內壁上的噴氣嘴的入氣口與第一加氣腔連接，出料管內壁上的噴氣嘴的入氣口與第二加氣腔連接，這樣可以往加氣腔加入惰性氣體，然後從噴氣嘴噴出，避免了碳納米管附著在反應腔和出料管內壁上及堵塞出料管。所述惰性氣體可以為氮氣。
本申請中沒有詳細說明的技術特徵為現有技術。上述實施例僅例示性說明本申請的原理及其功效，而非用於限制本申請。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本申請的精神及範疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本申請所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本申請的權利要求所涵蓋。