专利名称：成长纳米碳管的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种纳米碳管的成长装置，尤其是一种可以应用于大量生产纳米碳管的、可以控制阴阳极间石墨碳棒间隙的以增长成长时间提高成长纳米碳管量的成长纳米碳管的装置。
背景技术：
近年来一种新的纳米碳管材料(Carbon nanotube)自1991年被Iijima提出后(参见文献Nature 354，56(1991))，由于该材料具有高长宽比(aspectratio)、高机械强度、不易被毒化(high chemical resistance)、不易磨耗、低阈值电场(threshold electric field)等特性，已成为一种场发射电子源(fieldemission electrons)的材料，被广泛研究(参见文献Science 269，p1550(1995)；SID’98 Digest，p1052(1998)；SID’01 Digest，p316(2001)。其中所谓的场电子发射是利用一种施加于材料表面的高电场(high electric filed)，将材料能垒(energy barrier)的厚度减小致使电子可藉由量子力学的隧道效应(Quantum-mechanical tunneling effect)从材料表面脱离成为自由电子(参见文献J.App l.phys.39，7，pp3504-3504(1968))，因此场电子发射的电流可藉由材料的一具有低工作函数的表面而提高效果，而且，此电子产生方式是藉由对该材料施予一电场来达到，无须对材料提供一定热源，因此这类场电子发射装置素有冷阴极(cold cathode)之称。
另外，前述这类纳米碳管材料其主成分为碳，其物理结构似非金刚石结构，电子结构含sp2及sp3价键结构，易于藉一些激发方式即可产生自由电子，可作为电子发射源的应用，如已可应用于场发射显示器、电池、探针、发射栅极放大器、照明、微机电，以及电磁材料应用等多项用途，因此对于纳米碳管已有商业上量的需求，目前这类纳米碳管有多种方法可以制备如，弧光放电法(arcdischarge)(参见文献Nature 354，56(1991))、碳氢化合物的气相热分解法(参见文献J.Mater.Sci.Lett.，16，457(1997))、石墨激光热升华法(参见文献Science 273，483(1996))、化学气相沉积法(参见文献Chemical Vapor Deposition，SID’01 Digest，pl124(2001))及其衍生方式，而不论其以何种方法可以制成，寻找一种纳米碳管原料(碳(C))成本低及简易低廉的制备过程(或加工制程)为本实用新型选用考虑的因素。
前述一种可少量生产纳米碳管的装置是以弧光放电法可进行小量规模的纳米碳管的生产，这种方法是采用6mm直径的阳极石墨碳棒及9mm直径的阴极石墨碳棒两者置放于一容器内，阴极与阳极碳棒采用一种同轴位置的圆截面相对，阴极与阳极间建立一18V的直流电压，容器内通入并充满维持一惰性气体氦气，其工作方式是以阴极与阳极的石墨碳棒邻接至近乎接触使产生弧光放电，此时包覆着纳米碳管的一种碳质块材(carbonaceous bulk)则沉积于阴极石墨碳棒上的邻接阳极石墨碳棒方向的圆截面表面，此即一般常见的含纳米碳管块材成长方式，依此方法阳极石墨碳棒于放电过程会逐渐损耗，而损耗的体积会被置换为包覆着纳米碳管的碳质块材沉积于阴极石墨碳棒表面，此过程阴阳极碳棒间的石墨碳棒一减一增间始可使阳极碳棒与阴极碳棒间维持于一固定间隙，使所谓的沉积碳质块材不断成长，使其中包覆的纳米碳管有一定量的产出，参考此做法，参照相同的条件，欲提高其产量，乃将阳极及阴极的石墨碳棒截面积加大，采用直径9mm长约150mm的阳极碳棒，直径18mm的阴极碳棒，以弧光放电的方式成长，所制作出的纳米碳管的一种碳质块材，请参阅图1所示，其产物的截面直径约8～10mm，长度约20～30mm，重量约1.8克，剥除其碳质块材的外鞘，自其中取得的纳米碳管粉末重约0.4克，纳米碳管的产出率约22％，不过此作法在阴极石墨碳棒上的碳质块材沉积过程并期望与阳极石墨碳棒的间隙可以维持一固定或使持续保持，以使所谓沉积碳质块材达一定的成长长度仍有限，因此以此产量模式仍无法满足大量生产的要求，此外此制作会同时产生C60或C60以上的碳球分子(Fullerene)，由于该结构比重很小，因此极易飘散于容器内，且易附着容器内，因此于制备过程完成后在取下碳质块材后必须清理容器内这些碳球分子的副产物，而清理作业必须仔细，才能有利于下一次成长作业的进行，因此所花费的清理时间冗长，对于以上原因以此技术仍难达到所谓的大量生产规模。
为此，有另一种公知技术二，如美国专利公告5482601所示的一种纳米碳管的产生方法及装置，该发明人针对前述的公知技术无法真正大量生产的缺陷，改良设计一种一大面积的阴极石墨碳棒，该阴极石墨碳棒藉一种移转装置，可以让所谓的含纳米碳管的碳质块材沉积于该石墨碳棒上的不同区域，可以产生多个沉积碳质块材，并由其创作的一种刮除装置可以在容积内剥离沉积碳质块材而收集，此外，藉由一种定位装置，可以帮助当阴极石墨碳棒移转后与阳极石墨碳棒重新建立一个新接触面时，可以控制阴极石墨碳棒与阳极石墨碳棒间保持一固定间隙以助于弧光放电制备过程的电压及制备过程控制的稳定。然而依本技术实施，虽可大量生产化然而实施效果仍有限，由于此技术忽略了以弧光放电法必然产生的碳球分子副产物，易附着容器内，尤其若附着于阴极石墨碳棒上这类碳球分子的堆积将影响碳质块材的沉积甚至无法成型，因此本公知技术的做法虽然以增大阴极石墨碳棒的圆截面的表面积，并借刮除装置以达可以连续生产含纳米碳管的碳质块材的目的，不过并未对碳球副产物的清除作业提出有效作为，因此，在生产作业过程，仍会面临大量碳球分子附着于容器内的污染问题，尤其是附着于阴极石墨碳棒周围，若不加以清理，即使更换或增加附着面仍难以使含纳米碳管的碳质块材，顺利附着于阴极石墨碳棒圆截面表面或是因为碳球分子的附着沉积而使阴极石墨碳棒的圆截面表面不平整而降低含纳米级碳管的碳质块材沉积的品质。
有鉴于对于以弧光放电法制作含纳米碳管的碳质块材的过程，仍无法有效控制阳极石墨碳棒与阴极石墨碳棒保持于一特定间隙以维持一特定电压或电流而提高碳质材料沉积而提高产量，而且，公知技术二的方式以弧光放电法仍无法避免产生C60或C60以上的碳球分子的产生挥散于容器内对制备过程污染，大大降低第二次产生碳质块材的附着或致使碳质块材渐渐降低沉积的量，仍难以达到大量生产的目的，因此需寻找出一种可以增长成长时间提高成长含纳米碳管的碳质块材量的方法，相对可以减少对于因碳球分子的产生挥散于容器内制备过程污染而必须清理的次数，可提高产量。
发明内容
鉴于对于以弧光放电法制作含奈米碳管的碳质块材的过程，仍无法有效控制阳极石墨碳棒与阴极石墨碳棒可以有效控制或保持于一特定间隙以提高碳质块材沉积而提高产量，并且，公知技术二的方式以弧光放电法仍无法避免产生C60或C60以上的碳球分子副产物的产生挥散于容器内制程污染，大大降低第二次产生碳质块材的附着或致使碳质块材渐渐降低沉积之量，仍难以达到大量生产的目的，需设计寻找出一种可以增长成长时间一次提高成长含奈米碳管之碳质块材量的方法，无须顾忌碳球分子的产生挥散于容器内制程污染，并可提高产量。
本实用新型的主要目的，是提供一种可以控制阳极石墨碳棒与阴极石墨碳棒间隙的纳米碳管装置，以利碳质块材的沉积，延长成长时间增加产量，减少对于容器内碳球副产物的清理次数，有效地达到大量生产的效果。
本实用新型的另一目的，是提供一种可以控制阳极石墨碳棒与阴极石墨碳棒间隙的纳米碳管的成长方式，利用弧光放电法的电流或电压的信号回馈来控制阳极石墨碳棒与阴极石墨碳棒间隙调整，以利碳质块材的沉积，延长成长时间增加产量达到大量生产的效果。
为实现上述目的，本实用新型提供一种成长纳米碳管的装置，包括有阳极电极，设有阳极石墨碳棒；阴极电极，设有阴极石墨碳棒，并与该阳极石墨碳棒形成一间隙，可容许弧光放电，在该阴极石墨碳棒上产生含纳米碳管的块材；该成长纳米碳管的装置还包括数字电表，与该阴极电极与该阳极电极连接，可测量该弧光放电进行时，该阴极电极与该阳极电极间的系统电流值与系统电压值；间隙调整装置，可调整该间隙；及位置控制器，与该数字电表相连，读取该弧光放电进行时的系统电流值与系统电压值；该位置控制器还与该间隙调整装置相连，并具有一预定程序根据读取的该系统电流值与系统电压值控制该间隙调整装置调整该间隙使得该弧光放电持续进行。
也就是说，本实用新型提供的成长纳米碳管的装置包含阳极电极，设有阳极石墨碳棒；阴极电极，设有阴极石墨碳棒，并与该阳极石墨碳棒形成一间隙，可容许弧光放电；数字电表，可测量该弧光放电进行时，该阴极电极与该阳极电极间的系统电流值与系统电压值；间隙调整装置，可调整该间隙；及位置控制器，具有一预定程序以控制间隙调整装置；其中该弧光放电进行时，在阴极石墨碳棒可产生含纳米碳管的碳质块材；藉由该位置控制器读取该弧光放电进行时的系统电流值与系统电压值，以该预定程序调整该间隙使得该弧光放电持续进行而达到提高成长纳米碳管的效果。
为了进一步了解本实用新型的特征及技术内容，请参阅以下有关本实用新型的详细说明与附图，然而所述附图仅用于提供参考与说明，并非用来对本实用新型加以限制。
图1为公知含纳米碳管块材成品示意图；图2为公知纳米碳管产生装置示意图；图3为本实用新型成长纳米碳管的装置示意图；图4为采用本实用新型装置产生的含纳米碳管块材成品示意图；图5为本实用新型成长纳米碳管的装置流程示意图；图6为本实用新型装置中的控制程序的控制流程示意图。
其中，附图标记说明如下1-纳米碳管产生装置；2-电源供应装置；10-阳极石墨碳棒； 11-阳极电极；20-阴极石墨碳棒； 21-阴极电极；30-密闭容器； 40-冷却腔壁；50-间隙； 60-步进马达；61-滑轨； 62-数字电表；63-PLC位置控制器； 64-步进马达驱动装置；70-公知块材成品； 71-本实用新型块材成品。
具体实施方式
公知技术一的对于以弧光放电法制作含纳米碳管的碳质块材的过程，仍无法有效控制阳极石墨碳棒10与阴极石墨碳棒20可以有效控制或保持于一特定间隙50以提高碳质块材沉积而提高产量，而且，公知技术二的方式以弧光放电法仍无法避免产生C60或C60以上的碳球分子副产物挥散于容器内制备过程污染，大大降低第二次产生碳质块材的附着或致使碳质块材渐渐降低沉积的量，仍难以达到大量生产的目的，本实用新型提出一种可以增长成长时间一次提高成长含纳米碳管的碳质块材大量生产的方法及装置，可提高产量，减少清理成长容器内副产物的次数。
本实用新型是对于利用弧光放电法制作含纳米级碳管的碳质块材的过程所提供的电压或电流的控制做为一种回馈信号源，利用及参考此电压或电流的变化提供作为调整阳极碳棒与阴极碳棒的间隙50的参考，利用间隙50控制装置修正或调整阴阳极间的间隙50使弧光放电的电压或电流能保持于一特定的电压或电流条件变化内，藉此做法配合阴极与阳极间的间隙50调整可使纳米级碳管成长过程，弧光放电过程电压或电流维持一定，持续使纳米碳管的碳质块材持续成长，改善公知技术纳米级碳管成长过程因间隙50变化无法控制或电压或电流变化无法控制致使碳管无法持续成长的缺点，本实用新型装置是装置于纳米级碳管的产生设备上，藉本实用新型装置对弧光放电过程电压或电流的变化进行判断而调整阴阳极石墨碳棒间隙50，该装置流程参阅图5并说明如下以一种自动控制处理单元PLC位置控制器63作为核心控制单元，然后以一种数字电表62，连接至纳米碳管产生装置1的阴极与阳极，可测量阴阳极的石墨碳棒的间隙50在弧光放电法过程的电压或电流的变化，并转化为数据提供为PLC位置控制器63参考数据，PLC位置控制器63并连接一步进马达驱动装置64，该驱动装置可驱动步进马达60的动作，藉此PLC位置控制器63依据一控制程序动作，并参酌数字电表62提供的电压或电流信号，通过步进马达驱动装置64与一步进马达60连接并使步进马达60动作，而步进马达60亦与纳米碳管产生装置1的阴极藉一连动装置连结而驱动阴极碳棒的位置调整。而本实用新型装置中所谓的一控制程序其控制流程参阅图6并说明如下其作业方式是于一种以弧光放电法产生含纳米碳管的碳质块材的装置中结合本实用新型装置，其中阴极与阳极分别装置上石墨碳棒，作业开始是先由PLC位置控制器63提供一信号给步进马达驱动装置64驱动步进马达60动作，步进马达60动作后使阴极含石墨碳棒藉一滑轨61朝向阳极石墨碳棒10方向动作，此时阴阳极的石墨碳棒间隙50开始由大转小，阴阳极间的电压或电流亦由大渐渐变小，当测量的电压或电流小于预设的电压或电流，此时由程序作业使驱动马达逆向动作调整，使间隙50调整逼近预设电压或电流，此时含纳米碳管的碳质块材开始沉积于阴极石墨碳棒20的截面上，之后每隔一预设时间测量阴阳极间的电压或电流，配合该测量数据驱动步进马达60进行修正调整石墨碳棒的间隙50，然而本时段仅在一电压或电流偏差范围内修正调整，由于本成长过程阳极的石墨碳棒供给长度的限制，当含纳米级碳管的碳质块材的成长发生变形或缺陷，或阳极石墨碳棒10耗尽均会照成电压或电流离异偏差范围，则本制备过程结束。
在此，本实用新型提供一具体实施例说明揭示提供参考，参考图3所示，一纳米碳管产生装置1，该装置的密闭容器30有一冷却腔壁40，内置一流动的冷却水，以供弧光放电过程的容器环境冷却，阳极电极11装置一直径9mm、长约150mm的阳极碳棒10，阴极电极21装置一直径18mm的石墨碳棒，密闭容器30内通入一饱和稳压的氦气，阴极电极21与阳极电极11连接一电源供应装置2，可提供一直流电压至少22V，电流至少95A以上，又藉一数字电表62与阴阳电极连接测量弧光放电过程电压或电流的数据，并提供给一PLC位置控制器63，而阴极电极21藉一承座与一滑轨61连接，该滑轨61与一步进马达60连接，该步进马达60动作时可驱动滑轨61动作而带动阴极电极21前进或后退，又，前述的PLC位置控制器63与一步进马达驱动装置64连接，PLC位置控制器63下达信号使步进马达驱动装置64驱动步进马达60动作以达到调整阴极碳棒20与阳极碳棒10的间隙50的目的，另，PLC位置控制器63内设置一动作控制程序，藉该程序的判断调整完成以上的动作，其中程序内设置一预设电压22V为判别电压，并作为本成长操作开始阴阳极石墨碳棒10间隙50的调整。本操作过程于阴极表面亦开始有碳质块材的沉积，接着以每三秒钟由数字电表62读取一次阴阳极间的电压，并提供为PLC位置控制器63判断调整间隙50的数据，此过程并提供动作控制程序一电压偏差容许范围约正负2V，即阴阳极的电压范围保持于20～24V之间则进行间隙50的修正，以保持阴阳极的电压可维持于22V的一容许范围，当阴极石墨碳棒20上的碳质块材持续成长可能会有结构上的变形或是阳极石墨碳棒10耗尽，则阴阳极间的电压即开始离异进而脱离阴阳极的电压范围20～24V之外，则PLC位置控制器63内的该程序判断停止作业完成含纳米碳管的碳质块材成长，此碳质块材的外观结构如图4所示，产物的截面直径约8～10mm，长度约100～110mm，重量约7.6克，剥除其外鞘，自其中取得的纳米级碳管粉末重约2.2克，纳米级碳管的产出率约29％，因此，藉本实用新型装置所产出的碳管产出较公知技术产出提高约7％，然而，更重要的是依此方式成长的块材长度可提高4～5倍，可大大简化公知技术的因成长量少而必须花费更多的时间进行采集产品及清理容积的次数。请参考图1含纳米碳管的公知块材成品70及图4含纳米碳管本实用新型块材成品71可明显看出本实用新型块材成品71明显较长而具大量生产规模的水准。
在此应对本实用新型做一整体性描述阳极电极11，设有阳极石墨碳棒10；阴极电极21，设有阴极石墨碳棒20，并与该阳极石墨碳棒10形成一间隙50，可容许弧光放电；数字电表62，可测量该弧光放电进行时，该阴极电极21与该阳极电极11间的系统电流值与系统电压值；间隙调整装置，可调整该间隙50；及位置控制器，具有一预定程序以控制该间隙调整装置；其中该弧光放电进行时，在阴极石墨碳棒20可产生含纳米碳管的块材；藉由该位置控制器读取该弧光放电进行时的系统电流值与系统电压值，以该预定程序调整该间隙50使得该弧光放电持续进行而提高成长纳米碳管的功效得以达到。
在此应将本实用新型的各应用变化实施例做一说明，其中本实用新型的该间隙调整装置是可设于该阳极电极11侧(图未示)，包含步进马达60、步进马达驱动装置64及滑轨61，可使该阳极电极11受该步进马达60牵引而在该滑轨61上移动而调整间隙50。又，其中该间隙调整装置是亦可设于该阴极电极21侧，包含步进马达60、步进马达驱动装置64及滑轨61，可使该阴极电极21受该步进马达60牵引而在该滑轨61上移动而调整间隙50，且其中该位置控制器包含可编程逻辑控制器PLC，可依实际大量生产参数不同需求更改该预定程序，又其中该可提高成长纳米碳管的装置是可设于一密闭容器30中，且其中该密闭容器30中可具有冷却腔壁40，具有持续冷却因该弧光放电产生的热量的能力。
本实用新型是以实例方法来做描述，但是应了解的是，所用的术语是意欲用作文字描述而非仅用来限制本实用新型。
再者，本实用新型所述的较佳实施例所被重视的是本技术的技巧可轻易的应用于其它可能的不同创作。如以步进马达60为主的控制系统可依控制精度及实际需求改为以伺服马达为主的控制系统。或PLC位置控制器可因使用者使用习惯改为工业计算机形式的位置控制器。
以上所述仅为本实用新型的较佳可行实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，故凡应用本实用新型说明书及附图的内容所作的等效结构变化，均同理皆包含于本实用新型的范围内。
权利要求1.一种成长纳米碳管的装置，包括有阳极电极，设有阳极石墨碳棒；阴极电极，设有阴极石墨碳棒，并与该阳极石墨碳棒形成一间隙，可容许弧光放电，在该阴极石墨碳棒上产生含纳米碳管的块材；其特征在于，该成长纳米碳管的装置还包括可测量该弧光放电进行时该阴极电极与该阳极电极间的系统电流值与系统电压值的数字电表，该数字电表与该阴极电极与该阳极电极连接；可调整该间隙的间隙调整装置；及读取该弧光放电进行时的系统电流值与系统电压值并具有一预定程序以控制该间隙调整装置调整该间隙使得该弧光放电持续进行的位置控制器，该位置控制器与该数字电表相连。
2.如权利要求1所述的成长纳米碳管的装置，其特征在于该间隙调整装置是设于该阳极电极侧，包含步进马达、步进马达驱动装置及滑轨，该阳极电极受该步进马达牵引而在该滑轨上移动而调整该间隙。
3.如权利要求1所述的成长纳米碳管的装置，其特征在于该间隙调整装置是设于该阴极电极侧，包含步进马达、步进马达驱动装置及滑轨，该阴极电极受该步进马达牵引而在该滑轨上移动而调整该间隙。
4.如权利要求1所述的成长纳米碳管的装置，其特征在于该位置控制器包含可依实际大量生产参数不同需求更改该预定程序的可编程逻辑控制器。
5.如权利要求1所述的成长纳米碳管的装置，其特征在于该成长纳米碳管的装置是设于一密闭容器中。
6.如权利要求5所述的成长纳米碳管的装置，其特征在于该密闭容器中具有可持续冷却因该弧光放电产生的热量的能力的冷却腔壁。
专利摘要本实用新型提供的成长纳米碳管的装置包含阳极电极，设有阳极石墨碳棒；阴极电极，设有阴极石墨碳棒，并与该阳极石墨碳棒形成一间隙，可容许弧光放电；数字电表，可测量该弧光放电进行时，该阴极电极与该阳极电极间的系统电流值与系统电压值；间隙调整装置，可调整该间隙及位置控制器，具有一预定程序以控制间隙调整装置；其中该弧光放电进行时，在阴极石墨碳棒可产生含纳米碳管的碳质块材；藉由该位置控制器读取该弧光放电进行时的系统电流值与系统电压值，以该预定程序调整该间隙使得该弧光放电持续进行而达到提高成长纳米碳管的效果。
文档编号C01B31/00GK2658140SQ03208040
公开日2004年11月24日 申请日期2003年9月18日 优先权日2003年9月18日
发明者许力仁, 游源祥, 郭志彻, 郑世勇, 沈文告, 郑奎文 申请人:东元奈米应材股份有限公司