使用氣體預熱法的低溫cnt生長的製作方法

2023-05-31 16:49:41

專利名稱：使用氣體預熱法的低溫cnt生長的製作方法
技術領域：
本發明一般地涉及連續合成碳納米管的系統、方法和設備。背景碳納米管(CNT)顯示出令人印象深刻的物理性質。最強的CNT具有高碳鋼的大約八倍的強度、六倍的韌性(即楊氏模量)，和六分之一的密度。因此，研發具有這些期望性質的複合材料內的CNT具有重要意義。複合材料是宏觀尺度上形式或組成不同的兩種或更多種成分的多相組合。複合材料的兩種成分包括增強劑和樹脂基體。在纖維基複合材料中，纖維用作增強劑。樹脂基體將纖維保持在期望的位置和方向，同時也用作複合材料內纖維之間的負荷轉移介質 (load-transfer medium)。由於其優越的機械性質，CNT被用於進一步增強複合材料中的纖維。為實現複合材料纖維性能的益處，纖維和基體之間應當存在良好的界面。這可以通過使用表面塗布——通常稱為「上漿」來實現。上漿提供纖維和樹脂基體之間的物理-化學連接，並對複合材料的機械性能和化學性能具有很大的影響。可以在纖維的製造期間實施上漿至纖維。一般而言，傳統的CNT合成要求700°C至1500°C範圍內的高溫。但是，其上要形成CNT的許多纖維和上漿劑受到傳統方法中CNT合成通常所要求的高溫的不利影響。 期望的是用於提供低溫流線(in-line) CNT合成的可選方法和系統。發明概述根據本發明的一個方面，用於合成碳納米管(CNT)的方法包括以下步驟提供生長室，所述生長室被加熱至足夠高以促進碳納米管生長的第一溫度；使基底通過所述生長室；和將原料氣引入所述生長室，所述生長室被預熱至足以將所述原料氣的至少一些分解為至少游離碳自由基的第二溫度，從而在所述基底上引發碳納米管的形成。根據本發明的另一方面，合成碳納米管(CNT)的方法包括以下步驟提供生長室， 所述生長室被加熱至第一溫度；使基底通過所述生長室；提供預熱至第二溫度的原料氣； 和將預熱的原料氣引入所述生長室，其中選擇所述第二溫度以達到期望的所述生長室內的溫度分布型以在所述基底上形成碳納米管。根據本發明的又一方面，用於合成碳納米管(CNT)的系統包括生長室，所述生長室接收其上放置有催化劑的基底；加熱器，用於加熱所述生長室至第一溫度，所述第一溫度足夠高以促進碳納米管在所述基底上生長；和氣體預熱器，其將原料氣加熱至第二溫度並將所述原料氣弓I入所述生長室以在所述基底上合成碳納米管。
附圖簡述

圖1是根據本發明的一個實施方式使用氣體預熱用於低溫CNT生長的系統的示意圖；圖2是根據本發明的另一實施方式使用氣體預熱用於低溫CNT生長的系統的示意圖；圖3圖解根據本發明的一個實施方式的圖2的系統的示例性組件；圖4圖解根據本發明的一個實施方式的圖3的生長室的示意性透視圖；圖5圖解根據本發明的一個實施方式的圖3的生長室的橫截面圖；圖6A是根據本發明的一個實施方式使用氣體預熱在低溫下生長CNT的方法的工藝流程圖；圖6B是根據本發明的一個實施方式使用氣體預熱在低溫下生長CNT的方法的另一工藝流程圖；圖7是根據本發明的又一實施方式使用氣體預熱用於低溫CNT生長的系統的示意圖；圖8圖解根據本發明的一個實施方式的氣體預熱器設計(layout)示意圖；圖9圖解根據本發明的另一實施方式的氣體預熱器設計的示意圖；圖10圖解根據本發明的又一實施方式的氣體預熱器設計的示意圖；圖11圖解根據本發明的又一實施方式的氣體預熱器設計的示意圖；圖12圖解根據本發明的又一實施方式的氣體預熱器設計的示意圖；和圖13圖解根據本發明的一個實施方式用於生產併入CNT的纖維(CNT infused fiber)的系統的流程圖。詳述本申請一般地涉及連續合成CNT的系統、方法和設備。CNT可以被有利地合成在各種基底上以生產併入碳納米管的(「CNT-infused」)基底。併入CNT的基底可以用於多種功能，包括例如作為上漿劑以免受潮溼、氧化、磨損和擠壓的損壞。CNT-基上漿劑也可以用作複合材料中基底和基體材料之間的界面。CNT也可以用作塗布基底的幾種上漿劑中的一種。此外，例如，併入在基底上的CNT可以改變基底的各種性能，如導熱性和/或電導性、和 /或抗張強度。用於製造併入CNT的基底的方法可以提供給CNT基本上一致的長度和分布以在被改性的基底上均勻地賦予其有用的性能。此外，本文公開的方法可以產生可纏繞維度的併入CNT的基底。本文公開的系統和方法也使得使用各種上漿劑和基底如聚芳族聚醯胺纖維成為可能，所述聚芳族聚醯胺纖維包括Kevlar，其不能承受在一些傳統的碳納米管合成方法中使用的高操作溫度。此外，至少部分地由於生長室內相對較低的溫度，本發明的系統和方法可以允許廉價的基底用於形成併入CNT的複合材料。本系統和方法的進一步的優勢是， 通過適當調整預熱原料氣的流速、碳濃度、基底供應速度、生長室的溫度和預熱原料氣的溫度，可以獲得CNT的連續合成，促進帶有CNT的複合材料的大規模生產。可以在動態基底上實施連續合成法，所述動態基底如通過入口進入生長腔、行進穿過生長腔和從生長腔的出口退出的基底。在一些實施方式中，在外部加熱器中預熱工藝氣體(process gas)，並且通過預熱的工藝氣體預熱原料氣，然後立即將原料氣引入生長室。這減少了熱損失和游離碳自由基的損失，這些損失來自碳自由基與系統組件的表面的反應(例如，在工藝設備上形成積碳)。本文公開的方法允許沿絲束、帶材、織物和其他3D織造的結構的可纏繞長度，連續產生具有一致長度和分布的CNT。雖然通過本發明的方法，不同的墊、織造的和非織造的織物以及類似物可被功能化，但在母體絲束、線或者類似物進行CNT功能化之後從這些母體材料產生這種更高度有序的結構是可能的。例如，由併入CNT的纖維絲束可產生併入CNT 的織造織物。如在本文使用，術語「基底」意圖包括在其上CNT可以被合成的任何材料，並且可以包括但不限於碳纖維、石墨纖維、纖維素纖維、玻璃纖維、金屬纖維、陶瓷纖維、芳族聚醯胺纖維或者包含其組合的任何基底。基底可以包括纖維或者排列的絲例如纖維絲束 (通常具有大約1000至大約12000根纖維)和平面基底如織物、帶或其它纖維寬幅織物 (broadgoods)，以及在其上可以合成CNT的材料。如本文使用，術語「可纏繞維度」指的是基底具有至少一個長度不被限制的維度， 允許材料儲存在捲軸或者心軸上。「可纏繞維度」的基底具有至少一個這樣的維度，該維度指示使用分批或者連續處理進行CNT併入，如在本文所示。商業可得的可纏繞維度的一個基底通過具有800的特(tex)數值(1特=lg/1, 000m)或者620碼/lb的AS4 1 碳纖維絲束(Grafil, Inc. , Sacramento, CA)舉例說明。具體地，例如，可以以 5、10、20、50 禾口 1001b. (對具有高的重量的捲軸，通常是3k/UK絲束)捲軸獲得商業的碳纖維絲束，儘管更大的捲軸可能需要專門訂購。如在本文使用，術語「碳納米管」(CNT，複數是CNTs)指的是許多富勒烯族碳的圓柱形同素異形體的任一種，包括石墨烯(grapheme)、蒸汽生長碳纖維、碳納米纖維、單壁 CNT (SffNT)、雙壁CNT (DffNT)、多壁CNT (MWNT)。CNT可以被富勒烯類似結構封端或者是開口的。CNT包括包封其它材料的那些。如在本文使用，「長度一致」指的是在反應器中生長的CNT的長度。「一致的長度」 意味著CNT具有這樣的長度，其公差是全部CNT長度的正負大約20%或者更少，因為CNT長度從大約1微米至大約500微米之間變化。在非常短的長度，諸如1-4微米，該誤差可在範圍從在全部CNT長度的大約正負20%直到大約正負1微米之間，即，稍微多於全部CNT長度的大約20%。如在本文使用，「分布一致」指的是基底上CNT的密度的一致性。「一致的分布」意味著在基底上CNT具有這樣的密度，其公差大約是正負10 %覆蓋率，覆蓋率被定義為被CNT 覆蓋的纖維的表面積的百分率。對具有5壁的Snm直徑CNT這相當於士 1500CNT/ym2。這樣的值假設CNT內部的空間是可填充的。如在本文使用，術語「併入的」意思是結合的和「併入」意思是結合的過程。這種結合可以包括直接共價結合、離子結合、η-η和/或範德華力-介導的(mediated)物理吸附。例如，在一些實施方式中，CNT可被直接結合至基底。結合可以是間接的，諸如CNT通過塗層和/或置於CNT和基底之間的中間過渡金屬納米顆粒併入至基底。在本文公開的CNT 併入的基底中，CNT可被直接地或者間接地「併入」基底，如上所述。CNT被「併入」基底的具體方式可被稱作「結合基序(bonding motif)」。如在本文使用，術語「過渡金屬」指的是周期表的d-塊中的元素的任何元素或者合金。術語「過渡金屬」也包括鹼性過渡金屬元素的鹽形式，諸如氧化物、碳化物、氯化物、 氯酸鹽、醋酸鹽、硫化物、硫酸鹽、氮化物、硝酸鹽以及類似物。如在本文使用，術語「納米顆粒」或者NP (複數是NPs)或者其語法等價物指的是尺寸在當量球形直徑大約0. 1至大約100納米之間的顆粒，儘管NPs形狀不必是球形的。具體地，過渡金屬NPs用作基底上CNT生長的催化劑。如本文所用，術語「原料氣」指能夠揮發、霧化、粉化或其他流態化並且能夠在高溫下分解或裂化為至少一些游離碳自由基以及在催化劑存在下可以在基底上形成CNT的任何碳化合物氣體、固體或液體。如本文所用，術語「游離碳自由基」指能夠增加CNT的生長的任何反應性碳種類。 不希望受限於理論，相信游離碳自由基通過聯合基底表面上的CNT催化劑來增加CNT的生長以形成CNT。如在本文使用，術語「上漿劑(sizing agent) 」、「纖維上漿劑」或者僅「上漿」共同指的是在一些基底(如碳纖維)的製造中用作塗層的材料，以保護基底的完整性、提供複合材料中基底和基體材料之間的增強的界面作用力、和/或改變和/或增強基底的特定的物理性質。在一些實施方式中，併入基底的CNT可以表現為上漿劑。如在本文使用，術語「材料停留時間」指的是時間的量，在本文描述的CNT併入過程期間沿可纏繞維度的基底被暴露於CNT生長條件的不連續的點。該定義包括當使用多個 CNT生長室時的停留時間。如在本文使用，術語「線速度」指的是可纏繞維度的基底可被供給經過在本文描述的CNT併入方法的速度，其中線速度是CNT室(一個或多個)長度除以材料停留時間所確定的速度。參考圖1，其圖解了使用低溫法合成CNT的系統100的示意圖。根據本發明的一些實施方式，系統100包括生長室110、加熱器120、基底源130、原料氣源140、工藝氣體源或載氣源150、氣體預熱器160和控制器170。在一些實施方式中，生長室110是戶外連續操作、流動通過的反應器。系統可以在大氣壓或稍高於大氣壓下運行。生長室110包括小體積腔(未顯示)，通過該腔基底連續地進入入口並從出口退出，從而促進CNT在基底上的連續合成。根據通過生長室的基底的大小和形狀，腔可以具有矩形、圓形、橢圓形或類似的橫截面。生長室的體積將至少部分地基於基底通過生長室時的初始大小和最終大小，考慮基於CNT的合成基底體積的增加。在一些實施方式中，生長室的體積小於或等於供給生長室110的基底的體積的大約7000%。例如，纖維絲束形式的基底允許從上遊基底源130連續供給基底。生長室110可以連續接收含有原料氣和任選地工藝氣體(即，載氣)的氣體混合物進入室腔。可以通過大體上以H形配置安排的如圖4所示的兩個垂直構件435、445和 (圖4的)兩個水平構件455、465來形成生長室110。水平構件455、465與垂直構件435、 445限定小體積腔425，(圖3的)基底315通過該腔425。在一些實施方式中，構件435、 445、455、465由不鏽鋼製成。在其它實施方式中，可以使用其它金屬和/或合金，其能夠經受高操作溫度、不與通過腔425供給的成分反應、並且一般不能滲透這些成分。生長室110也可以連續接收纖維形式的基底315 (圖幻，在控制器170控制的給定速率下，基底315可以被塗布以上漿劑和/或催化劑顆粒。基底可以通過腔425，腔425可以被控制器170保持在第一溫度Tl。溫度Tl足夠高以確保CNT在基底上的生長，但並不高至不利地影響基底的物理和化學性能。在一些實施方式中，溫度Tl可以足夠高以除去任何纖維上漿劑。在其它實施方式中，溫度Tl可以足夠高以促進CNT的生長而不破壞或移除纖維上漿劑。例如，腔425可以被保持在大約450°C到大約650°C的溫度下。再次參考圖1，加熱器120加熱生長室110的腔425並保持生長室110的操作溫度 Tl在預先設定的水平。可以通過控制器170控制加熱器120。在一些實施方式中，加熱器 120可以被單獨的控制器控制，該控制器可以被連接至控制器170。加熱器120可以是能夠保持生長室110在大約操作溫度Tl的任何合適的設備。在一些實施方式中，加熱器120可以包括包含在每個水平構件455、465中的加熱線圈。水平構件455、465被很近地隔開以在其間具有小的間隙。因為水平構件455、465之間的間隙很小，間隙能夠被均勻加熱，在其中沒有任何明顯的溫度梯度。加熱器120可以加熱水平構件455、465的表面，這又可以加熱其間的間隙。在一些實施方式中，構件455、465之間的間隙可以是大約5毫米(mm)到大約 20mm。在另一實施方式中，水平構件455、465之間的間隙是大約9. 5mm。基底源130可以適於向生長室110連續供應基底。基底可以包括適於用作基底的以上列出的那些材料的任意一種。在一些實施方式中，基底可以包括塗布有上漿材料的 E-玻璃纖維。在其它實施方式中，基底可以包括其它纖維如廉價的玻璃纖維和碳纖維。在仍有其它實施方式中，基底可以是芳族聚醯胺纖維如Kevlar。可以以稱作「絲束」的束的方式供應纖維。絲束可以具有介於大約1000至大約12000根纖維細絲。在一些實施方式中， 纖維細絲可以具有大約10微米的直徑，儘管可以使用具有其它直徑的纖維細絲。纖維也可以包括碳紗線、碳帶、單向碳帶、碳纖維編帶、織造碳織物、無紡碳纖維墊、碳纖維板片、3D織造結構等。在一些實施方式中，基底可以被塗布以上漿劑。上漿劑的類型和功能變化廣泛，並且包括但不限於，表面活性劑、抗靜電劑、潤滑劑、矽氧烷、烷氧基矽烷、氨基矽烷、矽烷、矽烷醇、聚乙烯醇、澱粉、及其混合物。這種上漿劑可用於保護CNT本身，或者為纖維提供併入 CNT的存在沒有給予的進一步性質。在一些實施方式中，在CNT合成之前可以除去任何上漿劑。在一些實施方式中，可以通過在第一溫度Tl加熱的方式實現除去上漿劑。從源130供給生長室110的纖維可以被塗布以催化劑以引發CNT的合成。這樣的催化劑可以採用納米級顆粒催化劑的形式。所用的催化劑可以是過渡金屬納米顆粒，其可以是上述任意d-塊過渡金屬。另外，納米顆粒(NPs)可以包括以元素的形式或者以鹽形式及其混合物的d-塊金屬的合金和非合金混合物。這種鹽形式非限制性地包括，氧化物、碳化物、氯化物、氯酸鹽、醋酸鹽、硫化物、硫酸鹽、氮化物、硝酸鹽及其混合物。非限制的示例性的過渡金屬NPs包括Ni、Fe、Co、Mo、Cu、Pt、Au和Ag及其鹽。在一些實施方式中，通過與任何隔離塗層沉積同時地，直接地施加或者併入CNT形成催化劑至基底，這種CNT形成催化劑被放置在基底材料上。從各個供應商，包括例如i^errotec Corporation (Bedford, NH)， 許多這些過渡金屬催化劑是商業可得的。不期望受限於理論，可用作CNT-形成催化劑的過渡金屬M^s可以通過形成CNT生長種子結構來催化CNT的生長。在一些實施方式中，CNT形成催化劑可以保持在基底的底部，並且併入至基底的表面。在這種情況下，通過過渡金屬NP顆粒催化劑首先形成的種子結構足夠用於繼續的非催化的接種CNT生長，而不使催化劑沿CNT生長的前沿移動，如在本領域中通常觀察到的。在這種情況下，NP作為CNT與基底的連接點。在一些實施方式中， CNT生長催化劑可跟隨生長的納米管的前沿。在這樣的情況中，這可以導致CNT與基底的直接結合。不管在CNT和基底之間形成的實際結合基序的準確性質如何，併入的CNT是堅固的並且允許併入CNT的基底表現碳納米管性質和/或特性。基底可以在進入生長室110之前被塗布有催化劑。通過噴射或者浸漬塗布溶液或者通過例如等離子體方法的氣相沉積，可完成在基底上放置催化劑的操作。在一些實施方式中，通過將基底浸漬在膠體溶液中或金屬鹽溶液如硝酸鐵中，可將催化劑塗布在基底上。 在其它實施方式中，纖維可以通過硝酸鎳或硝酸鈷金屬鹽溶液。也可以使用其它催化劑溶液或應用。在一些實施方式中，CNT形成過渡金屬納米顆粒催化劑的商業分散體是可得的並且不經稀釋即可使用，在其他實施方式中，催化劑的商業分散體可被稀釋。是否稀釋該溶液可以取決於待生長的CNT的期望密度和長度。用於施加催化劑至基底的催化劑溶液可包括任何溶劑，該溶劑允許催化劑均勻地到處分散。這種溶劑可非限制性地包括，水、丙酮、己烷、異丙醇、甲苯、乙醇、甲醇、四氫呋喃(THF)、環己烷或者任何其他溶劑，其具有控制的極性以產生CNT形成催化劑納米顆粒的適當的分散體。CNT形成催化劑的濃度可在催化劑與溶劑之比為大約1 1至1 10000的範圍。再次參考圖1，原料氣源140與氣體預熱器160流體聯通，並且能夠被控制器170 控制。在另一實施方式中，來自原料氣源140和工藝氣體源150的氣體被混合，然後該氣體混合物被供應至氣體預熱器160。原料氣可以是能夠揮發、霧化、粉化或其他流態化並且能夠在高溫下分解或裂化為至少一些游離碳自由基且在催化劑存在下可以在基底上形成CNT的任何碳化合物氣體、 固體或液體。在一些實施方式中，原料氣可以包括乙炔、乙烯、甲醇、甲烷、丙烷、苯、天然氣或其任意組合。在一些示例性實施方式中，當包含乙炔的原料氣被加熱至溫度T2 (例如，介於大約550°C和大約1000°C之間)並供給生長室110的腔425(見圖4)時，至少一部分乙炔在基底上催化劑的存在下分解為碳和氫。較高的溫度T2促進乙炔的快速分解，但可不利地影響基底和/或存在的任何上漿劑材料的物理和化學性質。通過在生長室110外部將原料氣加熱至較高溫度T2，同時保持生長室在較低溫度Tl，在CNT形成期間可以保持基底和任何上漿劑材料或其它塗層的完整性。使用原料氣如乙炔可以減少對於分離過程的需要，該分離過程將氫引入生長腔 425，其可以被用於還原包含氧化物的催化劑。原料氣的分解可以提供氫，氫可以將催化劑顆粒還原為純顆粒或至少還原為可接受的氧化物水平。例如，如果催化劑是氧化鐵，這樣的氧化鐵顆粒無益於CNT的合成，因為來自原料氣的碳自由基可以與基底上的氧化物發生反應形成二氧化碳和一氧化碳，而不是形成CNT。氧化物的化學組成可以進一步防止游離的碳自由基擴散通過催化劑顆粒，從而防止或減少了 CNT的生長。這可以減少形成CNT可用的碳自由基的量並減小CNT的生長速率。來自乙炔的氫有效地從基底上的催化劑顆粒除去氧化物並防止游離的碳自由基與氧化物反應。工藝氣體可以被用於從生長腔425(圖4)除去氧，氧對於CNT的生長是有害的。如果氧存在於生長腔425(圖4)中，從原料氣形成的碳自由基傾向於與氧反應形成二氧化碳和一氧化碳，而不是在基底上形成CNT。工藝氣體可以包括不會有害地影響CNT生長過程的任何惰性氣體。在一些實施方式中，工藝氣體可以包括但不限於氮、氦、氬、或其任意組合。在一些實施方式中，原料氣和工藝氣體的流速由控制器170控制。在一些實施方式中，可以按照總氣體混合物的大約0%至大約15%之間的範圍提供原料氣。本領域普通技術人員將認識到，控制器170可以適於獨立地感測、監測和控制系統參數，系統參數包括基底供給速率、第一溫度、第二溫度、原料氣供應和工藝氣體供應的一種或多種。控制器170可以是一體化、自動化、計算機化的系統控制器，其接收參數數據並進行各種控制參數的自動化判斷或手動控制安排，如本領域普通技術人員所理解的。在圖1所示的一些實施方式中，原料氣可以在氣體預熱器160中被預熱至溫度T2， 然後其被引入生長腔425(圖4)。在一些實施方式中，T2的範圍可以從大約550°C至大約 1000°C。氣體預熱器160位於生長室110的外部並運行以預熱原料氣、工藝氣體或原料氣和工藝氣體的混合物，然後這些氣體被引入生長室110。氣體預熱器160可以與生長室110 熱隔絕以防止生長室110的無意加熱。氣體預熱器160可以被熱隔絕以防止加熱的氣體或氣體混合物熱損失至環境。氣體預熱器160可以包括能夠將氣體加熱至溫度T2的任何設備。在一些實施方式中，氣體預熱器160可以包括但不限於電阻加熱噴燈(resistive heat torches)、在電阻加熱陶瓷加熱器內部加熱的盤管、感應加熱、氣流中的熱絲和紅外線加熱。在一些實施方式中，氣體預熱器160的一些或全部部件可以由金屬特別是不鏽鋼構成。該金屬尤其是不鏽鋼的使用可以使碳沉積(即，菸灰和副產物形成)。一旦碳沉積在設備壁上成為單層，碳容易沉積在其本身上。在氣體預熱器內窄通道中該過程可以以升高的速率發生。結果是，可以使用周期性清潔和維護來防止任何積碳阻礙原料氣、工藝氣體或兩者的流動。現在參考圖8，所圖解的是預熱器結構的實施方式。在所圖解的實施方式中，擴散器280作為氣體歧管606的部件被放入氣體預熱器160和生長室110之間。在一些實施方式中，原料氣和/或原料氣與工藝氣體的組合通過氣體入口 602進入氣體預熱器160。然後氣體從氣體預熱器160通過導管604進入氣體歧管606。導管604可以是隔熱的並且由合適的材料構成以承受預熱氣體的溫度和條件。額外的和任選的氣體入口 610可以被提供在氣體歧管606中以允許額外原料氣、工藝氣體或兩者與來自氣體預熱器160的加熱的氣體結合，以提供在期望溫度下的原料氣體和工藝氣體的期望氣體混合物或者至生長室110的流速。然後氣體歧管606中的氣體混合物從氣體歧管606通過擴散器280進入生長室110。 擴散器280允許氣體混合物在生長室110中基底的限定部分上方均勻分布。在一種配置中， 擴散器280採用具有均勻分布的孔的板的形式，用於氣體輸送。如圖8所示，擴散器280沿生長室110的選擇部分延伸。在另一實施方式中，擴散器280沿生長室110的整個長度延伸。在一些實施方式中，擴散器280在垂直構件435、445(圖4)的水平方向上放置在生長室110附近。在一些實施方式中，擴散器280在水平構件455、465(圖4)的垂直方向上被放置在生長室110附近。在又一配置中，氣體預熱器160可以被併入擴散器觀0。在一些實施方式中，積碳可以發生在氣體預熱器內，因為碳原料可以在加熱期間分解。但是，原料氣和/或原料氣與工藝氣體的組合的預熱可以確保原料氣被充分預熱以及在進入生長室110 之前分解。預熱器配置的另一實施方式示於圖9。在該實施方式中，氣體預熱器160通過入口 602接收工藝氣體並加熱工藝氣體。然後加熱的工藝氣體從氣體預熱器160通過導管604進入氣體歧管606。然後原料氣通過導管702與加熱的工藝氣體結合。原料氣的溫度可以低於加熱的工藝氣體的溫度，在一些實施方式中，可以為環境溫度。加熱的工藝氣體和原料氣的結合可以提供溫度為T2的氣體混合物，然後混合物進入氣體歧管606以分布至生長室 110。額外的和任選的氣體入口 610可以被提供在氣體歧管606中以允許額外原料氣、工藝氣體或兩者與來自氣體預熱器160的加熱的氣體結合，以提供期望的氣體混合物、溫度或者至生長室110的流速。然後氣體歧管606中的氣體通過擴散器280從氣體歧管606進入生長室110。在使用該配置的一些實施方式中，可以延遲加熱原料氣，直至原料氣被提供至生長室110的點附近。該實施方式可以減少氣體預熱器160中和相關設備上形成積碳的量， 因此減少所需維護的量和頻率。圖10圖解氣體預熱器的示例性實施方式。在該實施方式中，氣體預熱器160接收通過入口 602的氣體。然後氣體通過氣體預熱器160內的盤管802。由於加熱元件供應熱至盤管802的外部而使盤管802被加熱。在一些實施方式中，供應至盤管802的熱可以通過由電極804供電的電阻加熱元件來提供。整個氣體預熱器可被罩住以使預熱器與外部環境絕熱。當氣體通過盤管802時，氣體被加熱並在盤管內膨脹，然後通過出口導管604離開氣體預熱器160。盤管802的長度可以被調節以獲得氣體在氣體預熱器160內的期望停留時間，使得氣體達到期望的溫度。停留時間可以部分地基於氣體流速、入口溫度、出口溫度和盤管幾何形狀(例如直徑、長度)來確定。盤管可以由能夠承受加熱元件提供的溫度的材料構成。在一些實施方式中，盤管可以由金屬或金屬合金如不鏽鋼構成。如上所述，當原料氣在超過原料氣組分的分解溫度被加熱時，積碳可形成在金屬表面上。因此，進行周期性維護以防止盤管內形成堵塞。在一些實施方式中，塗層可以被沉積在容易積碳的表面上，防止形成或累積積碳。合適的塗層包括但不限於氧化鋁、二氧化矽和氧化鎂。圖11圖解氣體預熱器的另一實施方式。在該實施方式中，氣體預熱器160通過入口 602接收氣體。然後氣體通過氣體預熱器160內的膨脹擴散器806。膨脹擴散器806包括多個通過入口接收氣體的膨脹腔804，在入口處氣體被膨脹進入膨脹腔804。加熱時，氣體膨脹並通過出口流入鄰近的膨脹腔。以這種方式，氣體膨脹並流動通過一系列膨脹腔804 直至氣體到達出口導管604。由於加熱元件供應熱至膨脹擴散器806，多個膨脹腔804被加熱。在一些實施方式中，供應至膨脹擴散器806的熱可以由電阻加熱元件808來提供。整個氣體預熱器可以被罩在合適的與外部環境絕熱的外殼內。可以獲得期望的氣體在氣體預熱器160內的停留時間，使得氣體在達到出口導管604之前或之時達到期望的溫度。停留時間可以部分地基於氣體流速、入口溫度、出口溫度和膨脹擴散器幾何形狀(例如膨脹腔直徑、口幾何形狀)來確定。膨脹擴散器806可以由能夠承受加熱元件提供的溫度的材料構成。在一些實施方式中，膨脹擴散器可以由金屬或金屬合金如不鏽鋼構成。如上所述，如果存在原料氣，由於氣體的加熱，積碳可以形成在膨脹擴散器內。在該實施方式中，積碳可以形成在膨脹腔之間的口內。同樣，可以進行周期性維護。圖12圖解氣體預熱器的又一實施方式。在該實施方式中，一系列熱絲810穿過擴散器280分布。熱絲810可以是可被加熱至高於期望的預熱溫度T2的溫度的電阻加熱線圈或金屬線，並且可以由控制器170來控制。即使當氣體在短的時間期間靠近絲，絲的溫度可以足夠高以使通過絲的氣體可以達到期望的溫度。在一些實施方式中，熱絲的溫度可以在大約1000°C或更高，包括大約1100°C、大約1200°C、大約1300°C、大約1400°C和大約1500°C。原料氣、工藝氣體或兩者的混合物可以通過一個或多個入口 602引入氣體歧管。然後部分由於通過擴散器280構建的背壓，氣體可以擴散通過氣體歧管的寬度，通過所述一系列熱絲810，通過擴散器觀0，並進入生長室110。在該實施方式中，在歧管內較少可能發生積碳，因為氣體正好在進入生長室之前被加熱。其它合適的預熱器設計也可以與本文描述的方法和系統一起使用。在一些實施方式中，氣體預熱器可以被用於將原料氣、工藝氣體或原料氣與工藝氣體的混合物的溫度升高至溫度T2。在一些實施方式中，溫度T2可以足夠高以使至少一部分原料氣在生長室的入口之前或入口處分解或裂解為至少一些游離碳自由基。在這樣的實施方式中，溫度T2可以在生長室和基底的溫度Tl之上。較低的溫度Tl可以保護基底和/ 或基底上任意塗層(例如，存在的任意催化劑和/或任意上漿劑)免受溫度T2下可發生的任何降解。因此，原料氣的預熱可以允許使用在傳統CNT生長法中使用的CNT高溫下將會損壞的基底產生併入CNT的基底。在一些實施方式中，溫度T2可以接近於溫度Tl，以使在溫度T2引入原料氣沒有不利地影響生長室內的溫度分布型。在這樣的實施方式中，T2可以在溫度Tl的25%內，或者可選地，在溫度Tl的40%以內，或者更高或更低。在該實施方式中，T2的溫度可以在從大約400°C到大約1000°C的範圍內。在一些實施方式中，溫度T2可以被調節以在生長室內產生期望的溫度分布型或梯度，或者T2可以被調節以減小生長室內任何溫度梯度，產生更均勻的溫度分布型。例如，T2可以被調節以在原料氣進入生長室的點匹配生長室的溫度。 不期望受限於理論，相信控制生長室內的溫度梯度以達到期望的溫度分布型可以幫助控制 CNT在基底上的生長速率和性質。現在回到圖3，圖解了用於在低溫下基底上合成CNT的系統300。系統300包括生長室310、生長室加熱器320和四個氣體預熱器360a、360b、360c、360d。在所示實施方式中， 兩個氣體預熱器360a、360b被定位在生長室310的一側，兩個氣體預熱器350c、360d被定位在生長室310的另一側。氣體預熱器360a、360b、360c、360d可以包括本文公開的任何配置。在示例性實施方式中，氣體預熱器360a、360b、360c、360d可以被配置為其中安置有管狀盤管(未顯示)的陶瓷加熱器。在所示實施方式中，盤管由大約九(9)英尺的不鏽鋼製成，原料氣和/或原料氣與工藝氣體的混合物通過該盤管流動並被加熱。氣體歧管相對於生長室310被放置在中心位置並且包括用於均勻地將氣體混合物分布在生長腔425(圖4)中的擴散器觀0。預熱的原料氣與工藝氣體的混合物從氣體預熱器360a、360b進入氣體歧管並被允許在生長室310內均勻地擴散。氣體供應線340a、340b 分別將氣體混合物供應給氣體預熱器360a、360b的入口。催化劑放置在其上的基底315以給定速率被引入生長室310的入口，其中基底315經歷加熱至溫度Tl (例如，大約500°C至大約600°C之間)。同時，加熱至溫度T2(例如，大約550°C至大約1000°C之間)的預熱原料氣和工藝氣體被引入生長室310。原料氣的至少一些可以分解以確保CNT在基底上生長。 具有合成CNT的併入CNT的基底317從生長室310的出口退出。在一些實施方式中，原料氣和工藝氣體的混合物的供給速率為大約15升/秒至大約20升/秒，兩者皆可被控制器 170(圖1)控制。現在參考圖5，其圖解了生長室310的側視圖。加熱器565、567被安排在H形生長室310的頂部和底部側。外部附加的並且隔熱的模塊585、587分別向生長室310提供輸入隔熱和輸出隔熱。模塊585、587被放置在生長室的末端以防止生長室內部的熱氣體與生長室外部的富氧氣體混合併形成可不利地影響進入或退出生長室310的基底的局部氧化條件。冷卻惰性氣體如氮氣作為生長室310和外部環境之間的緩衝通過生長室入口處和出口處的埠 575、577被供應以防止不期望的熱氣體與環境混合。進入的冷氣體可以進入內置有擴散器板的岐管以將冷氣體擴散到相應的模塊上。現在參考圖7，其顯示了使用氣體預熱器在低溫下合成CNT的系統700的又一實施方式。除了以下不同，系統700類似於圖2所示的系統200的實施方式。在系統700中，僅工藝氣體經外部加熱器被預熱至較高的溫度(例如大約800°C)。然後預熱的工藝氣體與原料氣在擴散器觀0中混合，原料氣的溫度可以在大約環境溫度至大約250°C的較低溫度範圍內。因此，原料氣被預熱的工藝氣體加熱，然後立即被引入生長室110的生長腔425(圖 4)。一般而言，在該實施方式中，任何預熱器設計均可被用於加熱工藝氣體，包括以上描述的那些。延遲預熱原料氣的優點是，原料氣的裂解(即，分解)在將原料氣引入生長室110 時或附近之前不發生。如果原料氣較早裂解，游離碳自由基可與擴散器觀0的壁反應，減少了可用於在基底上生長CNT的碳自由基的量。在圖6A中，圖解了描述合成CNT的方法的流程圖。在方框610，生長室被提供並被加熱至第一溫度Tl。第一溫度Tl的範圍可以在大約450°C至大約650°C。在方框620，將基底通過生長室。溫度Tl足夠高以促進CNT在基底上合成，在預熱的原料氣的存在下，基底連續通過生長室，原料氣在生長室中分解成至少游離碳自由基，但該溫度沒有高到使基底和/或基底上放置的任何上漿劑降解。在方框630，原料氣被預熱至第二溫度T2，然後被引入生長室。第二溫度T2的範圍可以在大約550°C至大約1000°C。游離碳自由基在這樣的溫度下易於產生。可以使用本文描述的任何方法或設備加熱原料氣。例如，可以通過使原料氣與加熱至T2以上溫度的工藝氣體混合以使混合物在進入生長室時溫度為T2來加熱原料氣。預熱的原料氣被引入生長室，當塗布以合適的催化劑顆粒時，其中分解的游離碳自由基在基底上聚集成CNT。已經指出，預熱的原料氣提升基底上催化劑顆粒的溫度，這通過基底上催化劑顆粒上碳的體相擴散和表面擴散，可以增強快速CNT合成。但是，預熱的氣體不具有足夠的熱能來以任何明顯的程度升高基底體相材料的溫度。因此，當基底纖維移動通過生長室時，基底和任何任選的上漿劑的溫度可以被保持為低於其降解溫度。在一些實施方式中，溫度Tl可能與基底和/或上漿劑的組成不相容，但CNT生長的速率和效率足以減少基底暴露於升高的溫度Tl的停留時間。圖6B圖解描述合成CNT的方法的另一流程圖。在方框640，生長室被提供並被加熱至第一溫度Tl。第一溫度Tl的範圍可以在大約450°C至大約650°C。溫度Tl足夠高以促進CNT在連續送入生長室的基底上的合成，但該溫度沒有高至使基底和基底上塗布的任何任選的上漿劑材料降解。在方框650，將基底通過生長室。在方框660，原料氣被預熱至第二溫度T2，然後被引入生長室。第二溫度T2的範圍可以在大約400°C至大約1000°C。可以使用本文描述的任何方法或設備加熱原料氣。例如，可以通過使原料氣與加熱至T2以上溫度的工藝氣體混合以使混合物在進入生長室時溫度為T2來加熱原料氣。該溫度可以足夠獲得生長室內期望的溫度分布型。在方框680，預熱的原料氣被引入生長室，以獲得生長室內期望的溫度分布型。然後，CNT可以在基底上形成以生成併入CNT的基底。在溫度T2，預熱的氣體不具有足夠的熱能來以任何明顯的程度升高基底的體相材料溫度。因此，當基底纖維移動通過生長室時，基底和任何任選的上漿劑的溫度可以被保持為低於其降解溫度。現在參考圖3和圖4來描述該系統的示例性實施方式。生長腔425具有矩形橫截面和大約0. 27立方英尺的體積。腔425接收塗布有氧化鐵催化劑的基底纖維絲束，其通過使纖維絲束以大約1英尺/分鐘的線速度通過1份(體積)大約8納米大小的氧化鐵納米顆粒在200份(體積)己烷中的溶液來獲得。纖維絲束以大約4英尺/分鐘的線速度通過生長腔。生長腔425被保持在大約550°C。大約0.15至0.2升乙炔和大約15至20升氮氣的工藝氣體和原料氣混合物被預熱至大約650°C的溫度。預熱的氣體以大約每分鐘15. 15 升至大約每分鐘20. 2升的速率被引入生長腔425。從生長腔425連續輸出的纖維絲束具有的CNT在大約1.0%至大約2% (負載重量百分數)的範圍。併入CNT的基底在腔425的出口退出生長室110。併入CNT的基底可以具有長度基本一致的CNT。在本文描述的方法中，基底在CNT生長室110中的停留時間可以被調節以控制CNT的生長並最終控制CNT的長度。這提供了控制生長的CNT的具體性能的方法。通過調節原料氣和工藝氣體的流速和反應溫度，也可以控制CNT的長度。CNT性能的其它控制可以通過控制例如用於製備CNT的催化劑的大小來獲得。例如，1納米的過渡金屬納米顆粒催化劑可以特別被用於提供SWNT。 較大的催化劑可以被用於主要製備MWNT。此外，本文描述的CNT生長方法和系統可以提供CNT在基底上均勻分布的併入CNT 的基底。在一些實施方式中，假定CNT的直徑大約8納米、具有5個壁，最大分布密度可以高達大約55%，最大分布密度被表示為覆蓋率百分比，S卩，被覆蓋的纖維的表面積。該覆蓋率通過考慮CNT內部的空間作為「可填充」空間來計算。通過改變表面上催化劑的分散以及控制氣體組成和工藝速度，可獲得各種分布/密度值。通常對於給定參數組，可以獲得纖維表面上的大約10%以內的覆蓋率百分比。較高的密度和較短的CNT對於提高機械性能是有用的，而較長較低密度的CNT對於提高熱性能和電性能是有用的，儘管密度增加仍是有利的。較長的CNT生長時可以得到較低的密度。這可以是較高溫度和更快生長的結果，使得催化劑顆粒產率較低。併入CNT的基底可以包括基底如碳細絲、碳纖維紗線、碳纖維絲束、碳帶、碳纖維編帶、織造碳織物、非織造碳纖維墊、碳纖維片和其它3D織造結構。細絲包括高縱橫比纖維，其直徑範圍在大約1微米至大約100微米之間的大小。纖維絲束通常是緊密地聯繫在一起的細絲的束，並且通常被擰在一起以制出紗線。將CNT併入至基底的本發明方法允許具有一致性的CNT長度的控制，並且在連續的方法中允許用CNT以高的速度使可纏繞碳纖維材料功能化。生長室110中的材料停留時間在5至300秒之間，對於3英尺長的系統，連續的方法中的線速度可大概在大約0. 5ft/ min至大約36ft/min的範圍以及更大。在一些實施方式中，大約5至大約30秒的材料停留時間可產生具有長度在大約1微米至大約10微米之間的CNT。在一些實施方式中，大約30 至大約180秒的材料停留時間可產生具有長度在大約10微米至大約100微米之間的CNT。 在仍進一步的實施方式中，大約180至大約300秒的材料停留時間可產生具有長度在大約 100微米至大約500微米之間的CNT。本領域技術人員明白，這些範圍是近似的，並且通過反應溫度以及載氣和原料氣體濃度和流速，也可調節CNT長度。在一些實施方式中，併入CNT的基底可以被用於形成複合材料。這種複合材料可以包括基體材料以形成具有併入CNT的基底的複合材料。在本發明中有用的基體材料可以包括但不限於樹脂(聚合物)——熱固性和熱塑性的、金屬、陶瓷和水泥。作為基體材料有用的熱固性樹脂包括鄰苯二甲酸/馬來酸型聚酯、乙烯基酯類、環氧樹脂類、酚醛樹脂類、 氰酸酯類、雙馬來醯亞胺和內亞甲基四氫化鄰苯二甲酸封端的聚醯亞胺(例如，PMR-15)。 熱塑性樹脂包括聚碸、聚醯胺、聚碳酸酯、聚苯醚、聚硫醚、聚醚醚酮、聚醚碸、聚醯胺-醯亞胺、聚醚醯亞胺、聚醯亞胺、多芳基化合物和液晶聚酯。可用作基體材料的金屬包括鋁的合金，諸如鋁6061、20M和713鋁黃銅(aluminium braze)。可用作基體材料的陶瓷包括碳陶瓷諸如矽鋁酸鋰、氧化物諸如氧化鋁和富鋁紅柱石、氮化物諸如氮化矽和碳化物諸如碳化矽。可用作基體材料的水泥包括金屬碳化物(carbide base cermets)(碳化鎢、碳化鉻和碳化鈦)、耐火水泥(鎢-氧化釷和鋇-碳酸鹽-鎳)、鉻-氧化鋁、鎳-氧化鎂-鐵-碳化鋯。上述基體材料的任何一種可被單獨或者結合地使用。
實施例該預言性實施例顯示CNT如何能夠在低溫下以使用氣體預熱的連續工藝併入芳族聚醯胺纖維材料，其以機械性能、特別是界面特性如剪切強度的改進為目標。在該實施例中，在纖維上負載較短CNT為目標，其中具有特值800的Kevlar纖維絲束(從Du Pont of Wilmington, DE可得)被用作纖維基底。該芳族聚醯胺纖維絲束中單獨的絲具有大約17 μ m的直徑。圖13描述根據本發明的例證性實施方式生產併入CNT的纖維的系統1300的流程圖。系統1300包括芳族聚醯胺纖維材料輸出和張緊站1302、纖維伸展站1308、等離子體處理站1310、塗層施加站1312、空氣乾燥站1314、第二塗層施加站1316、第二空氣乾燥站 1318、CNT併入站1320、CNT排列系統1322、樹脂浴13 和旋轉心軸1330，如所示相互連接。輸出和張緊站1302包括輸出筒管1304和張緊器1306。輸出筒管運輸芳族聚醯胺纖維材料1301至工藝；通過張緊器1306張緊纖維。對該實施例，以大約5ft/min的線速度處理芳族聚醯胺纖維。纖維材料1301被運輸至纖維伸展站1308。當該纖維被製造時沒有上漿劑，上漿劑清除工藝沒有作為纖維伸展站1308的一部分被引入。纖維材料1301被輸送至等離子體處理站1310。對該實施例，以「向下的」方式從距離伸展的芳族聚醯胺纖維材料12mm的距離，使用常壓等離子體處理。氣態原料由總惰性氣流(氦氣)1. 的量的氧組成。控制芳族聚醯胺纖維材料表面上的氧含量是增強隨後塗層的粘附性的有效方式，並因此可期望用於增強芳族聚醯胺纖維複合材料的機械性能。等離子體增強的纖維1311被運輸至塗層施加站1312。在該實施例中，氧化鐵基催化劑和隔離塗層材料被結合至單一的『混合』溶液中，並且被用於浸漬塗布構造中。『混合，溶液是按體積計1份『EFH-1，(從Ferrotec Corporation of Bedford，NH可得的氧化 ^SiI^Oii^ ) >5 ^v iAccuglass T-Il Spin-On Glass' (/人 Honeywell International Inc.，Morristown, NJ可得)、24份己烷、24份異丙醇和146份四氫呋喃。使用這種『混合， 塗料的好處是其抑制在高溫下纖維降解的影響。不被理論束縛，認為，由於催化劑Ws在高溫(對CNT的生長至關重要的相同溫度)的燒結，芳族聚醯胺纖維材料的降解被加大。通過用其自身的隔離塗層包封每一催化劑NP，有可能控制該影響。因為以機械性質而不是熱 /電性質的提高為目標，保持芳族聚醯胺纖維基材料的完整性是期望的，因此『混合』塗層可被使用。負載催化劑的和隔離塗層的芳族聚醯胺纖維材料1313被運輸至空氣乾燥站 1314，以部分固化隔離塗層。空氣乾燥站發送加熱的空氣流經過伸展的全部芳族聚醯胺纖維。使用的溫度可在100°C至大約350°C的範圍。在空氣乾燥之後，負載催化劑和隔離塗層的芳族聚醯胺纖維1313被運輸至塗層施加站1316，其與塗層施加站1312相同。相同的』混合』溶液被使用(按體積計1份 『EFH-1，、5 份 『Accuglass T-Il Spin-On Glass，、24 份己烷、24 份異丙醇和 146 份四氫呋喃)。對該實施例，包括多個塗層施加站的構造被利用以使等離子體增強的纖維1311上的 『混合』塗層的覆蓋率最優化。負載催化劑和隔離塗層的芳族聚醯胺纖維1317被運輸至空氣乾燥站1318，以部分固化隔離塗層，該空氣乾燥站與空氣乾燥站1314相同。在空氣乾燥之後，負載催化劑和隔離塗層的芳族聚醯胺纖維1317最終被送至CNT 併入站1320。在該實施例中，具有12英寸生長區域的矩形反應器被使用以利用在大氣壓力的CVD生長。類似於圖8所示的系統的氣體預熱系統被用於預熱生長氣體至大約700°C的溫度。總氣流的97. 6%是惰性氣體(氮氣)，其他2. 4%是碳原料(乙炔)。生長區域保持在大約550°C。對上面提及的矩形反應器，550°C是相對低的生長溫度，但是，由於氣體預熱與隔離塗層提供的熱防護，防止了芳族聚醯胺纖維的高溫降解，但其允許CNT的生長。然後，併入CNT的纖維1321通過CNT排列系統1322，其中一系列衝模被用於機械地將CNT的軸排列在每個粗紗的方向上。末端具有0. 125英寸直徑開口的錐形衝模被用於輔助排列CNT。通過CNT排列系統1322之後，排列好的併入CNT的纖維1323被輸送至樹脂浴 13M。樹脂浴包括用於生產含有併入CNT的纖維和樹脂的複合材料的樹脂。該樹脂可以包括但不限於商業可得的樹脂基體如聚酯(例如，鄰苯二甲酸聚酯)、改進的聚酯(例如，間苯二甲酸聚酯)、環氧樹脂和乙烯基酯。樹脂浴13M可以以各種方式實施，其中兩個在以下描述。第一，樹脂浴13M可以被用作刮刀輥浴，其中被放置在浴中的拋光的旋轉圓筒(例如圓筒1325)在其轉動時拾取樹脂。刮刀(圖13中未顯示)壓向圓筒以在圓筒1325上獲得精確的樹脂膜厚度並將多餘的樹脂推回浴中。當芳族聚醯胺纖維粗紗1323被拉到圓筒1325的頂部上時，其接觸樹脂膜並打溼。可選地，樹脂浴13M被用作浸漬浴，其中芳族聚醯胺纖維粗紗723被浸沒在樹脂中，然後被拉過除去多餘樹脂的一組擦拭器或輥。離開樹脂浴13M之後，將樹脂浸溼的、併入CNT的纖維1323通過放置在輸送機頭 (未描繪)後的各種環、小孔和通常是多針「梳子」(未描繪)。梳子保持芳族聚醯胺纖維 1323分開直至其在旋轉心軸1330上聚集為單個結合帶。心軸用作要求複合材料具有增強機械強度的結構的模具。應當理解，上述實施方式僅是本發明的示例並且本領域技術人員可以想到上述實施方式的許多改變而不偏離本發明的範圍。例如，在本說明書中，提供了許多具體細節以便提供對本發明的示例性實施方式的透徹描述和理解。但是，本領域技術人員將明白，沒有一個或多個那些細節，或者用其他工藝、材料、組分等，也可以實現本發明。此外，在一些情況下，眾所周知的結構、材料或操作未被顯示或詳細描述以避免使示例性實施方式的方面不清楚。應當理解，附圖中所示的各個實施方式是示例性的，並且沒有必要按比例畫出。貫穿本說明書提及「一種實施方式(one embodiment)」或「一個實施方式(an embodiment)」或「一些實施方式(some embodiments) 」意味著與所述實施方式(一個或多個)結合描述的具體特徵、結構、材料或特性被包括在本發明的至少一個實施方式中，但不必被包括在所有的實施方式中。因此，本說明書各處出現的短語「一種實施方式(one embodiment) 」或「 一個實施方式(an embodiment) 」或「 一些實施方式(some embodiments) 」不必全部指同一實施方式。此外，具體特徵、結構、材料或特性可以在一個或多個實施方式中以任何合適的方式結合。因此，這類改變意圖被包括在權利要求書及其等同物的範圍內。
權利要求
1.合成碳納米管(CNT)的方法，包括以下步驟提供生長室，所述生長室被加熱至足夠高以促進碳納米管生長的第一溫度； 使基底通過所述生長室；和將原料氣弓I入所述生長室，所述生長室已被預熱至足以將所述原料氣的至少一些分解為至少游離碳自由基的第二溫度，從而在所述基底上引發碳納米管的形成。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述第二溫度高於所述第一溫度。
3.根據權利要求1所述的方法，其進一步包括將所述第一溫度控制在大約450°C至大約650°C的範圍內。
4.根據權利要求1所述的方法，其進一步包括將所述第二溫度控制在大約550°C至大約1000°C的範圍內。
5.根據權利要求1所述的方法，其中所述基底包括選自以下的至少一種材料碳纖維、 石墨纖維、纖維素纖維、玻璃纖維、金屬纖維、陶瓷纖維、芳族聚醯胺纖維或其任意組合。
6.根據權利要求1所述的方法，其中所述基底被塗布有選自以下的至少一種材料催化劑和上漿劑。
7.根據權利要求1所述的方法，其進一步包括將工藝氣體與所述原料氣一起引入所述生長室。
8.根據權利要求7所述的方法，其中所述工藝氣體和所述原料氣被混合併且所述混合物被加熱至所述第二溫度，然後引入所述生長室。
9.根據權利要求8所述的方法，其進一步包括將加熱的混合物擴散至所述生長室中。
10.根據權利要求7所述的方法，其中，通過將所述工藝氣體加熱至超過第二溫度T2的溫度，然後在低於T2的溫度下與所述原料氣混合來加熱所述原料氣，以將所述原料氣的溫度升高至所述第二溫度。
11.合成碳納米管(CNT)的方法，包括以下步驟 提供生長室，所述生長室被加熱至第一溫度；使基底通過所述生長室； 提供預熱至第二溫度的原料氣；和將預熱的原料氣引入所述生長室，其中選擇所述第二溫度以達到所述生長室內期望的溫度分布型以在所述基底上形成碳納米管。
12.根據權利要求11所述的方法，其中所述第二溫度在所述第一溫度的大約40%以內。
13.根據權利要求11所述的方法，其進一步包括將工藝氣體與所述原料氣一起引入所述生長室。
14.根據權利要求13所述的方法，其中所述工藝氣體和所述原料氣被混合，得到的混合物被加熱至所述第二溫度，然後引入所述生長室。
15.根據權利要求14所述的方法，其進一步包括將加熱的混合物擴散至所述生長室中。
16.根據權利要求13所述的方法，其中，通過將所述工藝氣體預熱至超過第二溫度T2 的溫度，然後與所述原料氣混合來預熱所述原料氣，以將所述原料氣的溫度升高至所述第
17.合成碳納米管(CNT)的系統，包括生長室，所述生長室接收其上放置有催化劑的基底；加熱器，用於加熱所述生長室至第一溫度，所述第一溫度足夠高以促進碳納米管在所述基底上生長；和氣體預熱器，其將原料氣加熱至第二溫度並將所述原料氣引入所述生長室以在所述基底上合成碳納米管。
18.根據權利要求17所述的系統，其中所述第二溫度足夠將所述原料氣的至少一些分解為至少游離碳自由基。
19.根據權利要求17所述的系統，其中所述第二溫度在所述第一溫度的大約40%以內並足以在所述生長室內達到期望的溫度分布型。
20.根據權利要求17所述的系統，其中所述氣體預熱器包括置於所述生長室外部的加熱器，該加熱器可控制地加熱所述原料氣至所述第二溫度。
21.根據權利要求17所述的系統，其中所述氣體預熱器包括位於所述生長室外部、可控制地加熱工藝氣體至超過所述第二溫度的溫度的加熱器；和擴散器，其具有用於接收加熱的工藝氣體的輸入和用於接收較低溫度下的所述原料氣的輸入，並結合加熱的工藝氣體和所述原料氣以提供擴散的輸出至包括所述第二溫度下的原料氣的所述生長室中。
22.根據權利要求17所述的系統，其中所述基底包括選自以下的至少一種材料碳纖維、石墨纖維、纖維素纖維、玻璃纖維、金屬纖維、陶瓷纖維、芳族聚醯胺纖維或其任意組合。
23.根據權利要求17所述的系統，其進一步包括用於控制以下的一個或多個的控制器所述生長室接收所述基底的速率、所述第一溫度、所述第二溫度和所述原料氣供應。
24.根據權利要求17所述的系統，其中所述第一溫度在大約450°C至大約650°C的範圍內。
25.根據權利要求17所述的系統，其中所述第二溫度在大約550°C至大約1000°C.的範圍內。
26.根據權利要求17所述的系統，其中所述基底是其上具有上漿劑和鐵基催化劑的纖維絲束。
27.根據權利要求17所述的系統，其中所述原料氣包括選自以下的至少一種氣體乙炔、甲醇、乙烯、甲烷、丙烷、苯和天然氣。
28.根據權利要求21所述的系統，其中所述工藝氣體包括選自以下的至少一種氣體氮、氦和氬。
全文摘要
合成碳納米管(CNT)的方法包括以下步驟提供生長室，所述生長室被加熱至足夠高以促進碳納米管生長的第一溫度；和使基底通過所述生長室；以及將原料氣引入所述生長室，所述生長室已被預熱至足以將所述原料氣的至少一些分解為至少游離碳自由基的第二溫度，從而在所述基底上引發碳納米管的形成。
文檔編號D01F9/12GK102333906SQ201080009432
公開日2012年1月25日 申請日期2010年2月26日 優先權日2009年2月27日
發明者H·C·馬來茨基, T·K·沙赫 申請人:應用納米結構方案公司