用于超長碳納米管的化學氣相沉積的擴大反應器的制造方法
【專利說明】用于超長碳納米管的化學氣相沉積的擴大反應器
[0001]本申請為分案申請，原申請的申請日是2011年12月14日，申請?zhí)柺?01110430424.8，發(fā)明名稱為“用于超長碳納米管的化學氣相沉積的擴大反應器”。
【背景技術】
[0002]本公開的領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)的化學氣相沉積(CVD)的擴大反應器。
[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具有半導體特性或高度傳導性，這取決于它們的手性。這樣的特點使碳納米管理想地用于多種電子學應用。
[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)有的線性的化學氣相沉積(CVD)反應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反應器的管式爐大約4英尺長。反應器管末端從爐伸出，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一些時間，并且因為原料氣是流動的，所以需要一些距離。該距離比CVD反應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。在這個長度上終止生長是因為超過生長基底大約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反應器。但是，生產(chǎn)的管長度仍然受限于可獲得的爐和CVD反應器管的長度，并且因此不能制作任意長度的納米管。
[0009]簡述
[0010]在一個方面，提供了使用化學氣相沉積(CVD)過程反應器爐制備任意長度碳納米管(CNTs)的設備，CNT沿著爐的長度的一部分軸向生長。該設備包括心軸和轉(zhuǎn)動心軸的機械裝置。心軸位于爐的恒溫區(qū)內(nèi)并且當爐內(nèi)生長CNT時可進行在轉(zhuǎn)動的心軸周圍收集CNT的操作。
[0011]在另一方面，提供了化學氣相沉積(CVD)過程爐。該爐包括反應室和放置在反應室內(nèi)的可旋轉(zhuǎn)心軸，反應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，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)勢可在各種實施方式中獨立實現(xiàn)或可在其它實施方式中結(jié)合，參考下列描述和附圖可看出其進一步的細節(jié)。
[0013]附圖簡述
[0014]圖1是線性化學氣相沉積反應器示意性側(cè)視圖。
[0015]圖2是圖1的CVD反應器的一部分的剖面圖。
[0016]圖3是擴大反應器的一個實施方式的剖面圖。
[0017]圖4是圖3的擴大反應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的組件部件的端視圖。
[0019]圖6是用于引起心軸轉(zhuǎn)動的驅(qū)動組件的端視圖。
[0020]圖7是圖6的驅(qū)動組件的側(cè)視圖。
[0021]詳述
[0022]參考以上段落，因為需要恒溫區(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反應器內(nèi)納米管的非線性生長路徑。為了滿足該需要，所述實施方式涉及用于通過化學氣相沉積生長碳納米管的傳統(tǒng)管式爐，其由可拆卸、轉(zhuǎn)動的心軸擴大。通過克服傳統(tǒng)管式爐固有的熱和幾何形狀的限制，轉(zhuǎn)動心軸的加入允許任意長度的納米管生長。
[0023]具體地，當納米管生長時遇到爐內(nèi)的轉(zhuǎn)動心軸。當納米管生長時纏繞在心軸上，這允許在可維持恒溫的相對小的區(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氣相沉積反應器10的示意性側(cè)視圖。反應器10包括反應爐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，反應爐20是大體管狀容器，并且如進一步所述，引入具有穩(wěn)定化學性能的耐高溫材料(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之間的反應器10的部分包括爐20并且有時被稱作主管道(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分別包括關閉閥50和關閉閥52。引導熱交換器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。這種描述是反應器10的一個實施方式的代表。同樣已知的實施方式是主管道40的整個長度是單一直徑。
[0025]圖2是圖1的反應器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顯示為在反應室74內(nèi)，反應室74限定為可維持在用于納米管生長的恒溫下的反應爐20的一部分。引導通過主管道40的氣流朝向催化劑72并運輸原料氣26，這使得碳納米管從催化劑72生長。例如，在反應室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，僅反應室74的一部分可適當?shù)鼐S持在納米管生長需要的恒溫下。
[0026]具有爐20的反應器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室74的尺寸。流量控制噴嘴28和端蓋32由爐20的相對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，使用化學氣相沉積生長碳納米管，加熱原料氣24至一定溫度，這花費一定時間，并且因為原料氣24是流動的，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)在參照圖3，顯示擴大反應器100的剖面圖。用相同的參考數(shù)字顯示與反應器10內(nèi)相同的反應器100內(nèi)的組件。氣體在到達爐20之前，通過熱交換器30以加熱至反應溫度。整個組件是絕熱的。在該實施方式中，氣體沿著旁通管道42向下前進直至熱交換器30將氣體升高至正確溫度。當氣體溫度升高至正確溫度時，關掉關閉閥50和關閉閥52，氣體沿著主管道40向下流動。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，并且此處所述實施方式可在恒定直徑的爐內(nèi)操作。
[0029]反應器100包括管式爐20的恒溫部分內(nèi)的心軸110。在由氣體流動通過爐20的力在軸向方向引導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。在一個實施方式中，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。如此處進一步所述，以如下旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動心軸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、附連它并且當心軸110轉(zhuǎn)動時纏繞在心軸110周圍。使用心軸110使得CNT的收集不用拉出CNT或使CNT成束。因為心軸110包含在爐20的反應室74 (有時稱作生長區(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)。如以下進一步所述，在爐20內(nèi)安裝心軸110至托架120?；?21由帶122驅(qū)動，帶122延伸出爐20并且由同樣安裝在托架126上的發(fā)動機124驅(qū)動，因而使得心軸110轉(zhuǎn)動。
[0030]圖4是反應器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，由于氣體流動通過爐20，從催化劑72生長碳納米管140。由于心軸110機械連接至滑輪121而被轉(zhuǎn)動，如上所述，滑輪通過帶122驅(qū)動。
[0031 ] 在一個實施中，并且如在圖5的橫截面圖中顯示的，心軸110和相關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的兩個板152、154之間的軸150上轉(zhuǎn)動。心軸的軸150的一側(cè)包括可通過鏈或帶122進行齒輪傳動和轉(zhuǎn)動的滑輪121。在板152、板154的頂端和/或底端的一個或多個桿156保持兩個板152、154彼此分開。每個板152、154連接至底部裝置170。
[0032]在另一個實施方式中，可使用齒輪傳動的底部軸。該齒輪傳動的底部軸移動鏈，鏈轉(zhuǎn)動心軸110。齒輪傳動的底部軸延伸穿過一個板并通過孔離開爐20的管。最方便的實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，由步進發(fā)動機轉(zhuǎn)動齒輪傳動的底部軸。在另一個實施方式中，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發(fā)動機。
[0033]在另一個實施方式中，