制备纳米碳的方法、纳米碳、含其的材料及制备设备技术

本发明专利技术提供一种制备纳米碳的方法，该方法包括通过电弧放电，蒸发一种以碳作为主要成分的产生电弧的材料，该方法不需要加工容器等，但是需要一种设备，该设备有焊接电弧焊炬或类似结构，从而生成烟炱。提供一种以该烟炱制备电子发射源的方法和设备。作为第一电极的电弧焊炬１的焊炬电极１０放置在使用石墨作为第二电极的产生电弧的材料的对面。在焊炬电极１０和产生电弧的材料的边缘部分提供电压，产生电弧放电，从而蒸发暴露在电弧放电区域的产生电弧的材料的边缘，生成烟炱。生成的烟炱通过一个具有图案开孔的掩模版沉积在衬底上面，该衬底放置在电弧放电区域的对面。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
专利
本专利技术涉及一种制备纳米碳的方法和用该方法制备的纳米碳，以及含有纳米碳和金属颗粒的复合材料或混合材料，和一种制备纳米碳的设备，一种对纳米碳进行构图的方法和用该方法构图的纳米碳基底材料，以及应用该构图的纳米碳基底材料的电子发射源。本专利技术特别适用于由纳米级(10-6～10-9m)颗粒构成的电子发射源的制备方法，该颗粒由作为主要成分或气体储存材料如氢储存材料的碳构成。现有技术的说明对电子发射源的解释如下场致电子发射源与需要热量的热电子发射源相比，具有节能和使用寿命长的特点。目前，用作场致电子发射源的材料包括半导体材料，如Si(硅)；金属材料，如Mo(钼)、W(钨)等，和以碳纳米管为代表的纳米级碳材料(下文中称为“碳纳米材料”)。首先，碳纳米材料对于集中电场来讲，具有足够的大小和锐度，而且具有相对的化学稳定性和很好的机械强度，所以，用于电子发射源具有很好的应用前景。制备一般的碳纳米材料的纳米管的传统方法包括激光磨蚀法、在惰性气体中在石墨电极之间的电弧放电法，使用气态烃的CVD(化学气相沉积)法等。具体来说用电弧放电法制备的纳米管，由于其在原子排列方面几乎没有缺陷，所以适用于场致电子发射源。对传统的电弧放电法的描述如下首先，将两块石墨电极相对地放置在容器里，然后将容器抽真空，惰性气体被导入到容器中而产生电弧。强烈地蒸发被电弧照射的阳极而产生烟炱，该烟炱沉积在阴极表面上。经过连续超过几分钟的电弧放电后，使设备与大气相通，取出阴极上的沉积物。阴极上的沉积物由含有纳米管的软核和不含有纳米管的硬壳组成。当含有金属催化剂的石墨作为阳极时，纳米管存在于烟炱中。从衬底上固定的软核或烟炱中分离出纳米管，该纳米管可以用作电子发射源。依据传统的电弧放电法制备的碳纳米材料，如纳米管，以及用碳纳米材料构成的电子发射源的制备方法，存在以下问题在制备纳米材料时，需要一个真空容器，一个真空排气系统和气体导入设备，设备的成本相当高。排气和与大气相通需要重复进行，而且过程长。因为每次该过程完成之后，都需要进行阴极上的沉积物或烟炱的回收和设备的清洗，所以，传统的方法不适合于连续、大批量的生产。除此之外，为了用以该方法制备的碳纳米材料制造电子发射元件，还需要诸如分离软核和硬壳，分离烟炱、提纯、固定在衬底上等工序。专利技术概述本专利技术的一个目的是提供一种制备纳米碳的方法，该方法包括通过电弧放电的方法，蒸发一种以碳作为主要成分的材料，该方法不需要加工容器等，但是需要一种设备，该设备有焊接电弧焊炬或类似结构，从而生成含有纳米碳的烟炱并回收烟炱，并提供制备纳米碳的设备。本专利技术的另一个目的是提供一种制备电子发射源的方法，其中纳米碳作为电子发射源，其包括将烟炱承载在衬底上，并提供制备电子发射源的设备。本专利技术的另一个目的是提供一种回收烟炱的方法，其包括将基底材料置于放电区域周围或烟炱溅射的周围，通过基底材料回收沉积在基底材料上的烟炱，并提供回收烟炱的设备，这样会使生产和回收都很简单。同样，本专利技术的另一个目的是提供一种回收烟炱的方法，其包括将流体(液体)材料置于放电区域周围或烟炱溅射的周围，通过流体回收分散的和溶解在流体中的烟炱，并提供回收烟炱的设备。同样，本专利技术的另一个目的是提供一种回收烟炱的方法，其包括将颗粒材料置于放电区域周围或烟炱溅射的周围，通过颗粒材料来回收沉积或分散在颗粒材料上的烟炱，并提供回收烟炱的设备。此外，回收的纳米碳或含有纳米碳和金属细颗粒的复合烟炱(复合材料)可以用作氢储存材料。本专利技术的所有目的可以通过下面论述的几个方面来实现。本专利技术的第一个方面，提供一种制造纳米碳的方法，该方法包括如下步骤在大气或空气中将第一电极放置在主要以碳作为主要成分的第二电极对面；在第一电极和第二电极之间使用高压产生电弧放电；蒸发第二电极的碳材料，通过上述电弧放电产生含有纳米碳的烟炱；回收含有纳米碳的烟炱。在本专利技术的第一个方面所述的方法中，第一电极是安装在电弧焊炬上的焊炬电极，方法包括如下步骤当焊炬电极和第二电极进行相对运动时，通过电弧放电蒸发第二电极的碳材料，产生含有纳米碳的烟炱。在本专利技术的第一个方面所述的方法中，基底材料放置在产生电弧放电区域的对面，该方法包括从基底材料上回收含有纳米碳的烟炱的步骤。在本专利技术的第一个方面所述的方法中，流体或颗粒材料放置在产生电弧放电区域的对面，该方法包括从流体或颗粒材料上回收含有纳米碳的烟炱的步骤。在本专利技术的第一个方面所述的方法中，第一电极和第二电极之间的角度范围是45度到135度。在本专利技术的第一个方面所述的方法中，烟炱材料包括单层碳纳米管、碳纳米筒、多层碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米颗粒、CN纳米管、CN纳米纤维、CN纳米颗粒、BCN纳米管、BCN纳米纤维、BCN纳米颗粒、富勒烯及其混合物。在本专利技术的第一个方面所述的方法中，烟炱是含有纳米碳和金属细颗粒的混合或复合烟炱。在本专利技术的第一个方面所述的方法中，第二电极的碳材料是石墨、活性碳或无定形碳，含有添加剂或嵌入添加剂的石墨、活性碳或无定形碳。在上述刚刚描述的方法中，添加剂可以是Li、B、Mg、Al、Si、P、S、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、As、Y、Zr、Nb、Mo、Rh、Pd、In、Sn、Sb、La、Hf、Ta、W、Os、Pt，或其氧化物、氮化物、硫化物、氯化物、硫酸盐、硝酸盐或其混合物。在本专利技术的第一个方面所述的方法中，用直流电或直流电等离子体进行电弧放电，第二电极的电弧放电是阴极电弧放电。在本专利技术的第一个方面所述的方法中，用交流电或交流电等离子体进行电弧放电。在本专利技术的第一个方面所述的方法中，通过在第二电极的边缘端、突出或凹进去的部分，使用电弧放电蒸发碳材料，产生含有纳米碳的烟炱。在本专利技术的第一个方面所述的方法中，当在电弧放电的区域通入特定的气体或空气的同时进行电弧放电。在本专利技术的第一个方面所述的方法中，特定气体可以是如氩、氦等的稀有气体，氮气、二氧化碳气、氧气、氢气或其混合气体。在本专利技术的第一个方面所述的方法中，第一电极含有作为主要成分的高熔点的金属，如石墨、W(钨)、Mo(钼)或Ni(镍)等。依据本专利技术的第二个方面，提供一种根据本专利技术的第一个方面的方法制备的纳米碳。依据本专利技术的第三个方面，提供一种含有纳米碳和金属颗粒的复合或混合材料，该材料用本专利技术的第一个方面的方法来制备。依据本专利技术的第四个方面，提供一种制备纳米碳的设备，该设备包括一对电极，其包括第一电极，和以碳材料或含有添加剂的碳材料或在其表面上有添加剂生成的碳材料作为主要成分的第二电极，将两个电极以一定的距离放置在大气或空气中；产生电弧的设备，其包括电源，该电源在第一电极和第二电极之间提供电压产生电弧放电，从而蒸发碳材料产生含有纳米碳的烟炱；在产生电弧放电的区域提供特定气体的设备；回收烟炱的回收设备。在本专利技术的第四个方面的设备中，第一电极是安装在电弧焊炬上的焊炬电极；其进一步包括相对于第二电极移动焊炬电极的装置，当相对于第二电极移动焊炬电极时，焊炬电极和第二电极之间的电压通过电弧放电产生含有纳米碳的烟炱，因此，在第二电极的边缘端、突出或凹进去的地方蒸发碳材料。在本专利技术的第四个方面的设备中，回收设备采用流体或颗粒材料；该设备进一步包括一个放置流体或颗粒本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备纳米碳的方法，包括以下步骤： 在大气或空气中将第一电极放置在主要以碳材料作为主要成分的第二电极的对面； 在上述的第一电极和第二电极之间提供电压产生电弧放电； 通过上述的电弧放电，蒸发上述第二电极的碳材料，产生含有纳米碳的烟炱；和回收上述含有纳米碳的烟炱。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】JP 2001-3-12 068413/01;JP 2002-2-21 044554/021.一种制备纳米碳的方法，包括以下步骤在大气或空气中将第一电极放置在主要以碳材料作为主要成分的第二电极的对面；在上述的第一电极和第二电极之间提供电压产生电弧放电；通过上述的电弧放电，蒸发上述第二电极的碳材料，产生含有纳米碳的烟炱；和回收上述含有纳米碳的烟炱。2.根据权利要求1所述的一种制备纳米碳的方法，其特征在于上述第一电极是安装在电弧焊炬上的焊炬电极，其方法包括如下步骤当上述焊炬电极和第二电极进行相对运动时，通过上述的电弧放电蒸发第二电极的碳材料，产生含有纳米碳的烟炱。3.根据权利要求1所述的一种制备纳米碳的方法，其特征在于基底材料放置在产生电弧放电区域的对面，该方法包括通过基底材料回收上述含有纳米碳的烟炱。4.根据权利要求1所述的一种制备纳米碳的方法，其特征在于流体或颗粒材料放置在产生电弧放电区域的对面，该方法包括通过上述流体或颗粒材料回收上述含有纳米碳的烟炱。5.根据权利要求1所述的一种制备纳米碳的方法，其特征在于上述第一电极和第二电极之间的角度范围是45度到135度。6.根据权利要求1所述的一种制备纳米碳的方法，其特征在于上述烟炱包含一种纳米碳材料，该材料包括单层碳纳米管、碳纳米筒、多层碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米颗粒、CN纳米管、CN纳米纤维、CN纳米颗粒、BCN纳米管、BCN纳米纤维、BCN纳米颗粒、富勒烯或其混合物。7.根据权利要求1所述的一种制备纳米碳的方法，其特征在于上述烟炱是含有纳米碳和金属细颗粒的混合或复合烟炱。8.根据权利要求1所述的一种制备纳米碳的方法，其特征在于上述第二电极的碳材料是石墨、活性碳或无定形碳，是含有或嵌入添加剂的石墨、活性碳或无定形碳，或是在其表面喷溅、施用、镀有或涂布有添加剂的石墨、活性碳或无定形碳。9.根据权利要求8所述的一种制备纳米碳的方法，其特征在于上述添加剂是Li、B、Mg、Al、Si、P、S、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、As、Y、Zr、Nb、Mo、Rh、Pd、In、Sn、Sb、La、Hf、Ta、W、Os、Pt，或其氧化物、氮化物、硫化物、氯化物、硫酸盐、硝酸盐或其混合物。10.根据权利要求1所述的一种制备纳米碳的方法，其特征在于采用直流电或直流电等离子体产生上述电弧放电，上述第二电极的电弧放电是阴极电弧放电。11.根据权利要求1所述的一种制备纳米碳的方法，其特征在于采用交流电或交流电等离子体产生上述电弧放电。12.根据权利要求1所述的一种制备纳米碳的方法，其特征在于在第二电极的边缘端、突出或凹进去的部分，通过上述电弧放电蒸发碳材料，产生含有纳米碳的烟炱。13.根据权利要求1所述的一种制备纳米碳的方法，其特征在于向电弧放电的区域通入特定的气体或空气的同时进行上述电弧放电。14.根据权利要求12所述的一种制备纳米碳的方法，其特征在于上述特定气体是如氩、氦等的稀有气体，氮气，二氧化碳气，氧气，氢气或其混合气体。15.根据权利要求1所述的一种制备纳米碳的方法，其特征在于上述第一电极含有作为主要成分的高熔点的金属，如石墨、W(钨)、Mo(钼)或Ni(镍)。16.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：滝川浩史，日比美彦，伊藤茂生，
申请(专利权)人：双叶电子工业株式会社，滝川浩史，
类型：发明
国别省市：JP[日本]