專利名稱：用于制造納米碳的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于制造納米碳的裝置和制造納米碳的方法。
背景技術(shù)：
近年來，納米碳的技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)比較活躍地進行。納米碳指的是具有納米級微細結(jié)構(gòu)的碳物質(zhì)，以碳納米管、碳納米角(carbon nanohorn)等為典型。對于這些物質(zhì)，碳納米角具有管狀體結(jié)構(gòu)，其中圓柱形地纏繞石墨層的碳納米管的一端具有錐形形狀，并且由于其獨特的特征可以預(yù)期能夠應(yīng)用到不同的技術(shù)領(lǐng)域。通常，碳納米角形成碳納米角組件，其中錐形部分以如角那樣突出到表面上的形式圍繞所述管為中心通過作用在錐形部分之間的范得瓦爾斯力(Van der Waals)收集。
報導(dǎo)稱碳納米角組件通過激光蒸發(fā)方法制造，通過所述激光蒸發(fā)方法，激光束在惰性氣體氛圍下照射到碳材料物質(zhì)上(下面適當(dāng)?shù)胤Q為石墨靶)。(專利文件1)。
日本專利公開出版物No.2001-64004。

發(fā)明內(nèi)容
但是，在用于制造納米碳的公知裝置的通常的設(shè)計中，需要抓住石墨靶的一個部分。出于此原因，激光束不能被照射到那部分，并且因此，石墨靶的整個表面不能被使用。結(jié)果，有個問題在于石墨靶的使用效率減小，納米碳的生產(chǎn)率減小。
本發(fā)明有鑒于上述的情況而提出，本發(fā)明的目的是提供一種提高碳納米角組件的生產(chǎn)率并適于大規(guī)模生產(chǎn)制造的制造方法和制造裝置。此外，本發(fā)明的另外的目的是提供一種提高納米碳的生產(chǎn)率并適于大規(guī)模生產(chǎn)制造的制造方法和制造裝置。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種制造納米碳的裝置，包括靶保持單元，所述靶保持單元具有與石墨靶的表面相接觸的接觸表面，并通過在接觸表面和石墨靶的表面之間所產(chǎn)生的摩擦力可移動地保持石墨靶；將光照射到石墨靶的表面上的光源；移動單元，所述移動單元驅(qū)動靶保持單元以相對光源移動通過靶保持單元所保持的石墨靶，以移動石墨靶的表面上的光的照射位置，以及通過在接觸表面和石墨靶的表面之間所產(chǎn)生的摩擦力移動石墨靶；以及回收(recovery)單元，所述回收單元回收從光照射所獲得的納米碳。
此外，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種制造納米碳的方法，包括將光照射到石墨靶的表面上；以及回收在照射光中所產(chǎn)生的納米碳，其中照射光包括在通過接觸表面保持石墨靶以及同時通過在所述表面和所述接觸表面之間的摩擦力移動石墨靶時照射所述光，所述接觸表面設(shè)置與所述表面相接觸。
根據(jù)本發(fā)明，不需要抓住石墨靶的一部分，可以對石墨靶的整個表面執(zhí)行燒蝕(ablation)，以及納米碳可以很容易大規(guī)模制造。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種制造納米碳的裝置，包括靶保持單元，所述靶保持單元具有與圓柱形石墨靶的表面相接觸的接觸表面并通過在接觸表面和石墨靶的表面之間所產(chǎn)生的摩擦力可移動地保持石墨靶；將光照射到石墨靶的表面上的光源；移動單元，所述移動單元驅(qū)動靶保持單元以相對光源移動通過靶保持單元所保持的石墨靶，以移動石墨靶的表面上的光的照射位置，以及通過在接觸表面和石墨靶的表面之間所產(chǎn)生的摩擦力圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)石墨靶；以及回收單元，所述回收單元回收從光照射所獲得的納米碳。
此外，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種制造納米碳的方法，包括將光照射到圓柱形石墨靶的表面上同時圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)石墨靶；以及回收在照射光中所產(chǎn)生的納米碳，其中照射光包括在通過設(shè)置與所述表面相接觸的接觸表面保持石墨靶同時通過在所述表面和所述接觸表面之間的摩擦力圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)石墨靶時照射所述光。
根據(jù)本發(fā)明，不需要抓住石墨靶的一部分，可以對石墨靶的整個表面執(zhí)行燒蝕，以及納米碳可以通過執(zhí)行光照射同時旋轉(zhuǎn)圓柱形石墨靶來很容易連續(xù)地大規(guī)模制造。
此外，在本發(fā)明中，“中心軸”指的是長度方向上的水平軸，通過垂直于圓柱形石墨靶的長度方向的橫截面中心。此外，例如，石墨棒可以被用作圓柱形石墨靶。此處，“石墨棒”指的是形成為棒形狀的石墨靶。如果使用棒形狀的一種，中空或者實心形狀不是問題。此外，優(yōu)選地，將通過光照射的圓柱形石墨靶的表面是圓柱形石墨靶的側(cè)表面。此處，“圓柱形石墨靶的側(cè)表面”指示與圓柱體的長度方向平行的圓形表面。
在本發(fā)明的用于制造納米碳的裝置中，靶保持單元可以具有旋轉(zhuǎn)軸基本平行于石墨靶的中心軸的兩個圓柱形輥并在彼此平行設(shè)置的位置之間保持石墨靶；以及移動單元可以圍繞中心軸通過在輥的接觸表面和石墨靶的表面之間所產(chǎn)生的摩擦力通過圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)所述輥而旋轉(zhuǎn)所述石墨靶。
根據(jù)此結(jié)構(gòu)，用簡單的結(jié)構(gòu)，可以對石墨靶的整個表面執(zhí)行燒蝕，以及納米碳可以通過執(zhí)行光照射同時旋轉(zhuǎn)圓柱形石墨靶來很容易大規(guī)模制造。
在用于制造本發(fā)明的納米碳的裝置中，移動單元可以驅(qū)動靶保持單元，這樣照射到石墨靶的表面的光的照射位置覆蓋在幾乎石墨靶的表面的整個區(qū)域之上。
此外，在本發(fā)明的制造納米碳的方法中，在將光照射到石墨靶的表面中，光可以被照射以覆蓋在石墨靶的幾乎整個表面區(qū)域之上，同時移動光的照射位置。
這使得用光石墨靶，并且因此納米碳的生產(chǎn)率可以進一步增加。
在本發(fā)明的用于制造納米碳的裝置中，移動單元可以被配置以在石墨靶的表面上的光的照射位置上保持光的照射角度基本恒定時，移動照射位置。
此外，在本發(fā)明的用于制造納米碳的裝置中，在照射光中，光可以被照射這樣光至石墨靶的表面的照射角度基本恒定。
這使得將光在基本恒定的照射角度上照射到石墨靶的表面，同時在光的照射位置上連續(xù)地供給石墨靶。結(jié)果，將被照射到石墨靶的表面上的光的功率密度的擺動(wobbling)肯定可以被抑制。因此，具有穩(wěn)定質(zhì)量的納米碳可以被大規(guī)模制造。
此外，在此說明書中，“照射角度”指的是通過光和在光的照射位置上對石墨靶的表面的垂直線所形成的角度。
此外，照射光這樣光對石墨靶的表面的照射角度變得基本恒定意味著照射角度恒定被保持到將被照射到石墨靶的表面上的光的功率密度不是故意波動的程度。
在本發(fā)明的用于制造納米碳的方法中，接觸表面可以設(shè)置與石墨靶的側(cè)表面相接觸。這使得穩(wěn)定地保持圓柱形石墨靶并穩(wěn)定地在其中心軸方向上旋轉(zhuǎn)。因此，具有穩(wěn)定質(zhì)量的納米碳可以用較高的生產(chǎn)率大規(guī)模制造。
在本發(fā)明的用于制造納米碳的裝置中，靶保持單元可以包括不銹鋼或者陶瓷之一，可選地為在表面上沉積碳的金屬。
根據(jù)此結(jié)構(gòu)，在熱阻條件下，在石墨靶和靶保持單元的輥之間產(chǎn)生適當(dāng)?shù)哪Σ習(xí)r石墨靶的表面不會受到損壞。
在本發(fā)明的制造納米碳的方法中，照射光可以包括照射激光束。
這使得光波長和方向恒定，由此對石墨靶的表面的光照射條件可以精確地控制。因此，所需的納米碳可以可選地制造。
在本發(fā)明的用于制造納米碳的裝置中，納米碳可以是碳納米角組件。
此外，在本發(fā)明的用于制造納米碳的方法中，回收納米碳可以包括回收碳納米角組件。
這使得能夠有效地執(zhí)行碳納米角組件的大規(guī)模合成。在本發(fā)明中，構(gòu)成碳納米角組件的碳納米角可以是單層碳納米角或者多層碳納米角。
此外，納米碳可以是碳納米管。
在本發(fā)明中，移動單元可以采用其中諸如石墨靶的長度方向上的照射位置在光被照射時同時圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)圓柱形石墨靶時被移動；以及當(dāng)石墨靶通過光照射所切割以及直徑減小時，石墨靶也在垂直于石墨靶的中心軸的向上方向上移動。根據(jù)此結(jié)構(gòu)，對石墨靶的光照射條件可以在石墨靶的運動的過程中精確地控制，以及由此可以可選地制造所需的納米碳。
根據(jù)如上所述的本發(fā)明，光照射到石墨靶的表面上同時通過設(shè)置與石墨靶的表面相接觸的接觸表面保持石墨靶，并同時通過所述表面和接觸表面之間的摩擦力移動石墨靶；由此可以提供一種制造方法和制造裝置，能夠提高碳納米角組件的生產(chǎn)率并適于大規(guī)模生產(chǎn)制造。此外，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種制造方法和制造裝置，提高了納米碳的生產(chǎn)率并適于大規(guī)模生產(chǎn)制造。


前述的目的和其它目的、特征和優(yōu)點將從優(yōu)選的實施例的下述說明和附圖變得顯而易見。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例用于制造納米碳的裝置的結(jié)構(gòu)示例的透視圖；圖2是顯示了如圖1所示的用于制造納米碳的裝置的靶保持單元的示例的部分橫截面視圖；圖3是如圖1所示的用于制造納米碳的裝置的靶保持單元的示例的部分橫截面視圖；圖4是用于解釋在如圖2所示的靶保持可移動單元上石墨棒的旋轉(zhuǎn)的視圖；圖5是如圖2所示的靶保持單元的上下可移動部分的示例的部分主視圖；圖6是說明如圖2所示的靶保持單元上的石墨棒的位置運動的視圖；圖7是用于制造如圖1所示的納米碳的裝置的靶保持單元的示例的部分橫截面視圖；圖8是說明如圖7所示的靶保持可移動單元上石墨棒的旋轉(zhuǎn)的視圖；圖9是說明如圖7所示的靶保持可移動單元上石墨棒的位置運動的視圖。
具體實施例方式
參照附圖，根據(jù)本發(fā)明用于制造納米碳的裝置和方法的優(yōu)選實施例將在下面通過納米碳是以碳納米角組件作為示例的情況下進行說明。此外，圖1和用于說明其它制造裝置的附圖是示意附圖，各構(gòu)成部件的尺寸不必然對應(yīng)實際的尺寸比例。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例用于制造納米碳的裝置的結(jié)構(gòu)示例的視圖。此實施例的制造裝置包括將激光束103照射到石墨棒101的激光源111、用于激光束103的聚光透鏡123、可旋轉(zhuǎn)地并可移動地保持石墨棒101的靶保持可移動單元130、制造室107，所述制造室107容納靶保持可移動單元130并通過將來自激光源111的激光束103通過激光束窗口113照射到石墨棒101，設(shè)置在稱為羽狀物(plume)109的火焰產(chǎn)生方向上的承載管(carrier pipe)141，所述羽狀物在激光束103從激光源111照射到石墨棒101的側(cè)表面時產(chǎn)生，以及納米碳回收室119，所述納米碳回收室119與制造室107通過承載管141相連通并將從石墨棒101蒸發(fā)的碳蒸汽作為納米碳回收。在此實施例中，將被回收的納米碳包括碳納米角組件117。
此外，制造室107通過流量計129連接到惰性氣體供給單元127。
此處，當(dāng)激光束103從激光源111照射到石墨棒101的表面時承載管141設(shè)置在羽狀物109的產(chǎn)生方向上。在圖1中，由于激光束103在對石墨棒101的表面上所形成的45度角度上照射時，羽狀物109在垂直于石墨棒101的表面的方向上產(chǎn)生。然后，承載管141被配置這樣其長度方向被安置在垂直于石墨棒101的表面的方向上。這使得所制造的碳納米角組件117肯定回收到納米碳回收室119中。
此外，制造室107被配置這樣激光束103被照射到石墨棒101的側(cè)表面同時在周向方向上旋轉(zhuǎn)石墨棒101，這將在后面說明。激光束103在其中激光束103的方向不順應(yīng)羽狀物109的產(chǎn)生方向的位置關(guān)系中被照射。這使得在石墨棒101的側(cè)表面上所產(chǎn)生的羽狀物109的角度被臨時預(yù)測。因此，承載管141的位置和角度可以準確地控制。結(jié)果，碳納米角組件117可以有效地制造并肯定回收。
在此實施例中，圓柱形石墨棒101被用作作為將通過激光束103所照射的靶的實心碳元素物質(zhì)。
圖2是從圖1的右側(cè)所示的部分橫截面視圖，其顯示了如圖1所示的用于制造納米碳的裝置的靶保持可移動單元130的示例。圖3是從圖1中的前側(cè)所示的部分橫截面視圖，顯示了如圖1所示的靶保持可移動單元130。此處，圖2、3顯示了石墨棒101被安裝到靶保持可移動單元130上的狀態(tài)。
如圖2、3中所示，靶保持可移動單元130具有與石墨棒101的側(cè)表面相接觸的接觸表面并包括兩個保持輥131，所述兩個保持輥131通過在石墨棒101的接觸表面和側(cè)表面之間所產(chǎn)生的摩擦力可旋轉(zhuǎn)地保持石墨棒101，以及可移動臺144，所述可移動臺144在基本平行于保持輥131的旋轉(zhuǎn)軸133的方向上移動。
保持輥131包括不銹鋼或者陶瓷之一，可選地為在表面上沉積碳的金屬。具體而言，在不銹鋼的情況下，粗糙表面的不銹鋼是優(yōu)選的。這使得在石墨棒101的表面和接觸表面之間產(chǎn)生適當(dāng)?shù)哪Σ亮r石墨棒101的表面不會受到損壞。
互鎖齒132被形成在各保持輥131的一端上。互鎖齒132被形成以不與石墨棒101的側(cè)表面相接觸。各保持輥131具有設(shè)置基本平行于石墨棒101的中心軸102的旋轉(zhuǎn)軸133以及電動機139，所述電動機139通過各保持輥131的旋轉(zhuǎn)軸133旋轉(zhuǎn)各保持輥131。石墨棒101保持在兩個保持輥131的旋轉(zhuǎn)軸133基本彼此平行設(shè)置的位置之間。保持輥131的旋轉(zhuǎn)軸133的兩端可旋轉(zhuǎn)地通過旋轉(zhuǎn)軸保持器134和旋轉(zhuǎn)軸保持器142固定到可移動臺144。此外，電動機139固定到旋轉(zhuǎn)軸保持器142上。
這樣構(gòu)造的靶保持可移動單元130通過電動機139圍繞旋轉(zhuǎn)軸133旋轉(zhuǎn)保持輥131。圖4是如圖2中所示的靶保持可移動單元130上的石墨棒101的旋轉(zhuǎn)的說明視圖。
圖4是從垂直于長度方向的橫截面所示、顯示了兩個圓柱形保持輥131和圓柱形石墨棒101的視圖。兩個保持輥131平行地設(shè)置并且石墨棒101保持在其間。在保持輥131的接觸表面和與石墨棒101相接觸的接觸表面上的石墨棒101的側(cè)表面之間產(chǎn)生摩擦力。石墨棒101可以通過由旋轉(zhuǎn)保持輥131所產(chǎn)生的摩擦力而反向旋轉(zhuǎn)。這樣，在接觸表面上保持石墨棒101并沿著中心軸102旋轉(zhuǎn)石墨棒101的機構(gòu)被單獨設(shè)置，由此穩(wěn)定地保持石墨棒101并很好地可靠旋轉(zhuǎn)。
再次參照圖2、3，在基本平行于保持輥131的旋轉(zhuǎn)軸133的方向上，螺紋孔(tapped hole)141形成在可移動臺144的下側(cè)上。靶保持可移動單元130還包括絲杠桿(feed screw rod)146，所述絲杠桿146被插入到螺紋孔147中以通過旋轉(zhuǎn)互鎖和移動所述可移動臺144；電動機149，所述電動機149圍繞軸方向旋轉(zhuǎn)絲杠桿146；以及絲杠保持器151，所述絲杠保持器151將絲杠桿146的兩端固定到桿支撐基部153。
軸156可旋轉(zhuǎn)地設(shè)置在可移動臺144的下端上，以及輪155可旋轉(zhuǎn)地設(shè)置在軸156的兩側(cè)上以在基本平行于安裝到可移動臺144上的保持輥131的旋轉(zhuǎn)軸133的方向上移動。各輪155具有形成在周向中心上的槽157。
靶保持可移動單元130包括桿支撐基部153和沿著基本平行于保持輥131的旋轉(zhuǎn)軸133的方向在桿支撐基部153上延伸的橫桿159，并與輪155的槽157配合，所述輪155用于可移動臺144。
在此實施例中，這樣構(gòu)造的靶保持可移動單元130使得在通過旋轉(zhuǎn)電動機149在基本平行于石墨棒101的中心軸102的方向上能夠移動。在長軸方向上移動石墨棒101的移動單元不限于此結(jié)構(gòu)，但是其也可以使用其它單元。
圖5是如圖2所示的靶保持單元130的上下可移動部分的示例的部分主視圖。如圖5所示的靶保持單元130的上下可移動部分被安置在靶保持可移動單元130的橫桿支撐基部153的四個拐角上。如圖3、5中所示，靶保持單元130的上下可移動部分包括基部171；設(shè)置垂直于基部171的表面的支架173；齒輪161，每個齒輪161與形成在支架173上的互鎖齒嚙合并以旋轉(zhuǎn)在支架173之間上下移動；用于齒輪161的旋轉(zhuǎn)軸163；可旋轉(zhuǎn)地將旋轉(zhuǎn)軸163固定到橫桿支撐基部153的旋轉(zhuǎn)軸保持器165和旋轉(zhuǎn)軸保持器167；以及電動機169，所述電動機169被放置在旋轉(zhuǎn)軸163的一端上并通過旋轉(zhuǎn)軸163圍繞旋轉(zhuǎn)軸163旋轉(zhuǎn)齒輪161。
在此實施例中，這樣構(gòu)造的靶保持可移動單元130通過電動機169旋轉(zhuǎn)齒輪161并通過上下移動齒輪161而上下移動橫桿支撐基部153，同時與支架173嚙合。在垂直向上的方向上移動石墨棒101的移動單元不限于此結(jié)構(gòu)，但是也可以應(yīng)用其它單元。
靶保持可移動單元130具有圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)石墨棒101旋轉(zhuǎn)的電動機139，電動機149，所述電動機149在平行于中心軸的方向上移動；以及電動機169，所述電動機169在上下的方向上移動；以及這些電動機作為單獨的驅(qū)動機構(gòu)操作，由此確定地保持石墨棒101并在各方向上很好地可控地移動石墨棒101。
此外，盡管在附圖中沒有特別顯示，此實施例包括控制單元，所述控制單元控制各電動機139、電動機149和電動機169的旋轉(zhuǎn)?？刂茊卧梢允遣僮鲉卧?，所述操作單元手工控制各電動機或者計算機等，其自動控制各電動機。
在此實施例的制造裝置中，激光源111的位置被固定到制造室107。參照圖4、6，石墨棒101的垂直方向上的位置運動將在下面描述。圖6是說明如圖2所示的靶保持單元130上的石墨棒101的位置運動的視圖。
圖4是垂直于中心軸102的橫截面，顯示了在執(zhí)行光照射之前的石墨棒101；圖6是垂直于中心軸102的橫截面，顯示了其橫截面直徑通過執(zhí)行光照射而減小的石墨棒101。
如圖4所示，激光束103被照射這樣照射角度恒定。激光束103可以在石墨棒101的長度的方向上以恒定的功率密度通過在其長度方向上滑動石墨棒101而連續(xù)地照射同時保持激光束103的照射角度恒定。
此外，在此說明書中所示的“功率密度”指的是實際照射到石墨靶的表面的光的功率密度，即，這意味著在石墨靶的表面的光照射部分上的功率密度。
在使用圓柱形石墨靶的情況下，照射角度是通過連接照射位置和圓心的線段以及在垂直于石墨棒101的長度方向的橫截面上的水平面所形成的角度。在此實施例中，為了抑制返回光的產(chǎn)生，并穩(wěn)定地用很高的純度制造碳納米角組件117，優(yōu)選地，設(shè)置照射角度不小于30度且不大于60度。
照射角度被設(shè)置不小于30度，由此使得能夠抑制由于反射所照射的激光束103而產(chǎn)生的返回光。此外，這可以防止所產(chǎn)生的羽狀物109通過激光束窗口113直接撞擊透鏡123。出于此原因，保護透鏡123并防止碳納米角組件117粘附到激光束窗口113是有效的。結(jié)果，將被照射到石墨棒101的光的功率密度可以穩(wěn)定化并且碳納米角組件117可以用很高的收益常數(shù)來穩(wěn)定地制造。
此外，激光束103在不大于60度上照射，由此使得能夠抑制無定形碳的產(chǎn)生并提高產(chǎn)品中的碳納米角組件117的速率，即，碳納米角組件117的產(chǎn)量常數(shù)可以被提高。此外，特別優(yōu)選地，設(shè)置照射角度為45度。產(chǎn)品中碳納米角組件117的速率可以通過在45度上照射而進一步提高。
此外，由于其被配置以將激光束103照射到石墨棒101的側(cè)表面，在透鏡123的位置被固定的狀態(tài)下，可以通過改變對側(cè)表面的照射角度而很容易改變。因此，功率密度可以是可改變的并肯定可調(diào)節(jié)。例如，在透鏡123的位置是固定的情況下，如果照射角度被設(shè)置為30度，例如，功率密度可以增加。此外，例如，如果照射角度被設(shè)置為60度，功率密度可以被控制以降低。
此外，石墨棒101通過光照射而被切割以及其直徑減小。圖6顯示了此過程。為了維持激光束103的照射角度恒定，保持輥131需要在垂直向上的方向上移動到石墨棒101的中心軸102。如圖6中所示，將被照射石墨棒101的激光束103的照射角度可以通過移動保持輥131而被保持恒定。
這樣，石墨棒101可以通過在保持輥131的接觸表面和石墨棒101的表面之間所產(chǎn)生的摩擦力而圍繞中心軸102旋轉(zhuǎn)并可以在長軸方向上以及在垂直向上方向上移動，同時保持激光束103的照射角度恒定，由此激光束103的照射位置可以覆蓋幾乎石墨棒101的側(cè)表面的整個區(qū)域。
此外，“激光束103的照射位置可以覆蓋幾乎石墨棒101的側(cè)表面的整個區(qū)域”指的是如果可以在石墨棒101的側(cè)表面的整個區(qū)域之上產(chǎn)生碳蒸汽是可以接受的。整個石墨棒101可以通過提供能夠在石墨棒101的整個側(cè)表面上產(chǎn)生碳蒸汽的結(jié)構(gòu)而被用作碳納米角組件117的材料，由此抑制未使用的將在石墨棒101中產(chǎn)生的區(qū)域，由此材料可以被有效地使用。
如上所述，在用于制造此實施例的納米碳的裝置中，不需要緊握石墨棒101的一部分并且光照射通過連續(xù)地改變將被照射到圓柱形石墨棒101的側(cè)表面的激光束103的一部分以及通過旋轉(zhuǎn)照射部分而在石墨棒101的表面的整個區(qū)域之上執(zhí)行；以及因此，碳納米角組件117可以很容易連續(xù)地大規(guī)模制造。此外，由于作為石墨靶的石墨棒101可以通過激光束103反復(fù)照射，因此石墨棒101可以有效地被利用。
接著，使用此實施例的制造裝置的碳納米角組件117的制造方法將在下面說明。
在此實施例的制造裝置中，諸如圓棒燒結(jié)碳、壓縮模制碳的高純度石墨可以被用作石墨棒101。
此外，例如，諸如高輸出功率CO2氣體激光束的激光束被用作激光束103。
激光束103在包括稀有氣體諸如Ar、He的反應(yīng)惰性氣體的氛圍下，諸如在不小于103Pa至不大于105Pa的壓力的氛圍之下被照射到石墨棒101上。此外，其優(yōu)選地是在制造室107的內(nèi)部通過在不大于10-2Pa的壓力上用壓力計145與其連接的真空泵143減壓而臨時排空之后的惰性氣體氛圍。
此外，優(yōu)選地，調(diào)節(jié)激光束103的輸出功率、點直徑和照射角度，這樣在石墨棒101的側(cè)表面上的激光束103的功率密度幾乎保持恒定，例如不小于5kw/cm2至不大于25kw/cm2。
激光束103的輸出功率被設(shè)置為諸如不小于1kW至不大于50kW。此外，激光束103的脈沖寬度被設(shè)置不小于0.5sec，優(yōu)選地不小于0.75sec。這使得照射到石墨棒101的表面上的激光束103的聚集能量被充分保證。因此，碳納米角組件117可以被有效地制造。此外，激光束103的脈沖寬度被設(shè)置不小于1.5sec，例如，優(yōu)選地不大于1.25sec。這過分加熱了石墨棒101的表面，由此使得表面的能量密度波動，由此碳納米角組件117的產(chǎn)量的降低可以被抑制。此外，優(yōu)選地，設(shè)置激光束103的脈沖寬度不小于0.75sec至不大于1sec。這提高了形成速率和碳納米角組件117的產(chǎn)量常數(shù)。
此外，在激光束103的照射上的間歇(intermission)寬度可以被設(shè)置不小于0.1sec，優(yōu)選地不小于0.25sec。這更為確定地抑制石墨棒101的表面被過分加熱。
例如，激光束103的優(yōu)選照射角度參照圖4、6進行描述。在照射激光束103中至石墨棒101的側(cè)表面的點直徑可以諸如設(shè)置不小于0.5mm至不大于5mm。
此外，優(yōu)選地，設(shè)置激光束103的點在不小于0.01mm/sec的速率(線性速度)至不大于55mm/sec上移動。例如，在激光束103被照射到具有100mm的直徑的石墨靶的表面，當(dāng)具有100mm直徑的石墨棒101以恒定的速度通過靶保持可移動單元130在周向方向上旋轉(zhuǎn)時，如果旋轉(zhuǎn)速度被設(shè)置諸如不小于0.01rpm至不大于10rpm，前述的線性速度(周向速度)可以被實現(xiàn)。此外，優(yōu)選地，如果旋轉(zhuǎn)速度被設(shè)置不小于2rpm至不大于6rpm，碳納米角組件117的產(chǎn)量常數(shù)可以被進一步提高。
此外，石墨棒101的旋轉(zhuǎn)方向不受到限制；但是，在照射位置從激光束103后撤的方向上旋轉(zhuǎn)是優(yōu)選的，即，優(yōu)選地從通過如圖1的箭頭所指示的激光束103朝向承載管141的方向上旋轉(zhuǎn)。這使得碳納米角組件117被更肯定地回收。
在如圖1所示的裝置中，通過激光束103的照射所獲得的煙灰狀物質(zhì)在納米碳回收室119中回收；但是，煙灰狀物質(zhì)可以通過沉積在適當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)上來回收或者通過具有塵袋的微細微粒回收方法來回收。此外，煙灰狀物質(zhì)可以通過將惰性氣體在反應(yīng)容器中流動而從惰性氣體流中回收。
通過使用此實施例的裝置所獲得的煙灰狀物質(zhì)主要包括碳納米角組件117并作為包括不小于50wt％的碳納米角組件117的物質(zhì)來回收。
此外，碳納米角的形狀、直徑尺寸、長度和尖端部分的形狀、構(gòu)成碳納米角組件117的碳分子或者碳納米角之間的間距等可以用不同的方式通過激光束103的照射條件等而可控制。
在此實施例的裝置中，旋轉(zhuǎn)保持輥131的齒輪可以設(shè)置作為用于旋轉(zhuǎn)保持輥131的機構(gòu)。圖7是顯示了具有這樣結(jié)構(gòu)的靶保持可移動部分175的結(jié)構(gòu)的視圖。
如圖7所示的靶保持可移動部分175的基礎(chǔ)構(gòu)成與如圖2所示的靶保持可移動單元130相同；但是，不同點在于靶保持可移動部分175包括與保持輥131的互鎖齒132嚙合的齒輪135以及圍繞旋轉(zhuǎn)軸133旋轉(zhuǎn)保持輥131，用于齒輪135的旋轉(zhuǎn)軸137，以及通過旋轉(zhuǎn)軸137旋轉(zhuǎn)齒輪135的電動機139。電動機139被固定到旋轉(zhuǎn)軸保持器142上。
圖8是用于解釋靶保持可移動單元175上的石墨棒101的旋轉(zhuǎn)的視圖。在靶保持可移動單元175中，電動機139旋轉(zhuǎn)齒輪135，互鎖齒132通過齒輪135的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，以及保持輥131圍繞旋轉(zhuǎn)軸133旋轉(zhuǎn)。
此外，圖9是說明如圖7所示的靶保持可移動部分175上的石墨棒101的位置運動的視圖。如圖9中所示，將被照射到石墨棒101的激光束103的照射角度可以通過在上下的方向上移動保持輥131和齒輪135而保持恒定。
在此實施例中，旋轉(zhuǎn)保持輥131的結(jié)構(gòu)不限于前述的結(jié)構(gòu)；例如，傳送電動機139的旋轉(zhuǎn)的傳送帶可以設(shè)置在保持輥131的一端上。
此前，作為納米碳制造的碳納米角組件的情況被進行了說明。碳納米角的形狀、直徑尺寸、長度、尖端部分的形狀、構(gòu)成碳納米角組件117的碳分子或者碳納米角之間的間距等可以用不同的方式通過激光束103的照射條件等可控制。
此外，使用此實施例的制造裝置所制造的納米碳不限于碳納米角組件。
例如，使用此實施的制造裝置可以來制造碳納米管。在制造碳納米管的情況下，優(yōu)選地調(diào)整激光束103的輸出功率、點直徑和照射角度，這樣在石墨棒101的側(cè)表面上的激光束103的功率密度幾乎保持恒定，例如是50±10kW/cm2。此外，金屬催化劑以不小于0.0001wt％至不大于5wt％添加到石墨棒101。諸如Ni、Co等的金屬可以被用作金屬催化劑。
此外，在上述的實施例中，盡管石墨棒101被使用的情況作為示例進行了描述，石墨棒的形狀不限于圓柱形形狀，但是片狀形狀、棒狀形狀等可以被使用。即使在石墨靶是片狀形狀、棒狀形狀等的情況下，激光束103通過排除靶緊握部分而可以被照射到石墨靶的整個表面，由此納米碳的生產(chǎn)率可以提高。
(實施例)在此實施例中，碳納米角組件117使用具有如圖1-6所示的結(jié)構(gòu)的用于制造納米碳的裝置來制造。
具有直徑100mm、長度250mm、重量3.7kg的燒結(jié)碳圓形棒被用作石墨棒101；以及此棒被放置在制造室107中的靶保持可移動單元130的兩個保持輥131之間。在制造室107的內(nèi)部通過減壓到壓力10-3Pa而被排空之后，Ar氣被引入直到環(huán)境壓力105Pa。然后，激光束103被照射到石墨棒101的側(cè)表面同時在6rpm的旋轉(zhuǎn)速度上旋轉(zhuǎn)石墨棒101并在室溫上水平地在0.3mm/sec上移動。
高功率CO2激光束被用作激光束，在1秒振蕩和250msec等待的脈沖條件之下執(zhí)行脈沖振蕩。此外，激光束103的照射角度被設(shè)置為45度，石墨棒101的側(cè)表面上的功率密度被設(shè)置為20kW/cm2±10kW/cm2。
從具有3.7kg的石墨棒101可以獲得具有大約2.8kg的煙灰狀物質(zhì)。所獲得煙灰狀物質(zhì)通過TEM觀察。此外，1350cm-1和1590cm-1的強度通過Raman分光鏡方法來進行比較并且碳納米角組件117的產(chǎn)量常數(shù)被計算。
根據(jù)通過透射電子顯微鏡術(shù)(TEM)觀察所獲得的煙灰狀物質(zhì)，碳納米角組件117主要被形成并且其微粒直徑在不小于80nm至不大于120nm的范圍之內(nèi)。此外，根據(jù)在通過Raman分光鏡方法的光照射之后在整個物質(zhì)中所獲得的碳納米角組件117的產(chǎn)量常數(shù)的計算，各產(chǎn)量常數(shù)為不小于50％純度的高產(chǎn)量常數(shù)。
結(jié)果，在此實施例中，石墨棒101不使用緊握機構(gòu)而被保持，由此照射激光束103至石墨棒101的側(cè)表面的整個區(qū)域之上，由此可以獲得具有較高產(chǎn)量常數(shù)的碳納米角組件117。此外，此過程是適于碳納米角組件117的大規(guī)模制造的連續(xù)過程是顯而易見的。
權(quán)利要求
1.一種用于制造納米碳的裝置，包括靶保持單元，所述靶保持單元具有與石墨靶的表面相接觸的接觸表面并通過在接觸表面和所述石墨靶的所述表面之間所產(chǎn)生的摩擦力可移動地保持所述石墨靶；將光照射到所述石墨靶的所述表面上的光源；移動單元，所述移動單元驅(qū)動所述靶保持單元以相對所述光源移動通過所述靶保持單元所保持的所述石墨靶，以移動所述石墨靶的所述表面上的所述光的照射位置，以及通過在所述接觸表面和所述石墨靶的所述表面之間所產(chǎn)生的摩擦力移動所述石墨靶；以及回收單元，所述回收單元回收從所述光照射所獲得的納米碳。
2.一種用于制造納米碳的裝置，包括靶保持單元，所述靶保持單元具有與圓柱形石墨靶的表面相接觸的接觸表面并通過在接觸表面和所述石墨靶的所述表面之間所產(chǎn)生的摩擦力可移動地保持所述石墨靶；將光照射到所述石墨靶的所述表面上的光源；移動單元，所述移動單元驅(qū)動所述靶保持單元以相對所述光源移動通過所述靶保持單元所保持的所述石墨靶，以移動所述石墨靶的所述表面上的所述光的照射位置，以及通過在所述接觸表面和所述石墨靶的所述表面之間所產(chǎn)生的摩擦力圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)所述石墨靶；以及回收單元，所述回收單元回收從所述光照射所獲得的納米碳。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于制造納米碳的裝置，其中，所述靶保持單元具有旋轉(zhuǎn)軸基本平行于所述石墨靶的所述中心軸的兩個圓柱形輥并在彼此平行設(shè)置的位置之間保持所述石墨靶；以及所述移動單元通過在所述輥的所述接觸表面和所述石墨靶的所述表面之間所產(chǎn)生的摩擦力通過圍繞所述旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)所述輥而圍繞所述中心軸旋轉(zhuǎn)所述石墨靶。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的用于制造納米碳的裝置，其中，所述移動單元驅(qū)動所述靶保持單元，這樣照射到所述石墨靶的所述表面的所述光的照射位置覆蓋在幾乎所述石墨靶的所述表面的整個區(qū)域之上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一所述的用于制造納米碳的裝置，其中，所述移動單元被配置以在所述石墨靶的所述表面上的所述光的照射位置上在保持所述光的照射角度基本恒定時，移動所述照射位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一所述的用于制造納米碳的裝置，其中，所述靶保持單元包括不銹鋼或者陶瓷之一，可選地為在表面上沉積碳的金屬。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一所述的用于制造納米碳的裝置，其中，所述納米碳是碳納米角組件。
8.一種制造納米碳的方法，包括將光照射到石墨靶的表面上；以及回收在所述照射光中所產(chǎn)生的納米碳，其中所述照射光包括在通過設(shè)置與所述表面相接觸的接觸表面保持所述石墨靶同時通過在所述表面和所述接觸表面之間的摩擦力移動石墨靶時照射所述光。
9.一種制造納米碳的方法，包括將光照射到圓柱形石墨靶的表面上同時圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)所述石墨靶；以及回收在所述照射光中產(chǎn)生的納米碳，其中所述照射光包括在通過設(shè)置與所述表面相接觸的接觸表面保持所述石墨靶以及同時通過在所述表面和所述接觸表面之間的摩擦力圍繞中心軸旋轉(zhuǎn)所述石墨靶時照射所述光。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的制造納米碳的方法，其中，所述接觸表面設(shè)置與所述石墨靶的側(cè)表面相接觸。
11.根據(jù)權(quán)利要求8-10任一所述的制造納米碳的方法，其中，在所述將光照射到所述石墨靶的表面中，所述光被照射以覆蓋在所述石墨靶的所述表面的幾乎整個區(qū)域之上，同時移動所述光的照射位置。
12.根據(jù)權(quán)利要求8-10任一所述的制造納米碳的方法，其中，在所述照射光中，所述光被照射，這樣所述光至所述石墨靶的所述表面的照射角度基本恒定。
13.根據(jù)權(quán)利要求8-12任一所述的制造納米碳的方法，其中，其中所述照射光包括照射激光束。
14.根據(jù)權(quán)利要求8-13任一所述的制造納米碳的方法，其中，所述回收納米碳可以包括回收碳納米角組件。
全文摘要
一種納米碳制造裝置，包括激光束源(111)，所述激光束源將激光束照射到石墨棒(101)的表面上，納米碳收集裝置(119)，以納米碳形式收集通過激光束照射的石墨棒(101)的蒸發(fā)的碳蒸汽，以及保持輥(131)，保持輥(131)具有與石墨棒(101)的表面相接觸的接觸表面并通過在接觸表面和石墨棒(101)的表面之間產(chǎn)生的摩擦力可移動地保持石墨棒(101)。石墨棒(101)通過保持輥(131)的接觸表面和石墨棒(101)的表面之間所產(chǎn)生的摩擦力旋轉(zhuǎn)和移動以驅(qū)動保持輥(131)，這樣照射到石墨棒(101)的表面上的激光束進入到石墨棒(101)的大致整個表面區(qū)域。
文檔編號C01B31/02GK1832903SQ20048002267
公開日2006年9月13日 申請日期2004年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月20日
發(fā)明者莇丈史, 飯島澄男, 湯田坂雅子, 糟屋大介 申請人:日本電氣株式會社