專利名稱：碳納米管的生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳納米管的成長(zhǎng)裝置，尤其是對(duì)一種量產(chǎn)化生產(chǎn)碳納米管的裝置提供一種提高產(chǎn)能的方法。
背景技術(shù)：
近年來(lái)一種新的碳納米管材料(Carbon nanotube)自1991年被Iijima提出后(Nature 354，56(1991))，由于該材料具有高長(zhǎng)寬比(aspect ratio)、高機(jī)械強(qiáng)度、高耐化學(xué)腐蝕性(high chemical resistance)、不易損耗、低閾值電場(chǎng)(threshold electric field)等特性，已成為一種場(chǎng)發(fā)射電子源(filedemission electrons)的材料，被廣泛研究(Science 269，p1550(1995)；SID’98Digest，p1052(1998)；SID’01 Digest，p316(2001))。其中所謂的場(chǎng)電子發(fā)射是利用一種施加于材料表面的高電場(chǎng)(high electric filed)，將材料能障(energy barrier)的厚度減小致使電子可通過(guò)量子力學(xué)的隧道效應(yīng)(Quantum-mechanical tunneling effect)從材料表面脫離成為自由電子(J.Appl.phys.39，7，pp 3504-3504(1968))，因此場(chǎng)電子發(fā)射的電流可通過(guò)材料的具有低工作函數(shù)的表面而提升效果，此外，此電子產(chǎn)生方式是通過(guò)對(duì)該材料施加一電場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，無(wú)須對(duì)材料提供一定熱源，因此這類(lèi)場(chǎng)電子發(fā)射裝置素有冷陰極(cold cathode)之稱。
前述這類(lèi)碳納米管材料其主成分為碳，其物理結(jié)構(gòu)似非鉆石結(jié)構(gòu)，電子結(jié)構(gòu)含sp2及sp3價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，易于通過(guò)一些激發(fā)方式即可產(chǎn)生自由電子，可作為電子發(fā)射源的應(yīng)用，如可應(yīng)用于場(chǎng)發(fā)射顯示器，電池，探針、發(fā)射柵極放大器、照明、微機(jī)電，以及電磁材料應(yīng)用等多項(xiàng)用途，因此對(duì)于碳納米管已有商業(yè)上量產(chǎn)的需求，目前這類(lèi)碳納米管有多種方法可以制備如，弧光放電法(arc discharge)(Nature 354，56(1991))、碳?xì)浠衔锏臍庀酂岱纸夥?J.Mater.Sci.Lett.，16，457(1997))、石墨激光熱升華法(Science 273，483(1996))、化學(xué)氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition，SID’01 Digest，p1124(2001))及其衍生方式，而不論其以何種方法可以制成，尋找一種碳納米管原料(碳(C))成本低及簡(jiǎn)易低廉的制程(或加工制程)為本發(fā)明選定考慮的因素。
公知的利用弧光放電法制作含碳納米管的碳質(zhì)塊材的過(guò)程如圖1所示，該碳納米管成長(zhǎng)機(jī)1a具有電源供應(yīng)裝置2a，利用一定范圍的電壓或電流的變化于陽(yáng)極電極11a及陰極電極21a之間，提供作為冷卻腔壁40a、內(nèi)密閉容器30a、陽(yáng)極碳棒10a與陰極碳棒20a的間隙50a的放電參考，弧光放電過(guò)程中電壓或電流維持在一定范圍內(nèi)，使碳納米管的碳質(zhì)塊材持續(xù)成長(zhǎng)，但公知技術(shù)碳納米管成長(zhǎng)過(guò)程因間隙50a變化無(wú)法控制或電壓或電流變化無(wú)法控制致使碳管無(wú)法持續(xù)成長(zhǎng)。
前述一種可少量生產(chǎn)碳納米管的裝置是以弧光放電法可進(jìn)行小規(guī)模的碳納米管的生產(chǎn)，這種方法采用6mm直徑的陽(yáng)極石墨棒及9mm直徑的陰極石墨棒兩者置放于一容器內(nèi)，陰極與陽(yáng)極碳棒采用一種同軸位置的圓截面相對(duì)，陰極與陽(yáng)極間建立一18V的直流電壓，容器內(nèi)通入并充滿一惰性氣體氦氣，其工作方式是以陰極與陽(yáng)極的石墨棒鄰接至近乎接觸使產(chǎn)生弧光放電，此時(shí)包覆著碳納米管的一種碳質(zhì)塊材(carbonaceous bulk)則沉積于陰極石墨棒上鄰接陽(yáng)極石墨棒方向的圓截面表面，依此方法陽(yáng)極石墨棒于放電過(guò)程會(huì)逐漸損耗，而損耗的體積會(huì)被置換為包覆著碳納米管的碳質(zhì)塊材沉積于陰極石墨棒表面，此過(guò)程陰陽(yáng)極碳棒間的石墨棒一減一增可使陽(yáng)極碳棒與陰極碳棒間維持于一固定間隙，使所謂的沉積碳質(zhì)塊材不斷成長(zhǎng)，以使其中包覆的碳納米管有一定量的產(chǎn)出，參考這種做法本發(fā)明比照相同的條件，欲提高其產(chǎn)量，將陽(yáng)極及陰極的石墨棒截面積加大，采用直徑9mm長(zhǎng)約150mm的陽(yáng)極碳棒，直徑18mm的陰極碳棒，以弧光放電的方式成長(zhǎng)，所制作出的碳管的一種碳質(zhì)塊材，請(qǐng)參閱圖1所示，其產(chǎn)物的截面直徑約8～10mm，長(zhǎng)度約20～30mm，重量約1.8克，剝除其碳質(zhì)塊材的外鞘，自其中取得的碳納米管粉末重約0.4克，碳納米管得產(chǎn)率約22％，不過(guò)在陰極石墨棒上的碳質(zhì)塊材沉積過(guò)程并期望與陽(yáng)極石墨棒的間隙可以維持固定或持續(xù)保持，以使所謂沉積碳質(zhì)塊材達(dá)到一定的成長(zhǎng)長(zhǎng)度的這種做法仍有限，因此以此生產(chǎn)模式仍無(wú)法滿足量產(chǎn)的要求，此外此制作會(huì)同時(shí)產(chǎn)生C60或C60以上的碳球分子(Fullerene)，由于該結(jié)構(gòu)比重很小，因此極易飄散于容器內(nèi)，且易附著容器內(nèi)，因此于制程完成后于取下碳質(zhì)塊材后必須清理容器內(nèi)這些碳球分子的副產(chǎn)物，而清理作業(yè)必須仔細(xì)，才能有利于下一次成長(zhǎng)作業(yè)的進(jìn)行，因此所花費(fèi)的清理時(shí)間冗長(zhǎng)，對(duì)于以上原因以此技術(shù)仍難達(dá)成所謂的量產(chǎn)規(guī)模。
為此，有另一種公知技術(shù)二，如美國(guó)專利公告US5482601所示的一種碳納米管的產(chǎn)生方法及裝置，該發(fā)明通過(guò)了解前述的公知技術(shù)無(wú)法真正量產(chǎn)的缺陷，乃改良設(shè)計(jì)一種大面積的陰極石墨棒，該陰極石墨棒通過(guò)一種移轉(zhuǎn)裝置，可以讓所謂的含碳納米管的碳質(zhì)塊材沉積于該石墨棒上的不同區(qū)域，可以產(chǎn)生多個(gè)沉積碳質(zhì)材料，并由其發(fā)明的一種刮除裝置可以在容器內(nèi)剝離沉積碳質(zhì)材料而將其收集的，此外，通過(guò)一種定位裝置，可以幫助當(dāng)陰極石墨棒移轉(zhuǎn)后與陽(yáng)極石墨棒重新建立一個(gè)新接觸面時(shí)，可以控制陰極石墨棒與陽(yáng)極石墨棒間保持一固定間隙以助于弧光放電制程的電壓及制程控制的穩(wěn)定。然而依本技術(shù)實(shí)施，雖可量產(chǎn)化然而實(shí)施效果仍有限，由于此技術(shù)忽略了以弧光放電法必然產(chǎn)生的碳球分子副產(chǎn)物，易附著容器內(nèi)，尤其若附著于陰極石墨棒上這類(lèi)碳球分子的堆積將影響碳質(zhì)材料的沉積甚至無(wú)法成型，因此本公知技術(shù)的做法雖然以增大陰極石墨棒的圓截面的表面積，并借刮除的裝置以達(dá)可以連續(xù)生產(chǎn)含碳納米管的碳質(zhì)塊材的目的，不過(guò)并未對(duì)碳球副產(chǎn)物的清除作業(yè)提出有效解決方案，據(jù)此，于生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程，仍會(huì)面臨大量碳球分子附著于容器內(nèi)的污染問(wèn)題，尤其是附著于陰極石墨棒周?chē)?，若不加以清理，即使更換或增加附著面仍難以使含碳管的碳質(zhì)塊材，順利附著于陰極石墨棒圓截面表面，或是因?yàn)樘记蚍肿拥母街练e而使陰極石墨棒的圓截面表面不平整而降低含碳管的碳質(zhì)塊材沉積的品質(zhì)。
據(jù)此，申請(qǐng)人提出一種新型裝置(臺(tái)灣申請(qǐng)案第92214842號(hào))，以本發(fā)明對(duì)于利用弧光放電法制作含碳納米管的碳質(zhì)塊材的過(guò)程所提供的電壓或電流的控制作為一種反饋信號(hào)源，利用并參考此電壓或電流的變化提供作為陽(yáng)極碳棒與陰極碳棒的間隙的調(diào)整參考，利用間隙控制裝置修正或調(diào)整陰陽(yáng)極間的間隙以使弧光放電的電壓或電流能保持于一特定的電壓或電流條件變化內(nèi)，借此做法配合陰極與陽(yáng)極間的間隙調(diào)整可使碳納米管成長(zhǎng)過(guò)程，弧光放電過(guò)程電壓或電流維持一定，使碳納米管的碳質(zhì)塊材持續(xù)成長(zhǎng)，改善公知技術(shù)納米級(jí)碳成長(zhǎng)過(guò)程因間隙變化無(wú)法控制或電壓或電流變化無(wú)法控制致使碳納米管無(wú)法持續(xù)成長(zhǎng)的缺點(diǎn)。據(jù)此裝置雖可有效提高碳納米管的碳質(zhì)塊材持續(xù)成長(zhǎng)，對(duì)于塊材外內(nèi)的碳管的純度并無(wú)增益，至于對(duì)于場(chǎng)發(fā)射所需的電子發(fā)射源材料特性應(yīng)用并沒(méi)有特別的顯著進(jìn)步，由于塊材內(nèi)含的碳管態(tài)樣繁復(fù)，包含各類(lèi)層數(shù)管壁與各類(lèi)結(jié)構(gòu)態(tài)樣的碳管，甚至包含部分碳球結(jié)構(gòu)，因此各該態(tài)樣的碳管對(duì)場(chǎng)發(fā)射應(yīng)用的效果各有差異，據(jù)此，本發(fā)明設(shè)計(jì)一種碳管的碳質(zhì)塊材成長(zhǎng)條件，除提高塊材的成長(zhǎng)，并使材外鞘內(nèi)的碳管態(tài)樣可滿足場(chǎng)發(fā)射的應(yīng)用提高電子產(chǎn)生效率。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于公知技術(shù)對(duì)于弧光放電法制作含碳納米管塊材的過(guò)程雖利用一種檢測(cè)反饋的電壓或電流信號(hào)，以增加含碳納米管塊材，但仍難以提高其所含碳納米管的純度或含量，因此本發(fā)明利用前申請(qǐng)案所述的裝置改良一種可以利用弧光放電電壓與成長(zhǎng)時(shí)間的特定關(guān)系，以提高成長(zhǎng)含碳納米管的碳質(zhì)塊材的含碳納米管量的純度與比例的方法，可提高特定結(jié)構(gòu)的碳納米管成長(zhǎng)，降低其它結(jié)構(gòu)或非特定產(chǎn)物的產(chǎn)量。
本發(fā)明的主要目的是對(duì)于一種可以控制陽(yáng)極石墨棒與陰極石墨棒間隙的碳納米管裝置提供一特定弧光放電電壓與成長(zhǎng)時(shí)間的特定程序，控制碳質(zhì)塊材的沉積，增加塊材內(nèi)含碳納米管產(chǎn)量。
本發(fā)明的另一目的是對(duì)于一種可以控制陽(yáng)極石墨棒與陰極石墨棒間隙的碳納米管裝置提供一特定弧光放電電壓與成長(zhǎng)時(shí)間的特定程序，有利于特定碳管結(jié)構(gòu)的成長(zhǎng)，上述碳管結(jié)構(gòu)有利于場(chǎng)發(fā)射的電子發(fā)射源的利用。
為達(dá)上述目的，本發(fā)明提供一種方法使放電電壓與成長(zhǎng)時(shí)間的特定關(guān)系(當(dāng)陽(yáng)極碳棒與陰極碳棒維持一特定范圍的間隙時(shí))，本發(fā)明設(shè)計(jì)一等離子體電壓(V)對(duì)成長(zhǎng)時(shí)間(t)的關(guān)系式，以控制漸增電壓的成長(zhǎng)，而不至使間隙過(guò)大而停止等離子體的發(fā)生而停止成長(zhǎng)，使得碳納米管的成長(zhǎng)得到一精密的控制。
本發(fā)明的方法包含(1)建立一弧光放電時(shí)可動(dòng)態(tài)控制陽(yáng)極石墨碳棒與陰極石墨碳棒間隙的碳納米管成長(zhǎng)裝置；及(2)在弧光放電以生產(chǎn)碳納米管時(shí)，控制該間隙在一預(yù)定范圍并使用一電壓與時(shí)間相關(guān)的特性關(guān)系式，以隨著時(shí)間控制電壓，使碳納米管產(chǎn)生。
根據(jù)上述構(gòu)想，其中該特性關(guān)系式為電壓等于一時(shí)間的多項(xiàng)式，且該多項(xiàng)式的冪次至少為時(shí)間的一次式。
根據(jù)上述構(gòu)想，其中該特性關(guān)系式為V(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3的函數(shù)形式。
根據(jù)上述構(gòu)想，其中各該系數(shù)a0可為24至26，a1為0.045至0.055，a3為0.002至0.004。
根據(jù)上述構(gòu)想，其中該間隙被控制在該預(yù)定范圍時(shí)，陰陽(yáng)極電流范圍為85至95A。
根據(jù)上述構(gòu)想，其中該碳納米管成長(zhǎng)裝置以滑軌及步進(jìn)馬達(dá)調(diào)整該間隙。
根據(jù)上述構(gòu)想，其中該碳納米管成長(zhǎng)裝置具有可編程邏輯控制器，具對(duì)該特性關(guān)系式的各該系數(shù)做調(diào)整的功能，以應(yīng)實(shí)際操作的需求。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下；一、控制簡(jiǎn)易，以目前控制能力而言，簡(jiǎn)單的控制器即可完成；二、本發(fā)明裝置可適用高品質(zhì)碳納米管需求；三、對(duì)制程設(shè)備需求僅需小量更改。


圖1為公知碳管產(chǎn)生裝置示意圖；圖2為本發(fā)明的裝置系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖；圖3為本發(fā)明的控制流程圖；及圖4為本發(fā)明的實(shí)施裝置示意圖。
其中，附圖標(biāo)記說(shuō)明如下1a碳納米管成長(zhǎng)機(jī)11a 陽(yáng)極電極2a電源供應(yīng)裝置 21a 陰極電極30a 密閉容器 40a 冷卻腔壁50a 間隙1 碳納米管成長(zhǎng)裝置 10陽(yáng)極石墨碳棒11陽(yáng)極電極 2 電源供應(yīng)裝置20陰極石墨碳棒 21陰極電極30密閉容器 40冷卻腔壁50間隙 60步進(jìn)馬達(dá)61滑軌 62數(shù)字電表
63PLC位置控置器 64步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)裝置具體實(shí)施方式
公知技術(shù)對(duì)于弧光放電法制作含碳納米管塊材的過(guò)程，雖利用一種檢測(cè)反饋的電壓或電流信號(hào)，可以有效大量增加含碳納米管塊材，但仍難以提高其所含碳納米管的純度或含量，因此本發(fā)明利用前申請(qǐng)案所述的裝置改良一種可以利用弧光放電電壓與成長(zhǎng)時(shí)間的特定關(guān)系，以提高成長(zhǎng)含碳納米管的碳質(zhì)塊材的含碳納米管量的純度與比例的方法，可提高特定結(jié)構(gòu)的碳管成長(zhǎng)，降低其它結(jié)構(gòu)或非特定產(chǎn)物的產(chǎn)量。
參考公知弧光放電成長(zhǎng)碳納米管，以檢測(cè)兩極間的反饋電壓或電流信號(hào)加以控制，若以其中一種實(shí)施方式以調(diào)整一固定等離子體電壓以控制維系兩極間的間隙距離，雖可延長(zhǎng)成長(zhǎng)機(jī)會(huì)，不過(guò)兩極的等離子體間隙的阻抗也會(huì)隨同成長(zhǎng)時(shí)間的增加而增加，等離子體電流也將隨阻抗的增加而降低，因此，弧光等離子體的溫度也將改變而降低，等離子體的電子密度也會(huì)降低，因此碳質(zhì)塊材內(nèi)的碳納米管結(jié)構(gòu)改變，以使長(zhǎng)時(shí)間成長(zhǎng)，碳管成長(zhǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，甚至還包含其它類(lèi)似碳球或其它未知結(jié)構(gòu)等不純物的成長(zhǎng)。
據(jù)此，本發(fā)明對(duì)該裝置有關(guān)間隙控制單元提供一種弧光放電過(guò)程對(duì)等離子體電壓增益的過(guò)程控制，以維持等離子體的電流，及弧光等離子體的溫度，使碳納米管的沉積條件固定，得以控制特定的碳納米管結(jié)構(gòu)成長(zhǎng)，但此電壓增益條件也非無(wú)所限制，等離子體電壓增益過(guò)快或過(guò)大，均易造成電極間隙變大，超越成長(zhǎng)程序的控制，因而停止成長(zhǎng)，本發(fā)明設(shè)計(jì)一等離子體電壓(V)對(duì)成長(zhǎng)時(shí)間(t)的關(guān)系式，以控制漸增電壓的成長(zhǎng)，而不至使間隙過(guò)大而停止等離子體的發(fā)生而停止成長(zhǎng)，該關(guān)系式(1)可為一種冪次項(xiàng)的遞增函數(shù)V(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3+...，其中各該系數(shù)a0可為24至26，a1為0.045至0.055，a3為0.002至0.004。
據(jù)此，適當(dāng)依該函數(shù)調(diào)升兩極間的電壓值，即可獲得一穩(wěn)定的等離子體環(huán)境，進(jìn)而延長(zhǎng)并維系特定碳納米管的產(chǎn)量。
本發(fā)明對(duì)于利用弧光放電法制作含納米級(jí)碳管的碳質(zhì)塊材的過(guò)程所提供的等離子體電流的控制做為一種反饋信號(hào)源，作為陽(yáng)極碳棒與陰極碳棒的間隙的調(diào)整參考，再以一種電壓增益的控制程序以隨成長(zhǎng)時(shí)間增加等離子體電壓，但為避免增加電壓的過(guò)程所增加電壓過(guò)度，造成陰陽(yáng)極間隙過(guò)大而終止等離子體產(chǎn)生，配合一種電流反饋監(jiān)控調(diào)整間隙，利用間隙控制裝置修正或調(diào)整陰陽(yáng)極間的間隙，使弧光放電的電壓增益能保持于一特定的間隙，控制于一定范圍內(nèi)，借此做法配合陰極與陽(yáng)極間的間隙調(diào)整可使納米級(jí)碳管成長(zhǎng)過(guò)程，弧光放電程序，使碳納米管的碳質(zhì)塊材內(nèi)含特定碳納米管結(jié)構(gòu)持續(xù)成長(zhǎng)，改善公知技術(shù)塊材內(nèi)成長(zhǎng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的碳管及其它雜質(zhì)的缺點(diǎn)，本發(fā)明裝置裝設(shè)于碳納米管的產(chǎn)生設(shè)備上，通過(guò)本發(fā)明裝置對(duì)弧光放電過(guò)程可判斷電壓或電流的變化而作為陰陽(yáng)極石墨碳棒間隙的調(diào)整，其裝置系統(tǒng)如圖2的框圖所示。
以一種自動(dòng)控制處理單元PLC位置控制器作為核心控制單元，然后以一種數(shù)字電表，連接至碳納米管產(chǎn)生裝置的陰極與陽(yáng)極，可測(cè)量陰陽(yáng)極的石墨碳棒的間隙于弧光放電法過(guò)程的電壓或電流的變化，并轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)提供為PLC位置控制器參考數(shù)據(jù)，PLC位置控制器并連接一步馬達(dá)驅(qū)動(dòng)位置，該驅(qū)動(dòng)位置可驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的動(dòng)作，借此PLC位置控制器依據(jù)一控制程序動(dòng)作，并參考數(shù)字電表提供的電壓或電流信號(hào)，通過(guò)步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器與一步進(jìn)馬達(dá)連接并使步進(jìn)馬達(dá)動(dòng)作，而步進(jìn)馬達(dá)也與碳納米管產(chǎn)生裝置的陰極通過(guò)一連動(dòng)裝置連結(jié)而驅(qū)動(dòng)陰極碳棒的位置調(diào)整。而本發(fā)明裝置中所謂的一控制程序其控制流程如圖3。
其作業(yè)方式于一種以弧光放電法產(chǎn)生含碳納米管的碳質(zhì)塊材的裝置裝置結(jié)合本發(fā)明裝置，其中陰極與陽(yáng)極分別裝置上石墨碳棒，作業(yè)開(kāi)始先由PLC位置控制器提供一信號(hào)給步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)馬達(dá)動(dòng)作，步進(jìn)馬達(dá)動(dòng)作后使陰極石墨碳棒通過(guò)一滑軌朝向陽(yáng)極石墨棒方向動(dòng)作，此時(shí)陰陽(yáng)極的石墨碳棒間隙開(kāi)始由大轉(zhuǎn)小，陰陽(yáng)極間的電壓或電流也由大漸漸變小，當(dāng)測(cè)量的電壓或電流小于預(yù)設(shè)的電壓或電流，此時(shí)由程序作業(yè)使驅(qū)動(dòng)馬達(dá)逆向動(dòng)作調(diào)整，使間隙調(diào)整逼近預(yù)設(shè)電壓或電流，此時(shí)含碳納米管的碳質(zhì)塊材開(kāi)始沉積于陰極石墨棒的截面上，之后每隔一預(yù)設(shè)時(shí)間調(diào)整遞增等離子體電壓，依據(jù)關(guān)系式(1)遞增電壓，同時(shí)并于塊材成長(zhǎng)同時(shí)檢測(cè)兩極間的等離子體電流，若檢測(cè)電流逾越預(yù)設(shè)等離子體電流范圍，則進(jìn)行修正調(diào)整石墨棒的間隙。
據(jù)此，本發(fā)明提供一具體實(shí)施說(shuō)明揭示提供參考，參考圖4所示，本發(fā)明實(shí)施的裝置，一碳納米管成長(zhǎng)裝置1，具有電源供應(yīng)裝置2，該裝置密閉容器30由一冷卻腔壁40內(nèi)置一流動(dòng)的冷卻水，以供弧光放電過(guò)程的容器環(huán)境冷卻，陽(yáng)極電極11裝設(shè)一直徑9mm、長(zhǎng)約150mm的陽(yáng)極石墨碳棒10，陰極電極21裝設(shè)一直徑18mm的陰極石墨碳棒20，密閉容器內(nèi)通入一飽和穩(wěn)壓的氮?dú)?，并提供給一PLC位置控制器63，而陰極電極通過(guò)一承座與一滑軌61連接，該滑軌與一步進(jìn)馬達(dá)60連接，該馬達(dá)60動(dòng)作時(shí)可驅(qū)動(dòng)滑軌61動(dòng)作而帶動(dòng)陰極電極21的前進(jìn)或后退，此外，前述的PLC位置控制器63與一步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)裝置64連接，PLC位置控制器63下達(dá)信號(hào)使步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)裝置64驅(qū)動(dòng)步進(jìn)馬達(dá)60動(dòng)作以達(dá)到調(diào)整陰極碳棒與陽(yáng)極碳棒間隙50的目的，另外，PLC位置控制器63內(nèi)設(shè)置一動(dòng)作控制程序，可由數(shù)字電表62量得電壓電流值，通過(guò)該程序的判斷調(diào)整達(dá)到以上的動(dòng)作，其控制動(dòng)作遞增電壓依關(guān)系式(1)V(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3+...進(jìn)行調(diào)整遞增，其中各該系數(shù)a0可為24至26，其中以25為佳，a1可以為0.045至0.055其中以0.050為佳，a3可以為0.002至0.004其中以0.003佳，遞增電壓方式以每1分鐘進(jìn)行一電壓遞增(且V(t)的單位可為KV，t的單位可為sec)，檢測(cè)的等離子體電流可以容許為85安培(A)至95安培(A)之間判斷兩極間隙的修正參考。此外本作業(yè)過(guò)程于陰極表面于開(kāi)始有碳質(zhì)塊材的沉積后，接著以每三秒鐘由數(shù)字電表讀取一次陰陽(yáng)極間的電流，并提供為PLC位置控制器63判斷間隙的數(shù)據(jù)，此過(guò)程并提供動(dòng)作控制程序一電流偏差容許范圍約正負(fù)5A，以保持陰陽(yáng)極的電流可維持于90Amp的一容許范圍，當(dāng)陰極石墨棒上的碳質(zhì)塊材持續(xù)成長(zhǎng)可能會(huì)有結(jié)構(gòu)上的變形或是陽(yáng)極石墨棒耗盡，則陰陽(yáng)極間的電壓即開(kāi)始偏離進(jìn)而脫離陰陽(yáng)極的電流范圍85至95A之外，則PLC位置控制器63內(nèi)程序判斷停止作業(yè)完成含碳納米管的碳質(zhì)塊材成長(zhǎng)，此碳質(zhì)塊材的外觀結(jié)構(gòu)如圖4所示，產(chǎn)物的截面直徑約8～10mm，長(zhǎng)度約75～80mm，重量約6.5克，剝除其外鞘，自其中取得的納米級(jí)碳管粉末重約2.0克，碳納米管的產(chǎn)率約31％，據(jù)此，通過(guò)本發(fā)明的裝置所產(chǎn)出的碳管以電子顯微鏡照片比對(duì)，其中含類(lèi)似碳球結(jié)構(gòu)及其它非規(guī)則的碳管結(jié)構(gòu)已大大減低，經(jīng)由制作調(diào)至為場(chǎng)發(fā)射組件的電子發(fā)射源的制作，其起始電場(chǎng)在電流0.5μA的電場(chǎng)為1.5V/um，較公知的2.0V/um已有明顯的改善與貢獻(xiàn)。且其中該碳管成長(zhǎng)裝置具有可編程邏輯控制器(PLC)，其具有對(duì)該特性關(guān)系式的各該系數(shù)做調(diào)整的功能，以應(yīng)實(shí)際操作的需求如不同的石墨棒其特性關(guān)系式的各該系數(shù)也不同。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下；一、控制簡(jiǎn)易，以目前控制能力而言，簡(jiǎn)單的控制器即可完成；二、本發(fā)明裝置可適用高品質(zhì)碳納米管需求；三、對(duì)制程設(shè)備需求僅需少量更改。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳可行實(shí)施例，非以此限定本發(fā)明的專利范圍，故凡應(yīng)用本發(fā)明說(shuō)明書(shū)及附圖內(nèi)容所進(jìn)行的等效結(jié)構(gòu)變化，均同理皆包含于本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種碳納米管的生產(chǎn)方法，使用以弧光放電法為原理的裝置，其步驟包括有建立一弧光放電時(shí)可動(dòng)態(tài)控制陽(yáng)極石墨碳棒與陰極石墨碳棒間隙的碳納米管成長(zhǎng)裝置；及在弧光放電以生產(chǎn)碳納米管時(shí)，控制該間隙在一預(yù)定范圍并使用一電壓與時(shí)間相關(guān)的特性關(guān)系式，以隨著時(shí)間控制電壓，使碳納米管產(chǎn)生。
2.如權(quán)利要求1所述的碳納米管生產(chǎn)的方法，其特征在于該特性關(guān)系式為電壓等于一時(shí)間的多項(xiàng)式，且該多項(xiàng)式的冪次至少為時(shí)間的一次式。
3.如權(quán)利要求2所述的碳納米管生產(chǎn)的方法，其特征在于該特性關(guān)系式為V(t)＝a0+a1t+a2t2+a3t3的函數(shù)形式。
4.如權(quán)利要求3所述的碳納米管生產(chǎn)的方法，其特征在于各該系數(shù)a0可為24至26，a1為0.045至0.055，a3為0.002至0.004。
5.如權(quán)利要求1所述的碳納米管生產(chǎn)的方法，其特征在于該間隙被控制在該預(yù)定范圍時(shí)，陰陽(yáng)極電流范圍為85至95A。
6.如權(quán)利要求1所述的碳納米管生產(chǎn)的方法，其特征在于該碳納米管成長(zhǎng)裝置以滑軌及步進(jìn)馬達(dá)調(diào)整該間隙。
7.如權(quán)利要求3所述的碳納米管生產(chǎn)的方法，其特征在于該碳納米管成長(zhǎng)裝置具有可編程邏輯控制器，具對(duì)該特性關(guān)系式的各該系數(shù)做調(diào)整的功能，以應(yīng)實(shí)際操作的需求。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種碳納米管的生產(chǎn)方法，該方法使用以弧光放電法為原理的裝置，其步驟包括有建立一弧光放電時(shí)可動(dòng)態(tài)控制陽(yáng)極石墨碳棒與陰極石墨碳棒間隙的碳納米管成長(zhǎng)裝置；及在弧光放電以生產(chǎn)碳納米管時(shí)，控制該間隙在一預(yù)定范圍并使用一電壓與時(shí)間相關(guān)的特性關(guān)系式，以隨著時(shí)間控制電壓，使碳納米管產(chǎn)生。因此本發(fā)明利用一種弧光放電電壓與成長(zhǎng)時(shí)間的特定關(guān)系，該關(guān)系可以方程式表示，以提高成長(zhǎng)含碳納米管的碳質(zhì)塊材的含碳納米管量的純度與比例的方法，可提高特定結(jié)構(gòu)的碳管成長(zhǎng)，降低其它結(jié)構(gòu)或非特定產(chǎn)物的產(chǎn)量。
文檔編號(hào)C01B31/00GK1702041SQ20041004753
公開(kāi)日2005年11月30日 申請(qǐng)日期2004年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月24日
發(fā)明者郭志徹, 許瑞庭, 陳士勛 申請(qǐng)人:東元奈米應(yīng)材股份有限公司