[發明專利]用于超長碳納米管的化學氣相沉積的擴大反應器

有效

• 申請號: 201110430424.8
• 申請日: 2011-12-14
• 公開（公告）號: CN102557003A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: K·D·洪菲爾德;V·帕拉梅斯瓦蘭
• 申請（專利權）人: 波音公司
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;B82Y40/00
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 趙蓉民;張全信

背景技術

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。

碳納米管是本質上具有管形式的石墨片組合物的小的管狀結構。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。

通常，碳納米管可分為單壁型和多壁型。單壁型碳納米管結構僅具有一層圓柱形石墨層。多壁型碳納米管結構具有兩層或多層嵌套的圓柱形石墨層。

現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區域的尺寸。

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。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域更長。在管式爐內僅從充分加熱氣體開始的區域至該恒溫區終點可用于納米管生長。

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。

生產較長納米管的一個解決方案將是在較長爐內使用較長的直的(線性的)CVD反應器。但是，生產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。

簡述

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動心軸的機械裝置。心軸位于爐的恒溫區內并且當爐內生長CNT時可進行在轉動的心軸周圍收集CNT的操作。

在另一方面，提供了在標準化學氣相沉積(CVD)爐內生長任意長度碳納米管(CNTs)的方法。該方法包括在爐的CNT生長區內轉動心軸，當CNT在轉動心軸的方向生長時引導CNT，以使正在生長的CNT將在心軸上附著并且在心軸上轉動收集，以及維持心軸區中的溫度在接近CNT生長溫度的溫度下。

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的可旋轉心軸，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，可旋轉心軸在催化劑的下游，并且由于氣流在可旋轉心軸的方向吹CNT時，可操作可旋轉心軸以在可旋轉心軸周圍收集CNT。

已經討論的特征、功能和優勢可在各種實施方式中獨立實現或可在其它實施方式中結合，參考下列描述和附圖可看出其進一步的細節。

附圖簡述

圖1是線性化學氣相沉積反應器示意性側視圖。

圖2是圖1的CVD反應器的一部分的剖面圖。

圖3是擴大反應器的一個實施方式的剖面圖。

圖4是圖3的擴大反應器的爐的恒溫部分內心軸和催化劑的側視圖。

圖5是圖4的心軸和與心軸相關的組件部件的端視圖。

圖6是用于引起心軸轉動的驅動組件的端視圖。

圖7是圖6的驅動組件的側視圖。

詳述

參考以上段落，因為需要恒溫區以連續生長納米管，現有爐內任意長度碳納米管的制備需要CVD反應器內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管式爐，其由可拆卸、轉動的心軸擴大。通過克服傳統管式爐固有的熱和幾何形狀的限制，轉動心軸的加入允許任意長度的納米管生長。

具體地，當納米管生長時遇到爐內的轉動心軸。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域內生長任意長度的管。