[0042]應用本發(fā)明中合成碳納米管的系統(tǒng)與工藝，可以高效、廉價、可控、批量、連續(xù)地合成質(zhì)量優(yōu)異的碳納米管及其陣列。
【附圖說明】
[0043]圖1為本發(fā)明碳納米管合成系統(tǒng)的示意圖。
[0044]圖2為火焰噴射器布置方式的三種參考示例。
[0045]圖3為對圖2(a)中的參考示例進行了數(shù)值模擬之后，環(huán)流火焰燃燒域中某一橫截面上的大致溫度分布情況。
[0046]圖4為由實施例1制備出來的單壁碳納米管的高倍透射電鏡照片。
[0047]圖5為由實施例1制備出來的單壁碳納米管在0-2500CII11拉曼位移范圍內(nèi)的拉曼光譜圖。
[0048]圖6為由實施例2制備出來的碳納米管陣列的掃描電鏡照片。
【具體實施方式】
[0049]下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0050]圖1為本發(fā)明碳納米管合成系統(tǒng)的示意圖。它以本發(fā)明的一種優(yōu)選具體實施例來進行描述。為了易于區(qū)分，圖1中，系統(tǒng)的理論組成部分用數(shù)字I開頭加以標注，系統(tǒng)的實物構造部件用數(shù)字2開頭加以標注。
[0051]圖1中，環(huán)流火焰燃燒域用101來表示，碳源熱解域用102來表示，碳納米管合成域用103來表示。這種表示方法僅為了闡釋碳源熱解域與碳納米管合成域在核心反應腔中的大致位置，事實上，碳源熱解域與碳納米管合成域之間并沒有明確的界限。此外，104表示成品采集單元，105表示化學反應原料供應單元。
[0052]圖1中，201表示核心反應腔，202表示環(huán)流火焰燃燒室，203表示火焰噴射口，204表示頂部傘，205表示成品采集探頭，206表示彈跳式探頭傳送帶，207表示碳源供應設備，208表示輔助氣體供應設備，209表示催化劑供應設備，210表示燃料供應設備，211表示氧化劑供應設備。其中，火焰噴射口(203)是指火焰噴射器的出口，即火焰噴射器與環(huán)流火焰燃燒室的交界面。
[0053]圖2為火焰噴射器布置方式的三種參考示例。其中，(a)為正四角布置方式，(b)為正六角布置方式，(C)為一種特殊的布置方式，該布置方式中，核心反應腔為方管形，其外壁的橫截面為矩形，燃燒室的橫截面為圓形，火焰噴射器布置在圓的任意兩條互相垂直的直徑的四個端點上。
[0054]—種環(huán)流火焰合成合成碳納米管的系統(tǒng)，包括:環(huán)流火焰燃燒域、碳源熱解域、碳納米管合成域、成品采集單元和化學反應原料供應單元，它們之間的關系如圖1所示。
[0055]此外，該系統(tǒng)還可以包括一些其它附屬組成部分。例如，當需要改變運行工況或系統(tǒng)出現(xiàn)問題需要停機時，為了及時冷卻火焰噴射器、燃燒室以及核心反應腔，保證設備的安全而設置的旁路系統(tǒng)。
[0056]在實物構造上，該系統(tǒng)的主要部件有:核心反應腔、環(huán)流火焰燃燒室、火焰噴射器、頂部傘、成品采集設備以及化學反應原料供應設備。
[0057]此外，該系統(tǒng)還可以包括一些其它附屬構造部件。例如，收集灰燼的冷灰斗；為了使火焰噴射器的出口氣流形成旋轉(zhuǎn)射流而設置的葉輪、導流器。
[0058]所述環(huán)流火焰燃燒域是環(huán)流火焰在空間的分布范圍。環(huán)流火焰的燃燒過程主要集中在環(huán)流火焰燃燒室內(nèi)進行。
[0059]所述碳源熱解域是碳源在高溫條件下發(fā)生熱解而產(chǎn)生碳原子的空間范圍。碳源的熱解過程主要在核心反應腔的中、下部進行。
[0060]所述碳納米管合成域是碳原子在合適的條件(如溫度、催化劑等)下合成碳納米管的空間范圍。碳納米管的合成過程主要是在核心反應腔的中、上部與出口外圍附近進行，在一些實施案例中，碳納米管的合成過程甚至可以在頂部傘內(nèi)進行。
[0061]所述成品采集單元是用來采集合成的碳納米管的一個模塊，其中包含一系列的設備，具體的設備將在后面進行介紹。
[0062]所述化學反應原料供應單元是用來為合成碳納米管的一系列化學反應與環(huán)流火焰的燃燒過程提供所需的各種化學原料(如碳源、催化劑、燃料等)的一個模塊，其中包含一系列的設備，具體的設備將在后面進行介紹。
[0063]所述核心反應腔從工程熱力學的角度，可看作是一個與外界有物質(zhì)與能量交換的、包含化學反應的開口系統(tǒng)，為從碳源熱解到碳納米管合成的一系列連續(xù)過程提供所需的空間。從碳源的熱解到碳納米管的合成是一系列連續(xù)的過程，這一系列連續(xù)的過程都是在核心反應腔內(nèi)進行的，碳源熱解域與碳納米管合成域之間并沒有明確的界限。通常，核心反應腔的中、下部提供的是碳源熱解域，而中、上部與出口外圍附近提供的是碳納米管合成域。
[0064]為了配合外部環(huán)流火焰的流體動力學特性，核心反應腔應當制成圓管，這樣可以獲得最佳的加熱效果。當然，將核心反應腔制成其它形狀也未嘗不可。
[0065]核心反應腔的底部與化學反應原料供應單元相連，合成碳納米管所需的碳源、催化劑、輔助氣體等化學反應原料由此輸入核心反應腔內(nèi)部。
[0066]為了監(jiān)測碳源熱解域及碳納米管合成域的溫度，應當在核心反應腔內(nèi)壁附近沿著高度方向設置多處測溫點，這就需要在這幾處設置溫度傳感器，并將其連接到外部的數(shù)字儀表上。
[0067]所述環(huán)流火焰燃燒室為環(huán)流火焰的燃燒提供所需的空間。它也可看作是一個與外界有物質(zhì)與能量交換的、包含化學反應的開口系統(tǒng)。
[0068]環(huán)流火焰燃燒室的外形沒有完全固定的模式，可根據(jù)具體的工作條件制成圓柱形、棱柱形、圓錐形、棱錐形等。對于非特殊的場合，為了便于安裝火焰噴射器，應當使用棱柱形環(huán)流火焰燃燒室。
[0069]為了監(jiān)測燃燒室內(nèi)不同高度處環(huán)流火焰的溫度，應當在核心反應腔外壁附近沿著高度方向設置多處測溫點，這就需要在這幾處設置溫度傳感器，并將其連接到外部的數(shù)字儀表上。
[0070]所述火焰噴射器用來向燃燒室內(nèi)噴射燃料與氧化劑，以便在燃燒室內(nèi)形成圍繞核心反應腔的環(huán)流火焰，從而為合成碳納米管的一系列化學反應提供所需的能量?；鹧鎳娚淦鞯倪M口與化學反應原料供應單元相連，環(huán)流火焰的燃燒過程所需的燃料、氧化劑等化學原料由此輸入，然后由出口噴入燃燒室內(nèi)部。燃料與氧化劑從火焰噴射器噴出后便開始燃燒，在燃燒室的中心(即核心反應腔外壁周圍)形成燃燒最劇烈的環(huán)流火焰。
[0071]火焰噴射器安裝在燃燒室的側(cè)壁上?？梢灾辉谌紵业哪骋桓叨忍幇惭b一組(單層布置)，也可以沿著燃燒室的高度方向安裝多組(多層布置)，根據(jù)實施例的需要而定。
[0072]燃料、氧化劑既可以先在火焰噴射器內(nèi)部預混后噴出，也可以在火焰噴射器內(nèi)從各自的通道分別噴出，隨后在燃燒室內(nèi)相遇。在不同的實施案例中可選用不同的混合方式。
[0073]為了控制火焰的燃燒特性，火焰噴射器的出口氣流既可以是直流射流，也可以是旋轉(zhuǎn)射流，在不同的實施案例中可選用不同的射流方式。要實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)射流，應當安裝一些能夠提供旋流條件的附屬部件，例如葉輪、導流器等。
[0074]此外，必須在某個(或多個)火焰噴射器的出口處布置點火器等附屬部件，當系統(tǒng)開始運行時，由點火器來點燃從火焰噴射器噴出的燃料。
[0075]所述頂部傘是安裝在核心反應腔頂部的部件，它的截面積較大，甚至能夠覆蓋環(huán)流火焰燃燒室的頂部，故而得名。通過它，可以實現(xiàn)多個目的、達到多種效果。
[0076]頂部傘的外形沒有完全固定的模式，可根據(jù)具體的工作條件制成圓盤形、扇面形、碗形、鰭片形、八字形、倒八字形、雙八字形、雙倒八字形、花瓣形等。
[0077]所述成品采集單元是用來采集合成的碳納米管的一系列設備的總稱。主要包括:成品采集探頭、彈跳式探頭傳送帶。
[0078]碳納米管合成域制得的成品由采集探頭取出，成品采集探頭既可深入核心反應腔內(nèi)部采集碳納米管，也可在頂部傘中采集碳納米管。
[0079]彈跳式探頭傳送帶是為了批量、連續(xù)生產(chǎn)的要求而設置的，成品采集探頭按設計的間隔與順序排布在傳送帶上。
[0080]傳送帶上的成品采集探頭到達碳納米管合成域的正上方時便會自動彈出，伸入到碳納米管合成域中