專利名稱：制造碳納米角聚集體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造碳納米角(carbon nanohorn)聚集體的方法。
背景技術(shù)：
近來，對納米碳的技術(shù)應(yīng)用進行了積極的研究。納米碳指具有納米級精細結(jié)構(gòu)的碳物質(zhì)，如碳納米管，碳納米角等。其中，碳納米角是管狀體結(jié)構(gòu)，由圓筒狀石墨片形成的碳納米管的一端形成圓錐形。通常，碳納米角聚集成以下形式，其中圓錐形部分突出于表面，象號角一樣，而管部分通過作用在圓錐形部分之間的Van der Waals力位于中心。由于碳納米角具有特別的性質(zhì)，因而可以預(yù)期碳納米角可應(yīng)用于各種技術(shù)領(lǐng)域中。
據(jù)報道，碳納米角聚集體通過激光燒蝕法來制造，其中通過在惰性氣體中用激光照射原料碳物質(zhì)(下文也稱作“石墨靶”)來制造(專利文獻1)。在專利文獻1中，記載了脈沖寬度為20～500msec，優(yōu)選在照射石墨靶的激光中連續(xù)振蕩。
專利文獻1日本公開專利公報No.2001-64004發(fā)明內(nèi)容然而，根據(jù)本發(fā)明人的廣泛研究，在常規(guī)激光燒蝕法中，仍有改進回收的煙灰狀物質(zhì)中的碳納米角聚集體比例(下文也稱作“收率”)的余地。當(dāng)除了碳納米角聚集體之外，還包括大量無定形碳和石墨時，需要純化得到的煙灰狀物質(zhì)，同時除去其他物質(zhì)。需要花很長時間進行純化處理。例如，有時純化10g煙灰狀物質(zhì)可能需要一天或更多時間。
本發(fā)明針對上述情況，提供一種高效地得到碳納米角聚集體的技術(shù)。
本發(fā)明人對高效得到碳納米角聚集體的技術(shù)進行了積極的研究，發(fā)現(xiàn)對照射石墨靶的光能和待照射的石墨靶的溫度進行精密控制很重要，從而完成了本發(fā)明。
在本發(fā)明中，提供一種制造碳納米角聚集體的方法，包括用脈沖光照射石墨靶表面，以從該石墨靶蒸發(fā)碳蒸汽，并回收該碳蒸汽以得到碳納米角，其中當(dāng)用該脈沖光照射該石墨靶表面時，該脈沖光的照射位置以基本上恒定的速度移動，該脈沖光的功率密度設(shè)置為5kW/cm2或更大至25kW/cm2或更小，及該脈沖光的脈沖寬度設(shè)置為0.5秒或更大至1.25秒或更小。
在本發(fā)明的制造方法中，隨著照射位置的移動，用功率密度為15kW/cm2或更大至25kW/cm2或更小的脈沖光照射石墨靶表面。因此，高效地得到碳納米角聚集體。在本說明書中，“功率密度”指實際上照射石墨靶表面的脈沖光的功率密度，即在石墨靶表面中的光照射區(qū)域的功率密度。
此外，隨著脈沖光照射位置的移動，用脈沖光照射石墨靶，可以防止石墨靶中的局部溫度過高。因此，可以穩(wěn)定地得到碳納米角聚集體。由于石墨靶表面因光照射而粗糙，因此優(yōu)選的是已經(jīng)用光照射過一次的表面的照射次數(shù)盡可能小，更優(yōu)選的是不重復(fù)對表面再照射。
在本發(fā)明中，如上所述，脈沖光的照射位置以基本上恒定的速度移動，以控制的脈沖光功率密度進行照射，照射光的脈沖寬度設(shè)置為0.5秒或更大至1.25秒或更小。脈沖寬度設(shè)置為0.5秒或更大至1.25秒或更小，照射位置以基本上恒定的速度移動，以控制的脈沖光功率密度進行照射。因此，由于這些協(xié)同作用可以提高碳納米角聚集體的產(chǎn)量和收率。盡管原因還不清楚，但可以認為隨著光照射位置中過度溫度上升受到抑制，而使產(chǎn)生碳納米角聚集體所需的能量累積的原因。
在本發(fā)明制造碳納米角聚集體的方法中，該脈沖光的暫停寬度可以設(shè)置為不小于0.25秒。因此，可以更安全地防止石墨靶過熱，這樣使碳納米角聚集體的收率進一步提高。
在本發(fā)明制造碳納米角聚集體的方法中，該脈沖光可以滿足下式(1)0.5≤(脈沖寬度)/(脈沖寬度+暫停寬度)≤0.8(1)在上式(1)中，使0.5≤(脈沖寬度)/(脈沖寬度+暫停寬度)可以優(yōu)選地確保光照射時間。因此，可以提高碳納米角聚集體的產(chǎn)量。此外，使(脈沖寬度+暫停寬度)≤0.8可以進一步防止石墨靶過熱。因此，可以提高碳納米角聚集體的收率。
在本發(fā)明制造碳納米角聚集體的方法中，該脈沖光的照射位置可以以0.01mm/sec或更大至55mm/sec或更小的速度移動。通過緩慢移動脈沖光的照射位置，可以增大石墨靶表面每單位面積的光總能量。因此，光能可以從石墨靶表面到達較深位置，這樣可以增大碳納米角產(chǎn)量。由于石墨具有優(yōu)異的熱傳導(dǎo)性，因此在0.01mm/sec或更大至55mm/sec或更小的速度范圍內(nèi)，和速度變化相關(guān)的溫度上升對產(chǎn)率等的影響相對較小。
在本發(fā)明制造碳納米角聚集體的方法中，可以用該脈沖光照射圓柱石墨靶的側(cè)面，同時該石墨靶繞中心軸旋轉(zhuǎn)。石墨靶可以有效地被光照射，同時使用這種結(jié)構(gòu)可以使裝置節(jié)省空間。當(dāng)使用這種方法時，由于用光照射的表面成為曲面，所以通常難于使碳納米角的產(chǎn)量和收率穩(wěn)定。然而，根據(jù)本發(fā)明，可以有效地解決生產(chǎn)能力的問題。
在本發(fā)明制造碳納米角聚集體的方法中，可以移動該照射位置，同時入射光相對于脈沖光照射表面的角度(即該脈沖光的照射角)基本上保持恒定。在說明書中，“照射角”指在激光照射位置處在石墨靶表面的法線和激光間形成的角。通過以基本上恒定的照射角照射可以穩(wěn)定地制造碳納米角聚集體。照射角基本上保持恒定指的是，照射角的波動被抑制到其中照射石墨靶表面的激光功率密度基本上保持恒定的程度。
在本發(fā)明中，優(yōu)選的是照射角為30度或更大至60度或更小。當(dāng)照射角設(shè)置為30度或更大至60度或更小，光照射能量密度的控制性較好，這樣可以穩(wěn)定地提高碳納米角聚集體的收率。
在本發(fā)明制造碳納米角聚集體的方法中，移動該照射位置使得該脈沖光的照射位置不會在該石墨靶表面上重合。因此，可以抑制因過照射而使石墨靶過熱，并且可以抑制脈沖光在粗表面上的過照射，這樣可以穩(wěn)定地制造高收率的碳納米角聚集體。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，在用脈沖光照射石墨靶表面時，用脈沖光進行照射的條件設(shè)置在特定范圍內(nèi)，同時照射位置以基本上恒定的速度移動，從而可以高效地制造碳納米角聚集體。


從下面對優(yōu)選實施方案和附圖的說明中，可以更清楚本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點，在附圖中圖1表明一個實施方案的碳納米角聚集體制造裝置的結(jié)構(gòu)；圖2表明一個實施例的碳納米角聚集體的生產(chǎn)率和脈沖寬度間的關(guān)系；圖3表明一個實施方案的碳納米角聚集體制造裝置的結(jié)構(gòu)；及圖4說明在圖3碳納米角聚集體制造裝置中用激光照射石墨靶。
具體實施例方式
下面說明本發(fā)明的優(yōu)選實施方案。
圖3表明碳納米角聚集體制造裝置結(jié)構(gòu)的一個實施例。圖3所示的納米碳制造裝置347包括制造室107，納米碳回收室119，輸送管141，激光源111，和透鏡123。激光源111通過激光窗113向制造室107發(fā)出激光103。透鏡123聚焦激光103。納米碳制造裝置347還包括惰性氣體供應(yīng)單元127，流量計129，真空泵143，和壓力計145。
石墨桿101用作固體碳單體物質(zhì)，并制成用激光103照射的靶。石墨桿101固定到旋轉(zhuǎn)機構(gòu)115上，并可以繞中心軸旋轉(zhuǎn)。石墨桿101的位置也可以移動。用從激光源111來的激光103照射石墨桿101的側(cè)面。此時，納米碳回收室119朝著產(chǎn)生煙羽109的方向設(shè)置，煙羽通過輸送管141。因此，生成的碳納米角聚集體117被納米碳回收室119回收。
發(fā)射的激光103使得照射角保持恒定。這種狀態(tài)可以參考圖4。圖4表明以45度照射角，用激光103照射石墨桿101的圓柱表面。如圖4所示，激光103以垂直于石墨桿101長軸(中心軸)的方向入射到圓柱表面。照射位置的照射角是45度。
石墨桿101以預(yù)定速度繞中心軸旋轉(zhuǎn)，同時激光103的照射角保持恒定，這樣可以用恒定功率密度的激光103連續(xù)照射石墨桿101的側(cè)面。此外，通過使石墨桿101沿長度方向滑動，可以沿長度方向用恒定功率密度的激光103連續(xù)照射石墨桿101。
在這種情況下，優(yōu)選的是照射角為30度到60度，包括兩個端值。如上所述，照射角指激光103的照射位置處，在石墨靶表面的法線和激光103間形成的角。在使用圓柱石墨靶作為石墨桿101的情況下，在垂直于石墨桿101長度方向的截面中，照射角是指在連接照射位置和圓心的線段和水平面之間所成的角。
通過將照射角設(shè)置成不小于30度，可以防止照射用的激光103的反射，即可以防止光回饋。可以防止產(chǎn)生的煙羽109通過激光窗113直接撞擊透鏡123。因此，可以有效地保護透鏡123，并且也可以有效地防止碳納米角聚集體117與激光窗113粘附。因此，可以穩(wěn)定照射石墨桿101的激光103的功率密度，從而以高收率穩(wěn)定地制造碳納米角聚集體117。
以不超過60度角度的激光103照射石墨桿101可以防止產(chǎn)生無定形碳，從而提高產(chǎn)物中碳納米角聚集體117的比例，即提高碳納米角聚集體117的收率。特別優(yōu)選的是照射角設(shè)置為45度±5度。用約45度的角照射可以進一步提高產(chǎn)物中碳納米角聚集體117的比例。
納米碳制造裝置347具有用激光103照射石墨桿101側(cè)面的結(jié)構(gòu)。因此，在透鏡123位置固定時，通過控制石墨桿101的高度可以改變對側(cè)面的照射角。當(dāng)改變激光103的照射角時，在石墨桿101表面中的激光103的照射面積被改變，從而改變了功率密度并可以進行穩(wěn)定的控制。
具體而言，例如，在固定透鏡123位置的情況下，照射角設(shè)置為30度，這樣可以增大功率密度。照射角設(shè)置為60度，這樣可以將功率密度控制到較低。
參照圖3，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)115固定石墨桿101，使石墨桿101繞中心軸旋轉(zhuǎn)。例如，可以旋轉(zhuǎn)石墨桿101，使激光103在石墨桿101表面的照射點與激光103的照射方向分開。具體而言，在圖3中，石墨桿101可以繞中心軸順時針旋轉(zhuǎn)。因此，可以更可靠地抑制光回饋的發(fā)生。
當(dāng)用激光103穩(wěn)定地照射新表面時，可以穩(wěn)定地回收碳納米角聚集體117。通過使石墨桿101與旋轉(zhuǎn)機構(gòu)115固定，可以使石墨桿101繞中心軸旋轉(zhuǎn)。石墨桿101可以沿中心軸方向或垂直方向(即圖3的垂直方向)移動。
在納米碳制造裝置347中，當(dāng)石墨桿101繞中心軸順時針旋轉(zhuǎn)時，其可以平移，從而通過控制旋轉(zhuǎn)移動和平移移動的條件，可以用激光103照射石墨桿101同時改變照射位置。因此，如后所述，可以容易地控制用激光103照射石墨桿101的條件。因此，可以得到大規(guī)模生產(chǎn)具有所需性質(zhì)的碳納米角聚集體117的裝置。
輸送管141用于連通制造室107和納米碳回收室119。用從激光源111來的激光103照射石墨桿101的側(cè)面。此時，納米碳回收室119通過輸送管141朝著產(chǎn)生煙羽109的方向設(shè)置。因此，生成的碳納米角聚集體117被納米碳回收室119回收。
由于煙羽109產(chǎn)生于垂直于石墨桿101切線的方向，即在激光103照射位置的法線方向，所以在將輸送管141按此方向設(shè)置時，可以有效地使碳蒸汽進入納米碳回收室119，從而回收碳納米角聚集體117的粉末。例如，當(dāng)照射角設(shè)置為45度，輸送管141可以設(shè)置為與法線成45度的方向。
納米碳制造裝置347被設(shè)計成可以用激光103照射石墨桿101的側(cè)面，同時石墨桿101在圓周方向旋轉(zhuǎn)。以激光103方向與產(chǎn)生煙羽109的方向不重合的位置關(guān)系用激光103照射石墨桿101。因此，可以在不影響激光103光路的位置，有效地回收碳納米角聚集體117。
在納米碳制造裝置347中，預(yù)先可以預(yù)測在石墨桿101側(cè)面中產(chǎn)生的煙羽109的角度，這樣可以精確地控制輸送管141的位置和角度。因此，可以在后述條件下有效地制造和穩(wěn)定地回收碳納米角聚集體117。
圖1表明制造碳納米角聚集體117的裝置的另一種結(jié)構(gòu)實施例。圖1所示的制造裝置其基本結(jié)構(gòu)與圖3裝置相同。然而，不同之處在于石墨桿101和激光103間的位置關(guān)系以及輸送管141安置的方向。在圖1所示的裝置中，用激光103照射略低于石墨桿101側(cè)面頂部的位置，煙羽109在照射表面的法線方向產(chǎn)生。在圖1所示的裝置中，納米碳回收室119在煙羽109產(chǎn)生方向的正上方附近。因此，在納米碳回收室119回收產(chǎn)生的碳納米角聚集體117。盡管圖1中沒有顯示，但是在該裝置中也可以包括惰性氣體供應(yīng)單元127，流量計129，真空泵143，和壓力計145。
接下來，具體說明用圖1或圖3所示的制造裝置制造碳納米角聚集體117的方法。
在實施方案的制造方法中，用脈沖激光103照射石墨桿101的表面，以從石墨桿101蒸發(fā)碳蒸汽，并回收碳蒸汽得到碳納米角。此時，得到的碳納米角作為碳納米角聚集體117。在用脈沖光照射石墨桿101的表面時，脈沖光的照射位置以基本上恒定的速度移動，脈沖光的功率密度設(shè)置為5kW/cm2至25kW/cm2，包括兩個端值，脈沖光的脈沖寬度設(shè)置為0.5秒至1.25秒，包括兩個端值。
在用圖1或圖3的制造裝置制造碳納米角聚集體117的過程中，高純度石墨(例如，棒狀燒結(jié)的碳或壓縮成形的碳等)可以用作石墨桿101。
高功率CO2氣體激光等用作激光103。在使用稀有氣體如Ar和He的惰性氣體氣氛中，用激光103照射石墨桿101，壓力例如是103Pa至105Pa，包括兩個端值。優(yōu)選的是，在制造室107預(yù)先被抽真空，例如壓力不超過10-2Pa后，再產(chǎn)生惰性氣體氣氛。
優(yōu)選的是，控制石墨桿101側(cè)面的激光103的輸出、光斑直徑和照射角，使激光103的功率密度基本上保持恒定在5kW/cm2至25kW/cm2的范圍內(nèi)，包括兩個端值。
例如，激光103的輸出設(shè)置為1kW～50kW，包括兩個端值。激光103的脈沖寬度設(shè)置為不小于0.5秒，優(yōu)選不小于0.75秒。因此，可以充分保證照射石墨桿101表面的激光103的累積能量，這樣可以充分地制造碳納米角聚集體117。激光103的脈沖寬度設(shè)置為不超過1.5秒，優(yōu)選不超過1.25秒。因此，可以抑制由于石墨桿101的表面過熱而使表面的能量密度波動，從而抑制碳納米角聚集體的收率降低。此外，優(yōu)選的是激光103的脈沖寬度設(shè)置為0.75秒至1秒，包括兩個端值。因此，可以提高碳納米角聚集體117的生產(chǎn)率和收率。
照射激光的暫停寬度例如設(shè)置為不小于0.1秒，優(yōu)選不小于0.25秒。因此，可以更可靠地防止石墨桿101的表面過熱。
優(yōu)選的是設(shè)置暫停寬度，使得脈沖光照射條件滿足下式(1)0.5≤(脈沖寬度)/(脈沖寬度+暫停寬度)≤0.8(1)在上式(1)中，使0.5≤(脈沖寬度)/(脈沖寬度+暫停寬度)可以有效地制造碳納米角聚集體117。此外，使(脈沖寬度+暫停寬度)≤0.8可以提高碳納米角聚集體117的收率。
在石墨桿101的表面中，激光103的優(yōu)選照射角按如上所述，移動照射位置，同時使脈沖光的照射角基本上保持恒定。在用激光103照射石墨桿101的側(cè)面的過程中，光斑直徑設(shè)置為0.5mm至5mm，包括兩個端值。
光斑位置(激光103在石墨桿101的表面的照射位置)可以以0.01mm/sec至55mm/sec的速度(線速度)移動，包括兩個端值。當(dāng)線速度增大時，從石墨桿101的表面產(chǎn)生的碳蒸發(fā)被限制到表面的淺區(qū)域，同時在脈沖對石墨桿101表面的一次照射中，用激光103照射的長度更長。相反，當(dāng)線速度減小時，蒸發(fā)能達到石墨桿101的表面的深區(qū)域，同時在脈沖對石墨桿101表面的一次照射中，用激光103照射的長度更短。
可以推測出，每單位時間的煙灰狀物質(zhì)的產(chǎn)量，即煙灰狀物質(zhì)的生產(chǎn)率和在生成的煙灰狀物質(zhì)中碳納米角聚集體117的收率，取決于在一次脈沖光照射中照射位置的移動距離和碳蒸發(fā)的深度。當(dāng)碳蒸發(fā)極深時，生成除碳納米角聚集體117外的其他物質(zhì)，從而降低了收率。當(dāng)碳蒸發(fā)極淺時，不能充分地制造碳納米角聚集體117。在上述條件中設(shè)置的線速度可以有效地高收率制造碳納米角聚集體117。
更具體而言，石墨桿101的移動速度可以設(shè)置到不小于5mm/sec，例如，優(yōu)選不小于10mm/sec，這樣可以有效地制造碳納米角聚集體117。石墨桿101的移動速度也可以設(shè)置到，例如，不超過32mm/sec，這樣可以有效地用激光103照射石墨桿101的表面。
在本實施方案中，用脈沖光照射石墨桿101的側(cè)面，同時作為圓柱石墨靶的石墨桿101繞中心軸旋轉(zhuǎn)。由于用激光103照射石墨桿101的表面的同時移動激光103的照射位置，因此可以防止照射位置的表面粗糙化，這樣可以抑制照射石墨桿101表面的激光103的功率密度的波動。因此，可以穩(wěn)定地制造具有所需性質(zhì)的碳納米角聚集體117。
具體而言，例如，在用激光103照射直徑為100mm的石墨桿101的表面時，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)115以恒定速度在圓周方向旋轉(zhuǎn)直徑為100mm的石墨桿101，轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)置為0.01rpm至10rpm，包括兩個端值，這樣可以得到上述線速度。此時，優(yōu)選的是轉(zhuǎn)數(shù)為2rpm至6rpm，包括兩個端值。因此，可以進一步提高碳納米角聚集體117的收率。盡管沒有特別限制石墨桿101的旋轉(zhuǎn)方向，但優(yōu)選的是，石墨桿101沿石墨桿101遠離激光103的方向旋轉(zhuǎn)。因此，可以更有效地回收碳納米角聚集體117。
在用激光103照射時，可以移動照射位置，使得脈沖光的照射位置不會在石墨桿101的表面上重合。具體而言，例如，通過控制石墨桿101的旋轉(zhuǎn)速度和根據(jù)激光103的光斑直徑控制脈沖光的暫停寬度，接下來脈沖光不對脈沖光照射中已經(jīng)用激光照射的區(qū)域進行照射。因此，在石墨桿101表面的照射位置可更可靠地抑制功率密度的波動，這樣可以穩(wěn)定高收率地制造具有所需性質(zhì)的碳納米角聚集體117。
例如，用激光103照射石墨桿101的條件具體設(shè)置如下在石墨桿101側(cè)面的激光103的功率密度22kW/cm2激光103的脈沖寬度1sec激光的暫停寬度0.25sec石墨桿101的線速度10mm/sec因此，可以有效高收率地制造碳納米角聚集體117。當(dāng)用激光103照射直徑為100mm的石墨桿101的表面時，石墨桿101繞中心軸的轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)置為2rpm，這可以將石墨桿101的線速度設(shè)置為約10.5mm/sec。
用圖1或圖3的裝置制造的煙灰狀物質(zhì)主要含有碳納米角聚集體117，并被回收成例如含有90wt％或更大碳納米角聚集體117的物質(zhì)。
如上所述，基于實施方案說明了本發(fā)明。本領(lǐng)域所屬技術(shù)人員可以理解，這些實施方案僅是示例性的，可以做出各種變化，這些變化也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
例如，圖1或圖3的裝置可具有如下結(jié)構(gòu)，其中納米碳回收室119回收用激光103照射得到的煙灰狀物質(zhì)，也可以通過沉積在適合的基板上或用集塵袋回收微粒子的方法來回收。此外，惰性氣體也可以在反應(yīng)室中流通，從而通過惰性氣體流回收煙灰狀物質(zhì)。
在圖1或圖3所示的納米碳制造裝置中，還可以包括控制旋轉(zhuǎn)機構(gòu)115或激光源111操作的控制器，從而使照射石墨桿101表面的激光103的功率密度基本上保持恒定。因此，可以更可靠地控制照射石墨桿101表面的激光103的功率密度，這樣可以高收率地制造具有穩(wěn)定性質(zhì)的納米碳。
此時，控制器可以使石墨桿101和激光源111之一相對于另一個移動，從而移動激光103在石墨桿101表面的照射位置。例如，控制器可以具有移動單元控制器，并且移動單元控制器控制激光源111的照射角，激光源可以發(fā)出激光103到石墨桿101的表面。此外，控制器可以具有激光控制器，激光控制器發(fā)出激光103，同時改變激光103的出射光強度。因此，可以更精確地調(diào)節(jié)照射石墨桿101表面的激光103的功率密度。
在構(gòu)成碳納米角聚集體117的碳納米角中，根據(jù)使用激光103等的條件，可以按各種方式控制形狀，直徑大小，長度，尖端部分的形狀，碳分子間的距離，碳納米角間的距離等。
在上述說明中，石墨桿101用作石墨靶的實例。然而，石墨靶的形狀不限于圓柱形。例如，石墨靶可以是薄片形、棒狀等。
下面根據(jù)實施例進一步說明本發(fā)明。然而，本發(fā)明不限于下面的
(實施例)在此實施方案中，用激光燒蝕法制造碳納米角聚集體。直徑為100mm的桿狀燒結(jié)碳用作固體碳物質(zhì)(石墨靶)。將石墨靶放在真空室中。將真空室抽空至10-2Pa后，充入Ar氣，使得氣壓為760Torr(1.01325×105Pa)。然后，用高輸出CO2激光在室溫下照射固體碳物質(zhì)30min。激光輸出設(shè)置為3kW，固體碳物質(zhì)表面中的功率密度設(shè)置為22kW/cm2。脈沖寬度和暫停寬度設(shè)置為表1的條件。在固體碳物質(zhì)以6rpm旋轉(zhuǎn)時，進行激光照射，照射角設(shè)置為45度。此時，照射位置的移動速度為31.4mm/sec。
表1表明在每一個種照射條件下碳納米角聚集體的生產(chǎn)率和收率。在表1和以后的表中，“生產(chǎn)率”指單位時間內(nèi)制造的煙灰狀物質(zhì)的量，“收率”指在煙灰狀物質(zhì)中碳納米角的比例。得到的碳納米角是碳納米角聚集體形式。
從表1可以看出，在實施方案中暫停寬度不小于0.25ms的條件下，發(fā)現(xiàn)將脈沖寬度設(shè)置為不小于0.75秒，可以提高碳納米角聚集體的生產(chǎn)率和收率。還發(fā)現(xiàn)將(脈沖寬度)/(脈沖寬度+暫停寬度)設(shè)置為不小于0.5，可以提高碳納米角聚集體的生產(chǎn)率和收率，并且設(shè)置為不小于0.7時可以進一步提高生產(chǎn)率和收率。
接下來，當(dāng)將暫停寬度設(shè)置為10秒并保持恒定時，通過改變脈沖寬度來研究碳納米角聚集體的產(chǎn)量。固體碳物質(zhì)表面的功率密度設(shè)置為15kW/cm2。其他條件與上述條件類似。圖2表明了這種結(jié)果。在此研究中，由于暫停寬度設(shè)置為10秒，可以確保消除以前脈沖光照射的歷史影響，并且確保充分的時間。因此，可以認為，圖2的結(jié)果表明了適于制造碳納米角聚集體的脈沖寬度。從圖2可以看出，當(dāng)脈沖寬度設(shè)置為1秒時，碳納米角聚集體的產(chǎn)量最大。
此外，脈沖寬度設(shè)置為1秒，暫停寬度設(shè)置為1秒，固體碳物質(zhì)表面的功率密度設(shè)置為22kW/cm2。此時，研究靶的轉(zhuǎn)數(shù)和產(chǎn)量及收率間的關(guān)系。轉(zhuǎn)數(shù)從1rpm變到10rpm，包括兩個端值。其他條件與上述條件相同。表2表明了這種結(jié)果。當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)從2rpm變到6rpm時，包括兩個端值，碳納米角聚集體的收率高達90％，可以證實碳納米角聚集體被選擇性地生成。當(dāng)在上述范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)中比較煙灰狀物質(zhì)產(chǎn)量時，發(fā)現(xiàn)在2rpm時產(chǎn)量最大。
接下來，照射用激光的脈沖寬度設(shè)置為1秒，暫停寬度設(shè)置為0.25秒。此時，進一步研究靶的轉(zhuǎn)數(shù)和產(chǎn)量及收率間的關(guān)系。轉(zhuǎn)數(shù)從1rpm變到6rpm，包括兩個端值。在這種情況下，通過改變激光的功率密度也研究了功率密度對煙灰狀物質(zhì)生產(chǎn)率和碳納米角聚集體收率的影響。其他條件與上述條件相同。
結(jié)果列于表3和表4中。表3表明當(dāng)激光的功率密度設(shè)置為15kW/cm2時的結(jié)果。表4表明當(dāng)激光的功率密度設(shè)置為22kW/cm2時的結(jié)果。在這兩種結(jié)果中，與表2的結(jié)果相同，當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)從2rpm變到6rpm時，包括兩個端值，碳納米角聚集體的收率高達90％，當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)為2rpm時，產(chǎn)量最大。從表3和表4可以看出，當(dāng)激光的功率密度設(shè)置為22kW/cm2時，煙灰狀物質(zhì)的生產(chǎn)率較高。盡管結(jié)果沒有顯示，但是當(dāng)激光的功率密度設(shè)置為超過22kW/cm2時，可以認為煙灰狀物質(zhì)的生產(chǎn)率會下降。
從上述結(jié)果可以得出下面的結(jié)論。即，通過按實施例的條件設(shè)置激光的功率密度可以確保碳納米角聚集體的生產(chǎn)。此時，碳納米角聚集體的生產(chǎn)率和收率主要取決于脈沖寬度。在暫停寬度不小于0.25秒的條件下，通過將脈沖寬度設(shè)置為0.75秒至1秒，包括兩個端值，尤其可以提高生產(chǎn)率。
石墨靶的線速度設(shè)置為10mm/sec至32mm/sec，包括兩個端值，更具體而言，直徑為100mm的石墨桿的轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)置為2rpm至6rpm，包括兩個端值，可以進一步提高碳納米角聚集體的生產(chǎn)率。通過調(diào)整使脈沖寬度和暫停寬度滿足上述式(1)，可以進一步提高碳納米角聚集體的生產(chǎn)率。此外，用脈沖光照射石墨桿，同時旋轉(zhuǎn)并移動，使得脈沖光的照射位置不會在石墨桿表面上重合，這樣可以提高碳納米角聚集體的收率。
此外，當(dāng)直徑為100mm的石墨桿用作石墨靶時，激光的脈沖寬度設(shè)置為1秒，暫停寬度設(shè)置為0.25秒，石墨桿的轉(zhuǎn)數(shù)設(shè)置為2rpm，石墨桿表面的激光的功率密度設(shè)置為22kW/cm2。因此，可以進一步提高碳納米角聚集體的收率和生產(chǎn)率。
表1

表2

能量密度～15kW/cm2、Ar30L/min、760torr表3

能量密度～15kW/cm2、Ar30L/min、760torr表4

能量密度～22kW/cm2、Ar30L/min、760torr
權(quán)利要求
1.一種制造碳納米角聚集體的方法，包括用脈沖光照射石墨靶表面，以從所述石墨靶蒸發(fā)碳蒸汽，并回收所述碳蒸汽以得到碳納米角，其中當(dāng)用所述脈沖光照射所述石墨靶表面時，所述脈沖光的照射位置以基本上恒定的速度移動，所述脈沖光的功率密度設(shè)置為5kW/cm2或更大至25kW/cm2或更小，及所述脈沖光的脈沖寬度設(shè)置為0.5秒或更大至1.25秒或更小。
2.如權(quán)利要求1所述的制造碳納米角聚集體的方法，其中所述脈沖光的暫停寬度設(shè)置為不小于0.25秒。
3.如權(quán)利要求1所述的制造碳納米角聚集體的方法，其中用所述脈沖光照射的條件滿足下式(1)0.5≤(脈沖寬度)/(脈沖寬度+暫停寬度)≤0.8(1)。
4.如權(quán)利要求1～3中任一項所述的制造碳納米角聚集體的方法，其中所述脈沖光的照射位置以0.01mm/sec或更大至55mm/sec或更小的速度移動。
5.如權(quán)利要求1～4中任一項所述的制造碳納米角聚集體的方法，其中用所述脈沖光照射圓柱石墨靶的側(cè)面，同時所述石墨靶繞中心軸旋轉(zhuǎn)。
6.如權(quán)利要求1～5中任一項所述的制造碳納米角聚集體的方法，其中移動所述照射位置，同時所述脈沖光的照射角基本上保持恒定。
7.如權(quán)利要求1～6中任一項所述的制造碳納米角聚集體的方法，其中移動所述照射位置使得所述脈沖光的照射位置不會在所述石墨靶表面上重合。
全文摘要
在制造室(107)中，圓柱石墨桿(101)固定到旋轉(zhuǎn)機構(gòu)(115)上，石墨桿(101)可以繞長度方向旋轉(zhuǎn)，石墨桿(101)可以在長度方向水平移動。用從激光源(111)來的激光(103)照射石墨桿(101)的側(cè)面，納米碳回收室(119)朝著產(chǎn)生煙羽(109)的方向設(shè)置。激光(103)的脈沖寬度設(shè)置為0.5秒或更大至1.25秒或更小。
文檔編號C01B31/02GK1791552SQ20048001380
公開日2006年6月21日 申請日期2004年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月20日
發(fā)明者莇丈史, 糟屋大介, 吉武務(wù), 久保佳實, 飯島澄男, 湯田坂雅子 申請人:日本電氣株式會社