專利名稱：碳納米管和其制造方法、以及制造碳納米管的設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及碳納米管的制造方法，該碳納米管適于，例如場效應發(fā)射器材料、電磁波屏蔽片材等，本發(fā)明涉及用于其的制造設備和由此制造的碳納米管。
背景技術：
不用說在所謂的納米電子領域中作為具有優(yōu)越的電特性和機械特性的材料，而且作為適于場效應發(fā)射器的材料、具有顯著高的機械強度的增強復合材料等，碳納米管(CNT)近來已引起了關注，只要其材料品質(zhì)的缺陷小(例如，參照G.S.Choi，K.H.Son和D.J.Kim，F(xiàn)abrication of high performancecarbon nanotube field emitters，“Microelectronic Engineering，”April 2003，Vol.66，No.1至No.4，pp.206-212；以及Cho YR，Lee JH，Hwang CS等，Characterizations of fine-pitched carbon nanotube pixels for field emitter arrays，“Japanese Jouernal of Applied Physics Part 1，”March 2002，Vol.41，No.3A，pp.1532-1535)。
具體地，雙壁碳納米管(DWCNT)顯示了成為電特性和機械特性優(yōu)于單壁碳納米管(SWCNT)和多壁碳納米管(MWCNT)的材料的潛力，因而DWCNT近來特別引起了關注。
以碳納米管應用于場效應發(fā)射器的情形作為實例。通過DWCNT，由發(fā)射器中的電場效應的電子發(fā)射閾值電壓變?yōu)榈碗妷海绲扔诨蛐∮谕ㄟ^SWCNT的電壓。另外，其耐久性可與有三層或多層的MWCNT一樣高。
然而，為了將DWCNT用于例如，上述場效應發(fā)射器，有必要進一步減少作為DWCNT的材料品質(zhì)的缺陷發(fā)生率。如果DWCNT具有材料品質(zhì)缺陷，該缺陷可成為引起作為場效應發(fā)射器的電缺陷的主要因素。而且，該DWCNT的材料品質(zhì)缺陷可成為降低耐久性的因素。即，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)通過各種實驗確認當該材料品質(zhì)缺陷的一部分例如，在高溫下在空氣中接觸到氧時，在該部分中發(fā)生強烈的惡化。
而且，因為所謂的DWCNT大量生產(chǎn)技術還沒有建立，在長的制造時間內(nèi)僅可生產(chǎn)少量的DWCNT。因此，在目前情況下，難以在短時間內(nèi)生產(chǎn)大量的具有無缺陷的高材料品質(zhì)的DWCNT。
首先，發(fā)現(xiàn)DWCNT能通過電弧放電方法生產(chǎn)。近年來，已建議如下生產(chǎn)DWCNT通過利用富勒烯C60和SWCNT的熱處理的生產(chǎn)DWCNT的熱處理方法；通過利用催化劑的CVD(化學氣相沉積)方法；或在含有氫的氣氛中的電弧放電方法。然而，任何一個上述制造方法中，在長時間內(nèi)僅可生產(chǎn)少量的DWCNT，并且沒有提出能實現(xiàn)大量生產(chǎn)的技術。
在熱處理方法中，難以達到能夠解決大量生產(chǎn)的生產(chǎn)能力。在CVD方法和電弧放電方法中，存在難以大量生產(chǎn)具有高純度的DWCNT的問題。而且，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明人的各種實驗，在使用活性氣體如氫氣的常規(guī)CVD方法和電弧放電方法中，存在著所生產(chǎn)的DWCNT受到活性氣體損害并因此缺陷發(fā)生率高的問題。然而，在該CVD方法和電弧放電方法中，如果不使用活性氣體如氫氣，則實際上不能生產(chǎn)DWCNT。因此，很難減少缺陷發(fā)生率。
為了通過常規(guī)的電弧放電方法選擇性生產(chǎn)DWCNT，已經(jīng)提出活性氣體如氫氣的存在是必須的(Utchinson，J.L.等，Carbon 2001)。而且，已經(jīng)報道在純的惰性氣體氣氛如氦氣中無法生產(chǎn)DWCNT(Saito，Y等，“The Journal ofPhysical Chemistry B，”2003，Vol.107，No.4，pp.931-934)。根據(jù)該報道，在常規(guī)的電弧放電方法中沒有氫氣存在不能生產(chǎn)DWCNT。
如上所述，在常規(guī)的制造方法中，很難減少缺陷發(fā)生率。而且，沒有提出能夠解決實際中大量生產(chǎn)的制造方法。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到以上所述，本發(fā)明的目的是提供碳納米管的制造方法，其能夠以高生產(chǎn)量和低缺陷發(fā)生率大量生產(chǎn)DWCNT，提供用于其的制造設備，和由此制造的碳納米管。
根據(jù)本發(fā)明的碳納米管制造方法是這樣的制造方法，其中將催化劑布置在具有中空部的第一電極的內(nèi)面上，布置第二電極使得其末端位于第一電極的中空部內(nèi)部，在第一電極和第二電極之間產(chǎn)生電弧放電，和通過電弧放電以催化劑開始生產(chǎn)碳納米管。
根據(jù)本發(fā)明的制造碳納米管的設備包括真空室，其具有其中包括中空部和布置在該內(nèi)面上的催化劑的第一電極、和第二電極，布置該第二電極使得其末端位于第一電極的中空部內(nèi)部；氣體引入設備，用于將惰性氣體引入真空室內(nèi)；和電壓施加設備，用于在第一電極和第二電極之間施加給定的電壓以產(chǎn)生電弧放電。
根據(jù)本發(fā)明的第一碳納米管為1μm-1mm長，根據(jù)本發(fā)明的第二碳納米管為1mm-1cm長，和根據(jù)本發(fā)明的第三碳納米管為1cm-1m長。而且，根據(jù)本發(fā)明的第四碳納米管為1m-1km長。前述任意碳納米管是連續(xù)的和絲狀的沒有間隙和接頭(joint)的碳納米管，其能通過本發(fā)明的制造設備或制造方法制造。
在本發(fā)明的碳納米管制造方法或本發(fā)明的制造碳納米管的設備中，在具有中空部的第一電極和第二電極之間產(chǎn)生電弧放電以生產(chǎn)碳納米管。由電弧放電產(chǎn)生的熱被適度地保留在第一電極的中空部內(nèi)部，第一電極內(nèi)面附近的溫度，即，布置在第一電極上的催化劑的溫度保持在適于生產(chǎn)碳納米管的溫度。由此，當持續(xù)電弧放電時，碳納米管以催化劑開始無中斷地以一連續(xù)線的狀態(tài)連續(xù)生產(chǎn)。
而且，在本發(fā)明的碳納米管制造方法或本發(fā)明的制造碳納米管的設備中，使用僅僅包括惰性氣體如氦氣、氮氣、和氬氣的氣氛。由此，即使在不含有氫氣和氧氣的氣氛中也以高生產(chǎn)量生產(chǎn)碳納米管。特別地，在雙壁碳納米管的情形下，在不含有氫氣和氧氣的氣氛中，以低缺陷發(fā)生率生產(chǎn)碳納米管。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明實施方式的DWCNT制造設備的輪廓構造的圖；圖2是示出其中生產(chǎn)絲狀DWCNT的狀態(tài)模型的圖；圖3是示出DWCNT回收設備實例的圖；圖4示出DWCNT回收設備另一實例的圖；圖5是示出由實施例的制造絲狀DWCNT在其精煉之前和之后的TGA(TG分析)結果的圖；圖6是示出由該實施例的制造絲狀DWCNT在其精煉之前和之后的TGA(TG分析)結果中TG變化率的圖；圖7是從第一電極表面以線形狀態(tài)生產(chǎn)的DWCNT的宏觀照片；
圖8A是從第一電極表面生產(chǎn)的DWCNT的SEM的宏觀照片；圖8B是膨脹率高于圖8A的DWCNT的照片；圖9A是通過該實施例制造的絲狀DWCNT在丙酮處理后由TEM拍攝的宏觀照片；圖9B是圖9A中的一個DWCNT的宏觀照片；和圖9C是圖9A的一束DWCNT的橫截面宏觀照片。
具體實施例方式
下文中參照附圖詳細說明本發(fā)明的實施方式。
圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明實施方式用于制造碳納米管例如雙壁碳納米管(DWCNT)的設備的輪廓構造。
該雙壁碳納米管(DWCNT)制造設備包括在真空室1中用于電弧放電的具有中空部2a的第一電極2和棒狀第二電極3。此處，在第一電極2中，該中空部2a具有碗狀形狀。安置第一電極2使得中空部2a朝上安置。垂直布置第二電極3使得其末端3a位于第一電極2的中空部2a的內(nèi)部。真空室1之外，安置電源(直流電源)4，用于在第一電極2和第二電極3之間施加給定電壓。真空室1通過未示出的空氣置換泵減壓。而且，惰性氣體如氦氣、氮氣、和氬氣通過氣體入口5引入到真空室1中。
在該實施方式中，在制造DWCNT中，首先，用例如僅He(氦)的惰性氣體填充真空室1，接著減壓。然后，在該減壓氣氛中，進行電弧放電。即，在該實施方式中，使用不含有氫和氧的氣氛。
第一電極2由碳(C)形成，并用作直流電弧放電中的陰極。在第一電極2中，成為生產(chǎn)DWCNT起始點的催化劑6分散和混合或支撐在中空部2a的表面(壁面)上。第二電極3的末端部分3a被其上分散有催化劑6的壁面包圍。作為催化劑6，例如，使用由金屬硫化物如FeS(硫化鐵)構成的金屬細顆粒。催化劑6可以在第二電極3內(nèi)混合。
如上所述，在該實施方式中，第一電極2包圍第二電極3的末端部分3a。因此，由于電弧放電產(chǎn)生的熱的表面溫度可保持在能生產(chǎn)DWCNT的溫度。
第一電極2具有中空部且具有能夠在布置在電極表面上的催化劑附近的特定空間區(qū)域內(nèi)儲存由電弧放電產(chǎn)生的熱的形狀，是足夠的。因此，第一電極2的形狀不限于碗狀形狀，也可以是錐(圓錐)狀形狀或僅在一側具有開口的封閉表面-狀形狀。另外，在僅在一側具有開口的形狀的情形下，可應用長方體狀(盒狀)形狀或圓柱狀(縱向孔(longitudinal bore))形狀。
同時，第二電極3也由碳(C)形成。第二電極3用作直流電弧放電的陽極，且用作用于生產(chǎn)DWCNT的材料(碳)供應源。第二電極3的外部形狀可以是，例如，圓柱狀形狀或矩形柱狀形狀。
在該實施方式的制造設備中，在真空室1中進行在第一電極2和第二電極3之間的直流電弧放電，真空室1通過使用例如氦(He)氣作為緩沖氣體保持在不含有氫和氧的氣氛中。通過直流電弧放電，產(chǎn)生直流電弧等離子體7，直流電弧放電的電能變成熱能，且第二電極3的碳供應到第一電極2的表面上作為用于生產(chǎn)的DWCNT材料。
如作為模型的圖2所示，在第一電極2的表面上，由直流電弧放電供應的碳成為以催化劑為起點6的絲狀DWCNT 8。當繼續(xù)該直流電弧放電時，如果碳的供應或足夠的直流電弧放電不被以下事實抑制，例如，DWCNT 8集中在第一電極2的內(nèi)部空間(中空部2a)中，那么DWCNT 8的生成穩(wěn)定無中斷地繼續(xù)。這樣，可容易地得到一根絲狀的無間隙或無接頭的DWCNT 8。
雖然上述制造的DWCNT 8的長度沒有具體限定，但例如，可得到的DWCNT 8為1μm-1mm長、1mm-1cm長、1cm-1m長、或1m-1km長。而且，例如，通過切割1m-1km長的DWCNT 8可獲得具有較短長度的DWCNT 8。
1μm-1mm長的DWCNT 8可用作用于FED(場發(fā)射顯示器)的底漆材料等。
1mm-1cm長的DWCNT 8可用作例如電磁波吸收劑或納米器件的基礎材料。
1cm-1m長的DWCNT 8用作納米配線(nanowiring)。
1m-1km長的DWCNT 8具有廣泛應用前途，可作為從支撐橋梁的線纜和起重機的繩材料開始的建筑和土木工程材料、結構材料、機器材料、設備部件等。支撐前述類型的結構或用作設備部件的常規(guī)線纜具有大的直徑，因此整體結構或整體設備也被擴大。同時，因為本發(fā)明的DWCNT 8具有高硬度，使用DWCNT 8有利于獲得小尺寸和輕重量的結構或設備。而且，當具有導電性的DWCNT 8用作輸送電力的線纜時，可通過甚至具有小直徑的納米管線的集束納米管傳輸高電力。另外，因為DWCNT 8輕且為剛性的，在支撐電力電纜的鋼塔之間的距離能夠為長的，約1km。
如上所述，在該實施方式，絲狀的DWCNT 8可以催化劑6為起點連續(xù)和穩(wěn)定地無中斷生產(chǎn)。因此，解決DWCNT的大量生產(chǎn)成為可能。而且，通過控制直流電弧放電持續(xù)的時間，連續(xù)生產(chǎn)的絲狀DWCNT 8的長度可為期望的長度，如1mm、1cm、1m、更長為1km、或更加長的長度。
此外，在該實施方式中，絲狀的DWCNT 8可在不含有氫氣和氧氣的氣氛中生產(chǎn)。因此，相對于常規(guī)和通常的制造方法如CVD法和電弧放電方法的情形，由活性氣體如氫氣和氧氣(其對DWCNT 8為高度活性)的存在引起缺陷發(fā)生率可顯著減少，而且可制造具有高可靠性和高耐久性的DWCNT 8。
圖3顯示了本發(fā)明的改變1。該改變的制造設備具有與前述實施方式的制造設備相同的構造，除了包括作為用于回收生產(chǎn)的DWCNT 8的回收設備的篩組件9以外。因此，對于相同的組件，對其附加相同的符號且省略其描述。
篩組件9通過沿篩組件9的表面在近似線形狀態(tài)下生產(chǎn)DWCNT 8，而不通過由周圍氣體對流產(chǎn)生的氣壓G1和G2使各自DWCNT 8相互纏繞，來促進回收DWCNT 8。作為篩組件9的材料，沒有具體的限定，只要該材料即使當暴露于高溫氣氛如約1000攝氏度下也不變形。例如，可列舉鎢、鐵、含有鎢和鐵的至少一種的合金、陶瓷、或帶有金屬如鐵的陶瓷復合物。篩組件9的篩結構優(yōu)選為易于與DWCNT 8纏繞的結構。即，如下所述，優(yōu)選進行安置使得當氣氛氣體通過篩組件9將DWCNT 8壓在篩組件9上時，DWCNT 8不通過篩組件9的篩。例如，篩的直徑可選擇，例如，為100μm-5cm。
優(yōu)選安置篩組件9遠離第一電極2。而且，篩組件9和電極2開口之間的距離優(yōu)選為這樣的距離，在該距離下篩組件9和第一電極2開口之間不產(chǎn)生通過電場的放電且氣壓G1和G2作用在篩組件9上，該距離例如1cm-50cm。此外，篩組件9可為如DWCNT 8的量增加一樣適當?shù)目梢苿拥?。篩組件9不必要如圖3中所示水平安置，而是可這樣安置例如使得橫截面成為V-形。
在該改變中，當DWCNT 8連續(xù)生產(chǎn)同時如前述實例中在第一電極2和第二電極3之間產(chǎn)生電弧放電時，如圖3的箭頭所示，由通過篩組件9的氣氛氣體對流產(chǎn)生氣壓G1和G2。通過氣壓G1，DWCNT 8被壓在篩組件9的表面上。此外，通過氣壓G2，在遠離第二電極3的方向上產(chǎn)生拉動DWCNT 8的力。因此，DWCNT 8沿著篩組件9的表面以近似線形狀態(tài)延伸，而且DWCNT 8不自身纏繞或與其他DWCNT 8纏繞。因而，例如，如前述實施方式所述的1cm-1m長的DWCNT 8容易和確定地生產(chǎn)。
為了回收在以具有保持的這種近似線形狀態(tài)的近似線形狀態(tài)延伸的狀態(tài)下生產(chǎn)的DWCNT 8，更加優(yōu)選沿著篩組件9生長的DWCNT 8在第一電極2的外部被回收。由此，沒有DWCNT 8的連續(xù)生產(chǎn)由真空室1或第一電極2的體積、尺寸等的限制在中間被抑制的風險，并且可防止出現(xiàn)DWCNT 8自身纏繞或與其他DWCNT 8纏繞。
在該改變中，包括篩組件9作為回收設備。因此，具有非常長的長度的DWCNT 8能容易和確定地生產(chǎn)，通過篩組件9促進DWCNT 8的回收，其有利于大量生產(chǎn)。此外，生產(chǎn)持續(xù)時間不由真空室1或第一電極2的體積、尺寸等限制，且絲狀DWCNT 8能容易和連續(xù)地中間無中斷生產(chǎn)。
該改變的回收設備具有可通過氣氛其他的開口是足夠的。而且該回收設備不限于篩組件9。例如，可以使用桿狀回收設備、棒狀回收設備、或格狀設備。
圖4顯示了回收設備的另一實例。在該改變中，使用輥型回收設備，其用于回收DWCNT 8同時通過在轉輥9A表面上吸附DWCNT 8卷繞DWCNT8。由此，即使具有非常長的長度1m-1km的DWCNT 8也可容易地回收，這更加有利于大量生產(chǎn)。
輥9A和第一電極2開口的距離優(yōu)選為，例如，如在改變1中的1cm-50cm。而且，輥9A可為如DWCNT 8的量增加一樣適當?shù)目梢苿拥?。而且，未示出的導向組件或未示出的導向輥可提供在輥9A和第一電極2之間。輥9A的數(shù)目不限于圖4所示的數(shù)目，而是可提供三個或多個輥9A。而且，篩組件9可與輥9A組合，并通過利用篩組件9作為導向組件將DWCNT 8引導到輥9A。
下面，將給出如上述雙壁碳納米管的制造設備和利用其的雙壁碳納米管制造方法的具體實施例的描述。
如前述實施方式所述，在面對第二電極3的第一電極2的內(nèi)側表面上以催化劑6為起點生產(chǎn)絲狀DWCNT 8。
在該實施例中，作為第一電極2，使用如圖1所示的包圍第二電極3的碗狀電極，其含有比例為1∶1∶1的NiS(硫化鎳)、CoS(硫化鈷)、和FeS(硫化鐵)且還含有少量(1重量％)的Sn(錫)作為催化劑6。作為第二電極3，使用250mm長且截面尺寸為15×15mm的碳棒，其以12∶3∶5的比例含有4.5重量％Ni(鎳)、Co(鈷)、和FeS(硫化鐵)。由電源4在直流電弧放電的電流保持在180A。
篩組件9作為回收設備布置在垂直方向上距第一電極2開口30cm的位置，由此回收由第一電極2生產(chǎn)的絲狀DWCNT 8。作為緩沖氣，使用純度為99.9999％的He(氦)，在生產(chǎn)DWCNT 8中真空室1中的氣氛保持在80[kPa]。
在該制造條件下，實際生產(chǎn)出DWCNT 8。接著，精煉生產(chǎn)的DWCNT 8。
具體地說，生產(chǎn)的DWCNT 8在室溫下在3N氮的氧化物溶液中攪拌24小時。然后，將生成物離心或置于超聲清洗器中幾次，除去雜質(zhì)。接著，該生成物在60℃下干燥10小時。
為了通過TEM設備(HRTEM，HF2000，Hitachi制造)觀察上述生產(chǎn)的DWCNT 8，進一步提供丙酮處理和超聲處理。接著，進行通過TEM的生成物的觀測和照相。此外，通過利用TGA設備(Perkin-Elmer，Phylisi TGA)，進行TGA(溫度重量分析)。TGA測試斜率(ramping rate)為5攝氏度/分鐘。
接著，將給出上述獲得的DWCNT 8的描述。
圖7為從第一電極2表面生產(chǎn)的絲狀DWCNT 8的宏觀照片。通過拍攝從真空室1觀測窗觀察到的開始直流電弧放電10分鐘后的狀態(tài)獲得該照片。看到絲狀DWCNT 8類似白色煙霧，其看起來來源于由高溫和直流電弧放電產(chǎn)生的強烈UV(紫外)線的輻射。
在直流電弧放電起始幾分鐘內(nèi)，在第一電極2表面上以催化劑6為起點開始生產(chǎn)約幾cm長的一束DWCNT 8。許多這些絲狀的DWCNT 8迅速生長成30cm或更大的長度。最終，DWCNT 8的量變得充足，其填充在第一電極2和篩組件9之間的空間。當在直流電弧放電起始20分鐘之后調(diào)節(jié)該條件時，回收300-500mg的DWCNT 8。這意味著與根據(jù)通過催化劑CVD法的常規(guī)的制造DWCNT的方法制造相同量的DWCNT的情形相比，根據(jù)本實施例的制造方法，DWCNT 8可以顯著高的速度制造。
圖8A為從第一電極2表面生產(chǎn)的DWCNT 8的SEM宏觀照片。該宏觀照片中所示的單個絲狀DWCNT 8的直徑為1-100μm。與由常規(guī)和通常的制造方法獲得的DWCNT 8相比，根據(jù)本實施例的DWCNT 8具有顯著高的機械強度。此外，圖8B通過以高于圖8A的放大率拍攝的根據(jù)本實施例的DWCNT 8獲得的SEM的宏觀照片。根據(jù)該照片，顯示出直徑為幾nm至幾十nm的大量的絲狀DWCNT 8和其束粗略地校直(roughly aligned)。
圖9A為本實施例制造的絲狀DWCNT 8在丙酮處理之后由TEM拍攝的宏觀照片。在該示例性的樣品中，金屬顆粒等明顯。即使進行超聲處理后，僅僅很少量的無定形碳存在。該事實與由常規(guī)和通常的電弧放電方法獲得DWCNT 8的情形正好相反。
圖9B為通過由TEM拍攝根據(jù)本實施例制造的絲狀DWCNT 8之一獲得的宏觀照片。圖9C為由TEM拍攝本實施例制造的一束絲狀DWCNT 8的橫截面獲得的宏觀照片。在該宏觀照片中示出的DWCNT 8中，單獨的DWCNT 8的直徑為2-7nm，如同由通常和常規(guī)的CVD方法、電弧放電方法等制造的DWCNT 8一樣。此外，在該宏觀照片所示的DWCNT 8中內(nèi)層和外層之間的距離為0.36-0.42nm，稍微大于在石墨碳或MWCNT情形下的典型值，約0.34nm。
所生產(chǎn)的絲狀DWCNT 8相對于碳原材料量的產(chǎn)率表現(xiàn)為50％或更多。
圖5和6是示出本實施例制造的絲狀DWCNT 8在其精煉之前和之后TGA(TG分析)結果的特性圖。在圖5和6中，分別地，a表示氧化處理之前，b表示氧化處理之后。
發(fā)現(xiàn)在本實施例制造的絲狀DWCNT 8中，即使該DWCNT 8沒有精煉和含有60重量％的金屬催化劑組分，燒毀(burn-out)的起始溫度在600攝氏度附近，其與由利用本實施例使用的第二電極3通過常規(guī)和通常的電弧放電方法制造的DWCNT的燒毀起始溫度的典型實例300攝氏度相比，為非常高的燒毀起始溫度。由此，顯而易見的是，在本實施例制造的DWCNT 8中，含在未精煉的DWCNT 8中的金屬催化劑組分沒有降低DWCNT8 的燒毀起始溫度。
此外，對本實施例制造的絲狀DWCNT 8在室溫下進行簡單氧化處理后，該金屬催化劑組分減小到6.8重量％。這表明大部分包含的金屬催化劑組分僅僅是以該金屬催化劑組分能易于除去的程度含在DWCNT 8中，但是該金屬催化劑組分不是以金屬催化劑組分不能除去的程度穩(wěn)固地含在DWCNT 8中。
而且，在本實施例制造的絲狀DWCNT 8中，即使氧化處理之后，TGA分析結果的重量變化速率的峰也在720攝氏度附近。因此，發(fā)現(xiàn)即使氧化處理之后耐氧化性也幾乎不變化。
這里，本發(fā)明的發(fā)明人進行了生產(chǎn)SWCNT的實驗，其中使用的制造設備如在制造前述DWCNT 8中使用的一樣，但催化劑6改變成用于生產(chǎn)SWCNT的催化劑。結果，認為在使用上述第一電極2的制造方法中，即使當缺陷在待生產(chǎn)的SWCNT中出現(xiàn)時，有自修復(self-cure)缺陷的功能。而且，證實通過在沒有活性氣體如氫氣和氧氣的氣氛下和利用具有中空部2a的第一電極2生產(chǎn)SWCNT，待生產(chǎn)的SWCNT的缺陷發(fā)生率可顯著降低到低水平。
相反，作為對比例，在如該實施例中一樣的催化劑的條件下通過進行直流電弧放電，進行生產(chǎn)DWCNT 8的實驗，除了使用常規(guī)和通常的棒狀陰極代替第一電極2以外。幾乎所有獲得的CNT是SWCNT，且僅生產(chǎn)出少量的DWCNT 8。
從以上所述，認為在沒有活性氣體如氫氣和氧氣的氣氛中通過利用如用在該實施例中的第一電極2進行直流電弧放電，大大有助于穩(wěn)定和連續(xù)地生產(chǎn)絲狀的DWCNT 8。
雖然已參照實施方式和實施例描述了本發(fā)明，但本發(fā)明不限于前述實施方式和實施例，且可以進行各種改變。例如，在前述實施方式和實施例中，已描述了制造DWCNT 8的情形。然而，根據(jù)本發(fā)明的制造方法或制造碳納米管的設備不但可用于雙壁碳納米管，還可用于制造單壁碳納米管、多壁碳納米管等。
此外，在前述實施方式和實施例中，已經(jīng)具體描述了制造設備的構造。然而，不必包括在前述實施方式描述的所有組件如回收設備，或可以進一步包括其他組件如額外的必要的維護窗(maintenance window)。
如上所述，根據(jù)本實施方式和本實施例的制造方法或制造碳納米管的設備，DWCNT的缺陷發(fā)生率等比通過常規(guī)的制造方法或常規(guī)的制造設備制造的DWCNT的缺陷發(fā)生率等可顯著降低，且DWCNT可穩(wěn)定和連續(xù)地制造。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明碳納米管的制造方法或本發(fā)明制造碳納米管的設備，將催化劑布置在具有中空部的第一電極的內(nèi)面上，布置第二電極使得其末端位于在第一電極的中空部內(nèi)部或其附近，并在第一電極和第二電極之間產(chǎn)生電弧放電。因此，由電弧放電產(chǎn)生的熱儲存在第一電極的中空部，其上布置有催化劑的表面上的溫度保持在適于生產(chǎn)碳納米管的溫度。因此，當持續(xù)直流電弧放電時，碳納米管以該袋形電極的催化劑為起點無中斷地在一連續(xù)線的狀態(tài)下連續(xù)生產(chǎn)。由此，可穩(wěn)定地大量生產(chǎn)碳納米管。
尤其是，與通過常規(guī)的制造方法或常規(guī)的制造設備制造的碳納米管的缺陷發(fā)生率相比，當在惰性氣體氣氛如氦中在不含氫氣和氧氣的狀態(tài)下進行生產(chǎn)時，該碳納米管的缺陷發(fā)生率可顯著減小。
此外，根據(jù)本發(fā)明的碳納米管，其長度為1mm或更長，更期望為1cm或更長，更加優(yōu)選1m或更長，其沒有間隙或接頭。因此，該碳納米管可用于需要長的纖維狀碳納米管的應用、必須使用按需要的長度切割的碳納米管的各種應用等。
權利要求
1.一種碳納米管制造方法，用于以催化劑為起點生產(chǎn)碳納米管，其中將該催化劑布置在具有中空部的第一電極的內(nèi)面上，布置第二電極使得其末端位于第一電極的中空部內(nèi)部，且在該第一電極和第二電極之間產(chǎn)生電弧放電。
2.根據(jù)權利要求1的碳納米管制造方法，其中雙壁碳納米管生長作為該碳納米管。
3.根據(jù)權利要求1的碳納米管制造方法，其中單壁碳納米管生長作為該碳納米管。
4.根據(jù)權利要求1的碳納米管制造方法，其中該電弧放電在僅包括惰性氣體的減壓氣氛中進行。
5.根據(jù)權利要求4的碳納米管制造方法，其中該電弧放電在氦氣、氮氣、或氬氣的減壓氣氛中進行。
6.根據(jù)權利要求1的碳納米管制造方法，其中該第一電極是碗狀電極和該第二電極是棒狀電極。
7.根據(jù)權利要求1的碳納米管制造方法，其中當在該第一電極和第二電極之間產(chǎn)生電弧放電的同時，連續(xù)地生產(chǎn)碳納米管。
8.制造碳納米管的設備，包括真空室，其具有第一電極和第二電極，在該第一電極中包括中空部且催化劑布置在該內(nèi)面上，布置該第二電極使得其末端位于該第一電極的中空部內(nèi)部；氣體引入設備，用于將惰性氣體引入該真空室內(nèi)；和電壓施加設備，用于在該第一電極和第二電極之間施加給定的電壓以產(chǎn)生電弧放電。
9.根據(jù)權利要求8的制造碳納米管的設備，其中該惰性氣體是氦、氮、或氬氣。
10.根據(jù)權利要求9的制造碳納米管的設備，其中該第一電極是碗狀電極。
11.根據(jù)權利要求8的制造碳納米管的設備，其包括用于回收將生產(chǎn)的碳納米管的回收設備。
12.1μm-1mm長的碳納米管。
13.1mm-1cm長的碳納米管。
14.1cm-1m長的碳納米管。
15.1m-1km長的碳納米管。
全文摘要
本發(fā)明提供碳納米管的制造方法，其能夠以高生產(chǎn)量和低缺陷發(fā)生率地大量生產(chǎn)DWCNT。在真空室(i)中，提供具有中空部(2a)的第一電極(2)和棒狀第二電極(3)。惰性氣體如氦氣、氮氣、或氬氣被引入到該真空室(1)中，以保持其為不含氫氣和氧氣的氣氛，并在該氣氛中，在第一電極(2)和第二電極(3)之間產(chǎn)生電弧放電。由電弧放電產(chǎn)生的熱適度地保留在第一電極(2)包圍的內(nèi)側表面上，以將第一電極(2)表面保持在適于生產(chǎn)DWCNT(8)的溫度。由此，絲狀的DWCNT(8)能以催化劑(6)為起點連續(xù)性地無中斷生產(chǎn)。
文檔編號D01F9/127GK1823006SQ20048002024
公開日2006年8月23日 申請日期2004年7月15日 優(yōu)先權日2003年7月15日
發(fā)明者黃厚金, 梶浦尚志, 阿多誠文 申請人:索尼株式會社