用于超長碳納米管的化學(xué)氣相沉積的擴(kuò)大反應(yīng)器的制造方法
【專利說明】用于超長碳納米管的化學(xué)氣相沉積的擴(kuò)大反應(yīng)器
[0001]本申請(qǐng)為分案申請(qǐng)，原申請(qǐng)的申請(qǐng)日是2011年12月14日，申請(qǐng)?zhí)柺?01110430424.8，發(fā)明名稱為“用于超長碳納米管的化學(xué)氣相沉積的擴(kuò)大反應(yīng)器”。
【背景技術(shù)】
[0002]本公開的領(lǐng)域一般地涉及納米管的生長，并且更具體地，涉及用于超長碳納米管(CNTs)的化學(xué)氣相沉積(CVD)的擴(kuò)大反應(yīng)器。
[0003]碳納米管是本質(zhì)上具有管形式的石墨片組合物的小的管狀結(jié)構(gòu)。碳納米管的特點(diǎn)是小于100納米的直徑和大的縱橫比，其中長度比直徑大得多。例如，CNT的長度可超過直徑的1000倍。CNT具有半導(dǎo)體特性或高度傳導(dǎo)性，這取決于它們的手性。這樣的特點(diǎn)使碳納米管理想地用于多種電子學(xué)應(yīng)用。
[0004]通常，碳納米管可分為單壁型和多壁型。單壁型碳納米管結(jié)構(gòu)僅具有一層圓柱形石墨層。多壁型碳納米管結(jié)構(gòu)具有兩層或多層嵌套的圓柱形石墨層。
[0005]現(xiàn)有的線性的化學(xué)氣相沉積(CVD)反應(yīng)器能夠垂直于原料氣流或沿著原料氣流方向排列生長碳納米管。垂直生長在高度上受限于生長CNT的爐所限定的管的尺寸，通常為1英寸、2英寸或4英寸。沿原料氣流方向排列的生長在長度上受限于其上溫度保持恒定的爐內(nèi)區(qū)域的尺寸。
[0006]目前用于線性CVD反應(yīng)器的管式爐大約4英尺長。反應(yīng)器管末端從爐伸出，因此在爐末端附近的溫度不是恒定的。爐中心含有恒溫區(qū)。在CVD CNT生長中，加熱原料氣至一定的溫度需要花費(fèi)一些時(shí)間，并且因?yàn)樵蠚馐橇鲃?dòng)的，所以需要一些距離。該距離比CVD反應(yīng)器管的起始處較冷區(qū)域更長。在管式爐內(nèi)僅從充分加熱氣體開始的區(qū)域至該恒溫區(qū)終點(diǎn)可用于納米管生長。
[0007]到目前為止，在這種管式爐中生長的最長納米管為大約18.5cm長。在這個(gè)長度上終止生長是因?yàn)槌^生長基底大約18.5cm室溫度降低。
[0008]生產(chǎn)較長納米管的一個(gè)解決方案將是在較長爐內(nèi)使用較長的直的(線性的)CVD反應(yīng)器。但是，生產(chǎn)的管長度仍然受限于可獲得的爐和CVD反應(yīng)器管的長度，并且因此不能制作任意長度的納米管。
[0009]簡(jiǎn)述
[0010]在一個(gè)方面，提供了使用化學(xué)氣相沉積(CVD)過程反應(yīng)器爐制備任意長度碳納米管(CNTs)的設(shè)備，CNT沿著爐的長度的一部分軸向生長。該設(shè)備包括心軸和轉(zhuǎn)動(dòng)心軸的機(jī)械裝置。心軸位于爐的恒溫區(qū)內(nèi)并且當(dāng)爐內(nèi)生長CNT時(shí)可進(jìn)行在轉(zhuǎn)動(dòng)的心軸周圍收集CNT的操作。
[0011]在另一方面，提供了化學(xué)氣相沉積(CVD)過程爐。該爐包括反應(yīng)室和放置在反應(yīng)室內(nèi)的可旋轉(zhuǎn)心軸，反應(yīng)室配置為從其中的催化劑和通過其中的氣流生長碳納米管。相對(duì)于氣流，可旋轉(zhuǎn)心軸在催化劑的下游，并且由于氣流在可旋轉(zhuǎn)心軸的方向吹CNT時(shí)，可操作可旋轉(zhuǎn)心軸以在可旋轉(zhuǎn)心軸周圍收集CNT。
[0012]已經(jīng)討論的特征、功能和優(yōu)勢(shì)可在各種實(shí)施方式中獨(dú)立實(shí)現(xiàn)或可在其它實(shí)施方式中結(jié)合，參考下列描述和附圖可看出其進(jìn)一步的細(xì)節(jié)。
[0013]附圖簡(jiǎn)述
[0014]圖1是線性化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器示意性側(cè)視圖。
[0015]圖2是圖1的CVD反應(yīng)器的一部分的剖面圖。
[0016]圖3是擴(kuò)大反應(yīng)器的一個(gè)實(shí)施方式的剖面圖。
[0017]圖4是圖3的擴(kuò)大反應(yīng)器的爐的恒溫部分內(nèi)心軸和催化劑的側(cè)視圖。
[0018]圖5是圖4的心軸和與心軸相關(guān)的組件部件的端視圖。
[0019]圖6是用于引起心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)組件的端視圖。
[0020]圖7是圖6的驅(qū)動(dòng)組件的側(cè)視圖。
[0021]詳述
[0022]參考以上段落，因?yàn)樾枰銣貐^(qū)以連續(xù)生長納米管，現(xiàn)有爐內(nèi)任意長度碳納米管的制備需要CVD反應(yīng)器內(nèi)納米管的非線性生長路徑。為了滿足該需要，所述實(shí)施方式涉及用于通過化學(xué)氣相沉積生長碳納米管的傳統(tǒng)管式爐，其由可拆卸、轉(zhuǎn)動(dòng)的心軸擴(kuò)大。通過克服傳統(tǒng)管式爐固有的熱和幾何形狀的限制，轉(zhuǎn)動(dòng)心軸的加入允許任意長度的納米管生長。
[0023]具體地，當(dāng)納米管生長時(shí)遇到爐內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)心軸。當(dāng)納米管生長時(shí)纏繞在心軸上，這允許在可維持恒溫的相對(duì)小的區(qū)域內(nèi)生長任意長度的管。
[0024]圖1是可用于制造碳納米管的線性化學(xué)氣相沉積反應(yīng)器10的示意性側(cè)視圖。反應(yīng)器10包括反應(yīng)爐20和氣體引入管22，通過氣體引入管22經(jīng)由流量控制噴嘴28將惰性氣體24和原料氣26引入熱交換器30中。如所示，反應(yīng)爐20是大體管狀容器，并且如進(jìn)一步所述，引入具有穩(wěn)定化學(xué)性能的耐高溫材料(例如石英、氧化鋁或另一耐高溫陶瓷)。反應(yīng)器10包括通過其排氣(exhaust gas)通過的端蓋32。排氣管(exhaust tube) 34離開端蓋32。熱交換器30和端蓋32之間的反應(yīng)器10的部分包括爐20并且有時(shí)被稱作主管道(main duct) 40。旁通管道(bypass duct) 42由從熱交換器30附近的主管道40伸出至端蓋32附近，旁通爐20。主管道40和旁通管道42分別包括關(guān)閉閥50和關(guān)閉閥52。引導(dǎo)熱交換器30的輸出通過爐20或旁通管道42，以使生長納米管的爐20的一部分可達(dá)到并維持在生長納米管的溫度下。顯示主管道40的部分60為直徑放大的。這種描述是反應(yīng)器10的一個(gè)實(shí)施方式的代表。同樣已知的實(shí)施方式是主管道40的整個(gè)長度是單一直徑。
[0025]圖2是圖1的反應(yīng)器10的一部分的剖面圖。具有催化劑72放置在其上的改良基底70顯示為在反應(yīng)室74內(nèi)，反應(yīng)室74限定為可維持在用于納米管生長的恒溫下的反應(yīng)爐20的一部分。引導(dǎo)通過主管道40的氣流朝向催化劑72并運(yùn)輸原料氣26，這使得碳納米管從催化劑72生長。例如，在反應(yīng)室74內(nèi)，由于氣流中存在碳源氣體，碳納米管從催化劑72垂直地生長。如上所述，僅反應(yīng)室74的一部分可適當(dāng)?shù)鼐S持在納米管生長需要的恒溫下。
[0026]具有爐20的反應(yīng)器10能夠垂直于原料氣流或沿著原料氣流方向排列生長納米管。垂直生長的納米管的長度受限于爐20的直徑。以原料氣流方向生長并排列的碳納米管在長度上受限于其上維持恒定溫度的反應(yīng)室74的尺寸。流量控制噴嘴28和端蓋32由爐20的相對(duì)端伸出并且因此在爐20的末端附近溫度不是恒定的。爐20的反應(yīng)室74部分是放置具有催化劑72的改良基底70的地方，并且是在恒溫區(qū)內(nèi)的。
[0027]總而言之，使用化學(xué)氣相沉積生長碳納米管，加熱原料氣24至一定溫度，這花費(fèi)一定時(shí)間，并且因?yàn)樵蠚?4是流動(dòng)的，所以需要一定的距離。僅在管式爐20內(nèi)充分加熱原料氣24的區(qū)域至恒溫區(qū)的末端可用于納米管生長。
[0028]現(xiàn)在參照?qǐng)D3，顯示擴(kuò)大反應(yīng)器100的剖面圖。用相同的參考數(shù)字顯示與反應(yīng)器10內(nèi)相同的反應(yīng)器100內(nèi)的組件。氣體在到達(dá)爐20之前，通過熱交換器30以加熱至反應(yīng)溫度。整個(gè)組件是絕熱的。在該實(shí)施方式中，氣體沿著旁通管道42向下前進(jìn)直至熱交換器30將氣體升高至正確溫度。當(dāng)氣體溫度升高至正確溫度時(shí)，關(guān)掉關(guān)閉閥50和關(guān)閉閥52，氣體沿著主管道40向下流動(dòng)。盡管顯示主管道40的直徑為在納米管生長表面的下游變寬，但并不要求這種變寬，并且此處所述實(shí)施方式可在恒定直徑的爐內(nèi)操作。
[0029]反應(yīng)器100包括管式爐20的恒溫部分內(nèi)的心軸110。在由氣體流動(dòng)通過爐20的力在軸向方向引導(dǎo)納米管并生長一定水平距離之后，放置心軸110，以使心軸110的頂端112碰到納米管。在一個(gè)實(shí)施方式中，心軸110的表面114由碳納米管傾向于附連的材料構(gòu)成或涂覆。如此處進(jìn)一步所述，以如下旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)心軸110:使心軸110的頂端112的線速度基本上與從催化劑72生長碳納米管的速度匹配。因此，納米管將生長至碰觸心軸110的點(diǎn)、附連它并且當(dāng)心軸110轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)纏繞在心軸110周圍。使用心軸110使得CNT的收集不用拉出CNT或使CNT成束。因?yàn)樾妮S110包含在爐20的反應(yīng)室74 (有時(shí)稱作生長區(qū))內(nèi)，并維持在CNT生長溫度下，由于在心軸110上收集，任意長度的納米管可保持在爐的恒溫區(qū)。如以下進(jìn)一步所述，在爐20內(nèi)安裝心軸110至托架120。滑輪121由帶122驅(qū)動(dòng)，帶122延伸出爐20并且由同樣安裝在托架126上的發(fā)動(dòng)機(jī)124驅(qū)動(dòng)，因而使得心軸110轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0030]圖4是反應(yīng)器100的爐20的生長區(qū)內(nèi)心軸110和催化劑72的側(cè)視圖。同樣，心軸110和催化劑可維持在CNT生長溫度下。在放大圖中，由于氣體流動(dòng)通過爐20，從催化劑72生長碳納米管140。由于心軸110機(jī)械連接至滑輪121而被轉(zhuǎn)動(dòng)，如上所述，滑輪通過帶122驅(qū)動(dòng)。
[0031 ] 在一個(gè)實(shí)施中，并且如在圖5的橫截面圖中顯示的，心軸110和相關(guān)的組件是足夠小的以安裝在管式爐20內(nèi)。心軸110在托架120的兩個(gè)板152、154之間的軸150上轉(zhuǎn)動(dòng)。心軸的軸150的一側(cè)包括可通過鏈或帶122進(jìn)行齒輪傳動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的滑輪121。在板152、板154的頂端和/或底端的一個(gè)或多個(gè)桿156保持兩個(gè)板152、154彼此分開。每個(gè)板152、154連接至底部裝置170。
[0032]在另一個(gè)實(shí)施方式中，可使用齒輪傳動(dòng)的底部軸。該齒輪傳動(dòng)的底部軸移動(dòng)鏈，鏈轉(zhuǎn)動(dòng)心軸110。齒輪傳動(dòng)的底部軸延伸穿過一個(gè)板并通過孔離開爐20的管。最方便的實(shí)施可以在管端具有可拆卸部分，如端蓋，其包括底部裝置和軸出孔(axle exit hole)。通過軸出孔，由步進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪傳動(dòng)的底部軸。在另一個(gè)實(shí)施方式中，不使用帶或鏈，并且軸150由爐20延伸出并且直接附連至步進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)。
[0033]在另一個(gè)實(shí)施方式中，