[發明專利]一種基于化學氣相沉積法的納米材料打印機

有效

• 申請號: 202010200577.2
• 申請日: 2020-03-20
• 公開（公告）號: CN111441038B
• 公開（公告）日: 2023-08-22
• 發明（設計）人: 謝穎熙;張伯樂;陸龍生;湯勇
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: C23C16/54
• 分類號: C23C16/54;C23C16/455;C23C16/02;C23C16/26;B33Y10/00;B33Y30/00;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 李秋武

本發明涉及一種基于化學氣相沉積法的納米材料打印機，包括催化劑襯底、噴頭和驅動裝置，噴頭設有加熱裝置，噴頭一端通入有反應氣體、還原氣體和惰性氣體，噴頭另一端與催化劑襯底對應設置，驅動裝置設于噴頭一側，驅動噴頭和催化劑襯底相對三維移動。噴頭加熱后成為高溫的噴頭。還原氣體通過高溫的噴頭后成為高溫還原氣體，對催化劑襯底進行清洗，能夠更有效去除催化劑襯底表面殘余的氧化物雜質。高溫反應氣體噴射在催化劑襯底上，在催化劑襯底上發生還原反應生成納米材料。通過驅動裝置的驅動，使噴頭和催化劑襯底按照設定軌跡相對三維移動，可以得到所需圖案的納米材料產品，提升了納米材料打印的可操作性。

技術領域

本發明涉及納米增材制造技術領域，特別是涉及一種基于化學氣相沉積法的納米材料打印機。

背景技術

納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍超精細顆粒材料的總稱。納米材料按照尺度分為：二維納米材料、一維納米材料和零維納米材料。常見的二維納米材料有石墨烯等，常見的一維納米材料有碳納米管等，常見的零維納米材料有碳微球等。由于晶體結構特異，納米材料在眾多領域具有獨特優勢。以石墨烯為例，其因力學、電學和光學特性優異而受到廣泛關注。

化學氣相沉積法是利用含有薄膜元素的一種或幾種氣相化合物或單質，在襯底表面上進行化學反應生成薄膜的方法，可用于制備多種納米材料，如石墨烯、碳納米管等。該方法制備工藝簡單、成本較低，且能生產出高透光率、高質量、高純度的納米材料，所需設備一般為管式爐。該方法通過管式爐提供高溫，使反應氣體(如CH₄)在還原氣體(如H₂)作用下裂解，在惰性氣體保護和催化劑襯底作用下生成納米材料。但傳統化學氣相沉積法制備納米材料存在反應緩慢、耗時長、能耗高、生成產物不均勻等缺點，且無法直接生成所需圖案的納米材料產品。

發明內容

針對現有技術中存在的技術問題，本發明的目的是：提供一種基于化學氣相沉積法的納米材料打印機，其能夠快速生成所需圖案的納米材料產品，保留了納米材料高質量、高純度的優異特性，提升了納米材料的均勻性和可操作性。

為了達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種基于化學氣相沉積法的納米材料打印機，包括催化劑襯底、噴頭和驅動裝置，噴頭設有加熱裝置，噴頭一端通入有反應氣體、還原氣體和惰性氣體，噴頭另一端與催化劑襯底對應設置，驅動裝置設于噴頭一側，驅動噴頭和催化劑襯底相對三維移動。

進一步，噴頭設有陶瓷氣體噴管，陶瓷氣體噴管一端連接反應氣體、還原氣體和惰性氣體，陶瓷氣體噴管另一端對準催化劑襯底，加熱裝置包括石墨加熱件和加熱電源，石墨加熱件套接于陶瓷氣體噴管外，石墨加熱件連接加熱電源。

進一步，陶瓷氣體噴管和石墨加熱件間隙配合。

進一步，石墨加熱件外套接有隔熱層，石墨加熱件與隔熱層之間充有惰性氣體。

進一步，石墨加熱件上緊密貼合有熱電偶，熱電偶連接有溫度控制器，溫度控制器與加熱電源連接。

進一步，還包括氣體流量控制器；氣體流量控制器一端連接于陶瓷氣體噴管一端，氣體流量控制器另一端分別連接有惰性氣體氣源、反應氣體氣源和還原氣體氣源。

進一步，噴頭另一端與催化劑襯底之間距離為0.01～2mm。

進一步，噴頭一側設有底座，驅動裝置包括X軸移動模塊、Y軸移動模塊和Z軸移動模塊，Y軸移動模塊和X軸移動模塊分別固接于底座，Z軸移動模塊在X軸移動模塊上沿Z軸方向滑動，噴頭在Z軸移動模塊上沿X軸方向滑動，催化劑襯底在Y軸移動模塊上沿Y軸方向滑動。

進一步，Y軸移動模塊固接有基板，基板與噴頭另一端對應設置，催化劑襯底設于基板上。

進一步，還包括氣體保護箱，氣體保護箱設有密封內腔，噴頭、催化劑襯底和驅動裝置均設于密封內腔內。