本发明专利技术的名称为用于超长碳纳米管的化学气相沉积的扩大反应器。描述了使用化学气相沉积(CVD)过程反应器炉制备任意长度的碳纳米管(CNTs)的设备，其中沿着炉的长度的一部分轴向生长CNT。该设备包括心轴和用于转动心轴的机械装置。心轴位于炉的恒温区内，并且当在炉内生长CNT时，可进行在转动心轴周围收集CNT的操作。
【技术实现步骤摘要】
用于超长碳纳米管的化学气相沉积的扩大反应器本申请为分案申请，原申请的申请日是2011年12月14日，申请号是201110430424.8，专利技术名称为“用于超长碳纳米管的化学气相沉积的扩大反应器”。
技术介绍
本公开的领域一般地涉及纳米管的生长，并且更具体地，涉及用于超长碳纳米管(CNTs)的化学气相沉积(CVD)的扩大反应器。碳纳米管是本质上具有管形式的石墨片组合物的小的管状结构。碳纳米管的特点是小于100纳米的直径和大的纵横比，其中长度比直径大得多。例如，CNT的长度可超过直径的1000倍。CNT具有半导体特性或高度传导性，这取决于它们的手性。这样的特点使碳纳米管理想地用于多种电子学应用。通常，碳纳米管可分为单壁型和多壁型。单壁型碳纳米管结构仅具有一层圆柱形石墨层。多壁型碳纳米管结构具有两层或多层嵌套的圆柱形石墨层。现有的线性的化学气相沉积(CVD)反应器能够垂直于原料气流或沿着原料气流方向排列生长碳纳米管。垂直生长在高度上受限于生长CNT的炉所限定的管的尺寸，通常为1英寸、2英寸或4英寸。沿原料气流方向排列的生长在长度上受限于其上温度保持恒定的炉内区域的尺寸。目前用于线性CVD反应器的管式炉大约4英尺长。反应器管末端从炉伸出，因此在炉末端附近的温度不是恒定的。炉中心含有恒温区。在CVDCNT生长中，加热原料气至一定的温度需要花费一些时间，并且因为原料气是流动的，所以需要一些距离。该距离比CVD反应器管的起始处较冷区域更长。在管式炉内仅从充分加热气体开始的区域至该恒温区终点可用于纳米管生长。到目前为止，在这种管式炉中生长的最长纳米管为大约18.5cm长。在这个长度上终止生长是因为超过生长基底大约18.5cm室温度降低。生产较长纳米管的一个解决方案将是在较长炉内使用较长的直的(线性的)CVD反应器。但是，生产的管长度仍然受限于可获得的炉和CVD反应器管的长度，并且因此不能制作任意长度的纳米管。简述在一个方面，提供了使用化学气相沉积(CVD)过程反应器炉制备任意长度碳纳米管(CNTs)的设备，CNT沿着炉的长度的一部分轴向生长。该设备包括心轴和转动心轴的机械装置。心轴位于炉的恒温区内并且当炉内生长CNT时可进行在转动的心轴周围收集CNT的操作。在另一方面，提供了化学气相沉积(CVD)过程炉。该炉包括反应室和放置在反应室内的可旋转心轴，反应室配置为从其中的催化剂和通过其中的气流生长碳纳米管。相对于气流，可旋转心轴在催化剂的下游，并且由于气流在可旋转心轴的方向吹CNT时，可操作可旋转心轴以在可旋转心轴周围收集CNT。已经讨论的特征、功能和优势可在各种实施方式中独立实现或可在其它实施方式中结合，参考下列描述和附图可看出其进一步的细节。附图简述图1是线性化学气相沉积反应器示意性侧视图。图2是图1的CVD反应器的一部分的剖面图。图3是扩大反应器的一个实施方式的剖面图。图4是图3的扩大反应器的炉的恒温部分内心轴和催化剂的侧视图。图5是图4的心轴和与心轴相关的组件部件的端视图。图6是用于引起心轴转动的驱动组件的端视图。图7是图6的驱动组件的侧视图。详述参考以上段落，因为需要恒温区以连续生长纳米管，现有炉内任意长度碳纳米管的制备需要CVD反应器内纳米管的非线性生长路径。为了满足该需要，所述实施方式涉及用于通过化学气相沉积生长碳纳米管的传统管式炉，其由可拆卸、转动的心轴扩大。通过克服传统管式炉固有的热和几何形状的限制，转动心轴的加入允许任意长度的纳米管生长。具体地，当纳米管生长时遇到炉内的转动心轴。当纳米管生长时缠绕在心轴上，这允许在可维持恒温的相对小的区域内生长任意长度的管。图1是可用于制造碳纳米管的线性化学气相沉积反应器10的示意性侧视图。反应器10包括反应炉20和气体引入管22，通过气体引入管22经由流量控制喷嘴28将惰性气体24和原料气26引入热交换器30中。如所示，反应炉20是大体管状容器，并且如进一步所述，引入具有稳定化学性能的耐高温材料(例如石英、氧化铝或另一耐高温陶瓷)。反应器10包括通过其排气(exhaustgas)通过的端盖32。排气管(exhausttube)34离开端盖32。热交换器30和端盖32之间的反应器10的部分包括炉20并且有时被称作主管道(mainduct)40。旁通管道(bypassduct)42由从热交换器30附近的主管道40伸出至端盖32附近，旁通炉20。主管道40和旁通管道42分别包括关闭阀50和关闭阀52。引导热交换器30的输出通过炉20或旁通管道42，以使生长纳米管的炉20的一部分可达到并维持在生长纳米管的温度下。显示主管道40的部分60为直径放大的。这种描述是反应器10的一个实施方式的代表。同样已知的实施方式是主管道40的整个长度是单一直径。图2是图1的反应器10的一部分的剖面图。具有催化剂72放置在其上的改良基底70显示为在反应室74内，反应室74限定为可维持在用于纳米管生长的恒温下的反应炉20的一部分。引导通过主管道40的气流朝向催化剂72并运输原料气26，这使得碳纳米管从催化剂72生长。例如，在反应室74内，由于气流中存在碳源气体，碳纳米管从催化剂72垂直地生长。如上所述，仅反应室74的一部分可适当地维持在纳米管生长需要的恒温下。具有炉20的反应器10能够垂直于原料气流或沿着原料气流方向排列生长纳米管。垂直生长的纳米管的长度受限于炉20的直径。以原料气流方向生长并排列的碳纳米管在长度上受限于其上维持恒定温度的反应室74的尺寸。流量控制喷嘴28和端盖32由炉20的相对端伸出并且因此在炉20的末端附近温度不是恒定的。炉20的反应室74部分是放置具有催化剂72的改良基底70的地方，并且是在恒温区内的。总而言之，使用化学气相沉积生长碳纳米管，加热原料气24至一定温度，这花费一定时间，并且因为原料气24是流动的，所以需要一定的距离。仅在管式炉20内充分加热原料气24的区域至恒温区的末端可用于纳米管生长。现在参照图3，显示扩大反应器100的剖面图。用相同的参考数字显示与反应器10内相同的反应器100内的组件。气体在到达炉20之前，通过热交换器30以加热至反应温度。整个组件是绝热的。在该实施方式中，气体沿着旁通管道42向下前进直至热交换器30将气体升高至正确温度。当气体温度升高至正确温度时，关掉关闭阀50和关闭阀52，气体沿着主管道40向下流动。尽管显示主管道40的直径为在纳米管生长表面的下游变宽，但并不要求这种变宽，并且此处所述实施方式可在恒定直径的炉内操作。反应器100包括管式炉20的恒温部分内的心轴110。在由气体流动通过炉20的力在轴向方向引导纳米管并生长一定水平距离之后，放置心轴110，以使心轴110的顶端112碰到纳米管。在一个实施方式中，心轴110的表面114由碳纳米管倾向于附连的材料构成或涂覆。如此处进一步所述，以如下旋转速度旋转转动心轴110：使心轴110的顶端112的线速度基本上与从催化剂72生长碳纳米管的速度匹配。因此，纳米管将生长至碰触心轴110的点、附连它并且当心轴110转动时缠绕在心轴110周围。使用心轴110使得CNT的收集不用拉出CNT或使CNT成束。因为心轴110包含在炉20的反应室74(有时称作生长区)内，并维持在CNT生长温度下，由本文档来自技高网...
【技术保护点】
使用化学气相沉积(CVD)过程反应器炉制备任意长度碳纳米管(CNTs)的设备，所述CNT沿着所述炉的长度的一部分轴向生长，所述设备包括：心轴；和转动所述心轴的机械装置，所述心轴位于所述炉的恒温区内，并且当在所述炉内生长所述CNT时，可进行在转动所述心轴的周围收集所述CNT的操作。
【技术特征摘要】
2010.12.14 US 12/967,6511.与制备任意长度碳纳米管(CNT)的化学气相沉积(CVD)过程反应器炉一起使用的设备，所述CNT沿着所述炉的长度的一部分轴向生长，所述设备包括：托架，其包括第一板和第二板；心轴，其以大体上横向于所述CNT的生长方向的方向在所述第一板和第二板之间延伸，其中所述心轴位于所述炉的恒温部分内；和转动所述心轴的机械装置，所述心轴位于所述炉的恒温区内，并且当在所述炉内生长所述CNT时，可进行在转动所述心轴的周围收集所述CNT的操作。2.根据权利要求1的设备，其中所述机械装置包括使所述炉的CNT生长区内维持恒温的材料。3.根据权利要求1的设备，其中所述心轴位于下游并且邻近所述炉内的CNT生长区，所述心轴被隔热以维持局部炉温，使所述CNT生长发生。4.根据权利要求1的设备，其中所述心轴包括与CNT附连相符的材料，使接触所述心轴的CNT附连在所述心轴的表面而不结合在一起。5.根据权利要求1的设备，其中所述机械装置包括驱动系统，用于在与制备CNT有关的生长速度大体匹配的速度下转动所述心轴。6.根据权利要求5的设备，其中所述驱动系统包括：其上安装所述心轴的轴；安装在所述轴上的滑轮；包括驱动齿轮的发动机；和连接所述驱动齿轮和所述滑轮的链和带的至少一个。7.根据权利要求5的设备，其中所述驱动系统包括：其上安装所述心轴的轴，所述轴延伸通过炉壁；和连接至所述炉外的所述轴的部分的发动机。8.根...
【专利技术属性】
技术研发人员：K·D·洪菲尔德，V·帕拉梅斯瓦兰，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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