專利名稱：碳簇合成裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制備富勒烯的裝置，尤其是涉及一種采用電弧法制備C60、C70、C84以及通過向裝置中引入氯、溴等元素的方法來穩(wěn)定富勒烯形成過程中的富勒烯中間體，形成相對比較穩(wěn)定的中間體氯化、溴化產(chǎn)物，起到捕捉富勒烯中間體的作用。
背景技術(shù)：
自1985年富勒烯發(fā)現(xiàn)以來，對其合成方法的探索從來沒有間斷過。作為經(jīng)典的合成方法，Krtschmer(W.Krtschmer，L D.Lamb，K.Fostiropoulos，D.R.Huffman，Nature 1990，347354)發(fā)明的電弧法，一直是富勒烯合成的主要方法。
盡管到目前為止，富勒烯的合成方法已經(jīng)有多種不同的選擇，有的方法已經(jīng)商品化。但是，富勒烯的研究者們一直在試圖對其形成機理進行探索，探索不同條件下電弧法生產(chǎn)富勒烯的產(chǎn)率。試圖了解富勒烯的生成條件對諸如緩沖氣體的種類與分壓、電源種類、電流和電壓的大小、正負電極的直徑和外形、反應(yīng)腔體容積的大小等多個參數(shù)的依賴性，從而根據(jù)這些參數(shù)對富勒烯種類及各種富勒烯的產(chǎn)率大小的影響程度，對其形成機理進行合理的推測和判斷，從物理學(xué)和化學(xué)的角度去探索富勒烯的形成機理。
現(xiàn)有的關(guān)于富勒烯的形成機理有五元環(huán)道路、富勒烯道路、大環(huán)道路及融合與異構(gòu)化道路等。這幾種形成機理有一個共同之處就是都要求富勒烯的前驅(qū)體在形成之后要有一個退火階段，而且退火階段也應(yīng)該是分步進行的。正是有了這個過程，研究者們想到了在富勒烯的合成體系中引入不同于碳元素的比較活潑的元素，如氯元素。這些元素在富勒烯形成的退火階段不同程度地參與反應(yīng)，與富勒烯的前驅(qū)體結(jié)合而部分終止了富勒烯的繼續(xù)生成，從而捕捉到富勒烯中間體。以此作為進一步推測富勒烯形成機理的依據(jù)。
于是，一種能方便地改變以上提到的各個參數(shù)并能引入不同元素的富勒烯電弧合成裝置就顯得十分必要。
最早的能產(chǎn)生富勒烯的裝置應(yīng)該是1985年Kroto等人(H.W.Kroto，J.R.Heath，S.C.O’Brien，R.F.Curl，R.E.Smalley，Nature 1985，318162.)為了探索宇宙空間中長鏈含碳分子的形成過程時所用的脈沖激光束蒸發(fā)儀，它導(dǎo)致了C60的首次發(fā)現(xiàn)，也使這個應(yīng)用石墨激光汽化法的裝置成為早的C60的制取設(shè)備。由于當時產(chǎn)生C60的量太少，無法作進一步的研究。他們又不斷改進實驗方法，發(fā)現(xiàn)在爐中預(yù)加熱石墨靶到1200℃，可大大提高C60的產(chǎn)率，但還是收集不到常量的樣品。D.V.Afanas’ev等(D.V.Afanas’ev，G.A.Baranov，A.A.Belyaev，G.A.Dyuzhev，A.K.Zinchenko，Tech.Phys.Lett.，2001，27408-410.)用高能持續(xù)CO2激光透過KCl視窗輻射氦氣氛中的石墨圓柱體，得到了常量的富勒烯。但是，與石墨電弧法相比，富勒烯的產(chǎn)率仍然不高。
隨著對富勒烯形成機理的認識的不斷加深，利用石墨放電以外的方法合成富勒烯引起了人們的興趣，分別發(fā)展了利用太陽能加熱石墨法、高頻電爐加熱蒸發(fā)石墨法、火焰燃燒法和萘熱裂解法等方法。這些方法為富勒烯的合成提供了諸多選擇，也為我們研究富勒烯的形成開辟了道路。
但是以上的這些方法也有它們各自的缺點，一是這些方法的產(chǎn)率都不高，如果要用這些方法進行大量生產(chǎn)還有很長的路要走。二是設(shè)備趨于復(fù)雜，不管是在實驗室制備還是工業(yè)生產(chǎn)都不適合。所以廉價地合成富勒烯仍然是富勒烯作為新型碳材料及其它用途的主要工作。
除了以上介紹的電弧放電等離子體合成方法以外，還有一些使用其它低溫等離子體合成富勒烯的方法。這些低溫等離子體技術(shù)用于富勒烯的合成可以為富勒烯的形成機理的探索提供不同來源的實驗素材。其中，以氯仿為原料，利用微波等離子體可以得到約2.5％的富勒烯(C60)及其它多種氯化的富勒烯碎片。輝光等離子體合成法同樣以氯仿為起始物，得到約0.5％的富勒烯(C60)及豐富的全氯代芳香烴。液相電弧法同樣也可以用于生成富勒烯。另外，脈沖激光濺射置于四氯化碳蒸汽的石墨可以得到富勒烯，以全氯代苊烯為反應(yīng)物進行脈沖激光濺射也可以合成出富勒烯，這種方法還可以說明，富勒烯的形成并非從小的碳簇(如C1，C2)開始，而可能是直接從全氯代苊烯開始。Wang等人(C.Wang，A.Inazaki，T.Shirai，Y.Tanaka，T.Sakuta，H.Takikawa，H.Matsuo，Thin Solid Films 2003，42541-48.)將無線電波與熱等離子體技術(shù)結(jié)合起來，直接蒸發(fā)C-Si混合粉，得到了C60、C70及其它富勒烯。
這些利用等離子體合成富勒烯的方法，豐富了人們以富勒烯形成機理的認識，作為方法的創(chuàng)新對富勒烯形成機理的研究有著很重要的作用，但是存在著不少缺陷，主要是產(chǎn)率不高、裝置構(gòu)成過于復(fù)雜、對腐蝕性反應(yīng)源的引入有很大的限制。
還有一種富勒烯制備裝置是電弧放電裝置，該裝置由不銹鋼材料制成，其中放電反應(yīng)腔是帶有水冷夾套的不銹鋼圓柱型筒，其直徑約為30cm，高約為50cm，在放電腔體中安裝有兩個石墨電極，陽極為石墨棒，由與反應(yīng)腔成45°角的帶水冷的銅管夾住，并且可以螺旋伸縮；陰極為石墨圓盤，盤的直徑為15cm，厚度為1.5cm，固定在帶有水冷系統(tǒng)的圓形銅盤上。在不銹鋼鋼體的側(cè)面設(shè)有兩個觀察窗，用以觀察反應(yīng)進行時的情況，該裝置有3個進氣口，可以分別與氦氣瓶、CCl4及水銀測壓計相連，有一個與真空泵相連的抽氣口，并配備一個真空壓力表。反應(yīng)腔的上部配有一個水冷卻接收盤，用來收集產(chǎn)物。真空系統(tǒng)主要由旋片式機械真空泵、真空測量儀和真空表組成。冷卻系統(tǒng)由4部分組成，以分別實現(xiàn)對放電反應(yīng)器、產(chǎn)物接收盤、陽極和陰極的冷卻，這4個部分的冷卻部件均采用夾套式水冷裝置。為了防止電極和放電發(fā)生器過分發(fā)熱，以上各部分的冷卻系統(tǒng)相對獨立，使整個系統(tǒng)得以比較充分的冷卻，以保證設(shè)備的安全運行，防止過早老化。電極電源利用直流電弧焊機，將交流電轉(zhuǎn)換為低壓大電流直流電。采用恒流工作方式，電壓和電流可在一定范圍內(nèi)調(diào)控。
上述裝置的缺點是作為反應(yīng)腔體的金屬很容易受到被引入的氯所產(chǎn)生的酸性物質(zhì)的腐蝕，時常使反應(yīng)過程中斷，需進行必要的修理。
基于以上裝置的缺點，已經(jīng)有人對金屬容器進行了改進，轉(zhuǎn)而使用玻璃材質(zhì)的器皿作為放電的反應(yīng)腔體。使用的裝置由一個兩端開口的玻璃容器作為反應(yīng)腔體，兩個電極由玻璃容器的兩個開口插入，并用橡皮套筒進行密封，玻璃的反應(yīng)容器和電極均采用外冷式水冷降溫，反應(yīng)腔體內(nèi)的氣流和氣壓控制采用動態(tài)的方法。
但是，這套裝置存在氣密性不好、需要在反應(yīng)過程一直抽真空等缺點，這樣一是使得價格昂貴的高純氦消耗量非常大；二是因為反應(yīng)過程中的排氣量很大，不能對體系進行加氯、氟等有毒的反應(yīng)物；三是合成的物質(zhì)隨抽空的氣流流走，不便收集。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了能有效地克服以上所述的現(xiàn)有富勒烯制備裝置存在的諸多缺點，提供一種碳簇合成裝置。本發(fā)明的技術(shù)方案是采用玻璃體系以克服腐蝕性的問題；采用靜態(tài)真空以便于引入氯、氟等各種元素并使反應(yīng)產(chǎn)物很方便收集，同時還能大大節(jié)約作為反應(yīng)輔氣的高純氦；采用內(nèi)冷式水冷電極使得高達3000℃以上的等離子體火焰既能安全持續(xù)地放電反應(yīng)，又能形成富勒烯及其碎片所賴以生成的溫度梯度。
本發(fā)明設(shè)有進氣通道，用于向裝置引入電弧放電所需的氣體，進氣通道設(shè)3個并聯(lián)的真空兩通活塞和將3個并聯(lián)的真空兩通活塞相連接的管路，其中3個真空兩通活塞分別用于向裝置內(nèi)引入反應(yīng)氣體、緩沖氣體和其它氣體；排氣通道，用于反應(yīng)完成后排出殘余氣體和對裝置抽真空，排氣通道設(shè)1個三通活塞和連接管路；
氣壓測試與顯示裝置，用于測試反應(yīng)體系內(nèi)的氣體壓力并顯示其氣壓值，氣壓測試與顯示裝置為兩端開口的U形管，在U形管中裝有汞柱，汞柱的高度＞760mm，也可以很方便地加裝電子真空測試系統(tǒng)；2個液封器，用于除去電弧放電反應(yīng)過程中可能產(chǎn)生的固體煙灰和固體顆粒物，以及對反應(yīng)本系中氣體流向的觀察，2個液封器分別串聯(lián)在進氣通道和排氣通道中；反應(yīng)腔體，反應(yīng)腔體用于電弧放電的場所和產(chǎn)物的容器，設(shè)于2個液封器中間；真空泵，真空泵通過接口與排氣通道連接；水冷系統(tǒng)，用于對電極和反應(yīng)腔體(電弧放電的容器)進行冷卻，水冷系統(tǒng)包括電極水冷系統(tǒng)和反應(yīng)腔體水冷系統(tǒng)；電路部分，電路部分設(shè)有電極、電弧焊機和電源，電極包括紫銅電極、石墨電極(石墨頭套)和石墨棒，2個電極由電纜與電弧焊機的輸出端連接。
液封器設(shè)有底座、外管、內(nèi)管和厚壁真空橡膠管，外管設(shè)于底座上部，內(nèi)管設(shè)于外管內(nèi)腔，內(nèi)管的下端設(shè)開口，在內(nèi)管的下部設(shè)氣泡逸出孔，外管開口和內(nèi)管開口接厚壁真空橡膠管。
反應(yīng)腔體采用帶有兩個磨口的玻璃燒瓶，反應(yīng)腔體是電弧放電的場所，例如采用4000mL容積的玻璃燒瓶，以便為電弧產(chǎn)生的等離子體火焰提供半徑為10cm的退火空間，反應(yīng)腔體也是產(chǎn)物的容器；電極水冷系統(tǒng)設(shè)1根一端封口的中空紫銅管和1根兩端開口的不銹鋼管，不銹鋼管插入紫銅管的開口端，設(shè)于不銹鋼管上的封水螺母與紫銅管螺紋連接。反應(yīng)腔體水冷系統(tǒng)為反應(yīng)冷卻水桶，反應(yīng)腔體設(shè)于反應(yīng)冷卻水桶中，電極水冷系統(tǒng)與反應(yīng)腔體水冷系統(tǒng)由橡膠管道串聯(lián)。
與現(xiàn)有的富勒烯制備裝置相比，本發(fā)明的突出優(yōu)點在于1)制造價格十分低廉；2)反應(yīng)腔體由玻璃材質(zhì)構(gòu)成，對于觀察反應(yīng)進行的情況十分方便；3)由于裝置的真空度的保持能力很好，因此本發(fā)明可以在靜態(tài)真空或接近真空的條件下工作；4)與諸多的電弧法富勒烯制備裝置相比，本發(fā)明體積小、質(zhì)量輕，操作十分方便；5)本裝置主要為玻璃材質(zhì)，解決了以前各種富勒烯制備裝置普遍存在的腐蝕性問題，在本發(fā)明中可以添加氯、溴等可能產(chǎn)生腐蝕性物質(zhì)的各種元素，可以用于捕捉富勒烯形成過程中的活性中間體。


圖1為本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明實施例的液封器的結(jié)構(gòu)組成及其工作狀態(tài)示意圖。
圖3為本發(fā)明實施例的內(nèi)冷式水冷電極及冷卻水流向圖。
圖4為本發(fā)明實施例的電極組合裝置和電極在其中運動時的密封剖面圖。
具體實施例方式
以下實施例將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
參見圖1，本發(fā)明由進氣通道、排氣通道、氣壓測試和顯示裝置、液封器、反應(yīng)腔體、真空泵、水冷系統(tǒng)和電路部分等組成。
(一)進氣通道和排氣通道進氣通道是為引入各種緩沖氣體和不同的氣體分壓而提供的通道，通過進氣通道可以引入電弧放電所需要的某種氣體，并可以引入不同分壓的這種氣體。排氣通道是反應(yīng)完成之后殘氣排出的通道和對系統(tǒng)抽真空時的通道。
氦氣、氬氣、氮氣等緩沖氣體由進氣通道引入。而排氣通道用于排出殘余氣體和抽真空，整個反應(yīng)體系通過排氣通道與真空系統(tǒng)相聯(lián)，可以將系統(tǒng)抽到必要的真空。排氣通道與真空系統(tǒng)之間由玻璃三通相連或阻斷。進入反應(yīng)狀態(tài)之后，玻璃三通就將排氣通道與真空系統(tǒng)阻斷。
進氣通道設(shè)有3個并接的真空兩通活塞1以及將3個并接的真空兩通活塞1相連接的管路。3個真空兩通活塞1的作用是其中兩個分別用于向系統(tǒng)內(nèi)引入反應(yīng)氣體和緩沖氣體，另一個用于引入其它氣體。排氣通道設(shè)有一個真空三通活塞20和相應(yīng)的管路，真空三通活塞20的作用一是在對反應(yīng)腔體(參見圖1中的玻璃燒瓶16)進行抽真空時讓系統(tǒng)只與外接的真空泵(在圖1中未畫出)相通；二是真空泵停止工作之后對真空泵進行放空(防止真空泵停止工作后旋片所在腔體存在負壓而造成單向閥處于承受壓力狀態(tài))。
(二)氣壓測試和顯示裝置在向反應(yīng)體系中引入反應(yīng)氣體和緩沖氣體時，在研究不同分壓的反應(yīng)氣體對反應(yīng)產(chǎn)物的影響時，都需要對反應(yīng)體系內(nèi)的氣體壓力進行測試并顯示。在反應(yīng)過程中也要對玻璃燒瓶內(nèi)的總壓力進行觀察和控制，這需要顯示反應(yīng)體系中的氣壓值。氣壓測試和顯示裝置就是要起到一個引入氣體時進行氣壓測試，在反應(yīng)過程中實時監(jiān)控的作用。
氣壓測試和顯示裝置設(shè)有一個高度為1米的兩端開口的U型管2，在U型管2中裝有金屬汞。高度為1米的汞柱遠遠高出測量一個大氣壓的需要，這是因為在對反應(yīng)體系抽真空時，或者在向反應(yīng)體系引入氣體時，以及在反應(yīng)進行的過程中，反應(yīng)體系中的氣壓都會發(fā)生變化，有時這種變化很劇烈，這樣，氣壓測試和顯示裝置中的汞柱就會激劇地上升或者下降，激劇上升或者下降的汞柱很容易沖出管外或者串入反應(yīng)腔內(nèi)，為了避免這種情況發(fā)生，因此本發(fā)明采用的1米汞柱其高度比760mm要高出許多，在氣壓測試過程中，急劇上升或下落的汞就不會串入玻璃燒瓶或溢出U型管2之外。
(三)液封器2個液封器4分別串聯(lián)在進氣通道和排氣通道中，用于除去在放電反應(yīng)過程中可能產(chǎn)生的固體顆粒物，而氣體可以由正反兩個方向通過液封器。
液封器4的作用是(1)防止反應(yīng)過程中生成的固體煙灰和固體顆粒物串入真空兩通活塞1、U型管2和真空泵等部位。(2)便于觀察反應(yīng)體系中的氣體流向。在對體系進行抽真空時，可以從反應(yīng)腔體中被抽出的氣體氣泡的產(chǎn)生速度來判斷真空泵的工作狀態(tài)，因為當真空泵工作狀態(tài)良好時，總是有氣泡不斷冒出。在反應(yīng)過程中，由于反應(yīng)腔體內(nèi)溫度升高，腔體內(nèi)的氣體體積膨脹，這時可看到液封器中液面會升降或者有氣泡冒出，籍此可以大致判斷反應(yīng)溫度的高低。(3)當發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)漏氣時，能有效地將系統(tǒng)分成幾大部分，然后再逐一排除。因為氣體總是從漏氣的部位流向其它部位，通過氣體流向和流速可以判斷漏氣的部位和漏氣的速度。
液封器的構(gòu)造和工作原理參見圖2，液封器設(shè)有底座23、外管26、內(nèi)管25和厚壁真空橡膠管3，外管26設(shè)于底座23上部，內(nèi)管25設(shè)于外管26內(nèi)腔，內(nèi)管25的下端設(shè)開口22，在內(nèi)管25的下部設(shè)氣泡逸出孔24，外管開口27和內(nèi)管開口28接厚壁真空橡膠管3。在圖2中，標出了平衡時液面29、氣體流向箭頭30、有氣體通過時的下液面31、氣泡32和有氣體通過時的上液面33。當氣體通過液封器時，都以氣泡的形式通過其中的液體，液封器中的液體對通過它的氣體進行洗滌，用以除去放電反應(yīng)過程中產(chǎn)生的固體顆粒物。
液封器由玻璃制成。
(四)真空泵真空泵通過真空泵接口21與真空三通活塞20相連接。實際上真空泵與進氣通道和排氣通道中的4個真空活塞(3個真空兩通活塞和1個真空三通活塞)以及液封器組成本發(fā)明的真空系統(tǒng)。與進氣端液封器相連是4個并聯(lián)的氣體通道，其中3個氣體通道分別與3個真空兩通活塞相連，由這3個真空兩通活塞控制氣體流入以及氣體的流量。3個活塞分別用于向反應(yīng)腔體中引入不同的氣體。另外1個氣體通道用于與氣壓測試和顯示裝置相通，氣壓測試和顯示裝置通過液封器始終與進行反應(yīng)的內(nèi)腔相通，中間沒有開關(guān)或者活塞。在對系統(tǒng)進行抽空時可以從此裝置上看到真空的情況，當向系統(tǒng)中引入反應(yīng)氣體和輔助氣體時，從氣壓測試和顯示裝置上可以讀出引入氣體的分壓。當拆卸反應(yīng)裝置進行產(chǎn)物收集，需要對反應(yīng)腔體放入空氣、氮氣、氬氣或氦氣等氣體對產(chǎn)物進行保護時，均可由氣壓測試和顯示裝置上看到反應(yīng)腔體內(nèi)的氣壓值。排氣口直接與排氣端液封器相連，排氣端液封器再與真空三通活塞20相連，真空三通活塞20再由橡膠管與機械真空泵相連。進氣端液封器和排氣端液封器的構(gòu)造完全一樣。
(五)水冷系統(tǒng)參見圖1和圖3，水冷系統(tǒng)分為兩部分。一部分是對電極進行冷卻，另一部分是對反應(yīng)腔體(電弧放電的容器)進行冷卻。這兩個部分呈串聯(lián)的關(guān)系，冷卻水首先通過電極，對電極進行冷卻，然后通過冷卻水導(dǎo)出管8注入到盛水的反應(yīng)冷卻水桶9內(nèi)，對放置在反應(yīng)冷卻水桶9內(nèi)的反應(yīng)腔體(玻璃燒瓶16)進行冷卻，在反應(yīng)冷卻水桶9的上部設(shè)于冷卻水溢出口19。
自來水經(jīng)過T型金屬三通管分支以后分別進入兩個電極對電極進行冷卻，冷卻水首先由φ5mm×1mm×430mm的不銹鋼管流入φ10mm×1.5mm×400mm紫銅電極的封口端，再從不銹鋼管和紫銅電極之間的通道流過，這個過程就是對電極的冷卻過程。從電極流出的冷卻水再由橡膠管導(dǎo)出，聚集到反應(yīng)冷卻水桶內(nèi)，對安裝在反應(yīng)冷卻水桶內(nèi)的反應(yīng)腔體進行冷卻。
紫銅電極11由1根一端封口的中空紫銅管組成，規(guī)格為φ10mm×1.5mm，長度為400mm。
電極冷卻水入口端設(shè)一根兩端開口的不銹鋼管5，規(guī)格為φ5mm×1mm，長度為430mm。不銹鋼管5由紫銅電極11的開口端插入，二者同軸。二者結(jié)合部在紫銅電極11的開口端，由封水螺母35將二者固定，冷卻水由不銹鋼管5內(nèi)流入，通過不銹鋼管5外壁和紫銅電極11內(nèi)壁之間的通道，再由固定在封水螺母35外端的出水側(cè)管7流出，由橡膠管接至反應(yīng)冷卻水桶9(參見圖1)內(nèi)對電弧放電單元進行冷卻。
(六)電路部分電路部分包括電源、電纜、電極電源接頭和電極組成，電極又由紫銅電極11、石墨電極(石墨頭套)17、石墨棒18等組成(見圖1、圖3)。電弧放電的電源由市售的直流或交流電弧焊機提供。利用電弧焊機的電流可調(diào)部分進行放電電流大小的調(diào)控。通常的市售電弧焊機有兩種調(diào)控模式一是對電流強度的大小進行調(diào)控，二是對輸出電壓進行調(diào)節(jié)。這兩種調(diào)控模式都可對電弧放電進行有效的調(diào)控，在紫銅電極11的兩端設(shè)于電極電源接頭6。
參見圖3，冷卻水流的方向34由不銹鋼管一直通到紫銅電極11的封口端，再從紫銅電極11與不銹鋼管之間的通道流出，由于水流單向器36的作用，水流方向是單向進行的，通過紫銅管的熱交換作用將反應(yīng)熱帶走，水的流量最大可達3L/min，經(jīng)過計算，可以對功率5000W的反應(yīng)進行有效的冷卻而水溫不會超過40℃。
石墨套頭17既有良好的導(dǎo)電性能，又能有效防止反應(yīng)過程中添加的氯溴等元素所產(chǎn)生的腐蝕性物質(zhì)的腐蝕。石墨固有的潤滑性能可使消耗性石墨棒的更換十分簡單順利。不銹鋼管的作用是讓冷卻水在能通過其內(nèi)部和它與紫銅管之間通過，加上水流單向器36的作用來實現(xiàn)對系統(tǒng)的冷卻。水流單向器36是由一段帶有出水側(cè)管7的紫銅管材料和固定在封水螺母中的O型圈組成。封水螺母35的作用一是對不銹鋼管和紫銅管進行物理固定以便使二者同軸，二是固定封水的O型圈。
電弧焊機的輸出端用25mm2的電纜分別連接到紫銅電極和石墨電極，能有效地降低路耗，使電流的能量集中在電弧部分，增加了反應(yīng)的效率。
(七)反應(yīng)腔體反應(yīng)腔體設(shè)計為一個4000mL的玻璃燒瓶16，其容積大小可在1000～4000mL之間選擇，此部分承載著石墨電弧等離子體所產(chǎn)生的高溫和整個系統(tǒng)實現(xiàn)真空時所帶來的負壓。電弧放電形成的等離子體的熱量釋放產(chǎn)生的最高溫度可以達到3000℃以上，這些熱量通過熱輻射和熱傳導(dǎo)的形式向四周擴散，最終以冷卻水作為介質(zhì)與環(huán)境進行交換，使反應(yīng)體系中的各個部件不至于因為高溫或劇烈的熱膨脹而損壞。玻璃燒瓶16的外部由玻璃材質(zhì)的球面燒瓶與冷卻水相接觸，玻璃燒瓶16的兩端通過玻璃磨口(塞)14分別與電極玻璃外套10連接，在玻璃磨口14一側(cè)還設(shè)有封水橡膠塞12和聚四氟乙烯卡套13，反應(yīng)中心部位所產(chǎn)生的高溫到玻璃球面的距離為10cm，反應(yīng)所產(chǎn)生的高溫在這個距離內(nèi)由3000℃以上降至水溫(40℃左右)，形成了反應(yīng)過程中所必要的溫度梯度，在其高溫區(qū)域，等離子體得以發(fā)生。由于密集的能量釋放引起各種粒子之間進行強烈的碰撞和能量交換，從而引發(fā)粒子間的激發(fā)、電離、復(fù)合和輻射等物理化學(xué)過程。粒子之間的長程庫侖相互作用以及等離子體的運動與磁場和運動的緊密耦合使各種粒子之間存在極其豐富的集體效應(yīng)和集體運動模式。而溫度梯度的存在又為在核心溫度區(qū)形成的粒子有可能通過向低溫區(qū)擴散的退火過程中的不同溫度下的不同反應(yīng)以及各種生成物的再次組合與異構(gòu)化提供條件。退火過程的重要性還體現(xiàn)在不斷變化的溫度為產(chǎn)物的多樣性提供了可能，從而對形成具備完美對稱結(jié)構(gòu)的富勒烯提供了條件。
在本發(fā)明中，玻璃燒瓶中的放電過程產(chǎn)生的固體顆粒物通常會隨著管路擴散到由管路相接連的各個單元，可能串入到真空系統(tǒng)的各個部位，可能淤積進氣通道和排氣通道的管路，可能堵塞進氣通道和排氣通道的各個活塞，可能進一步串入真空泵，還可能聚集在真空計的汞柱的上表面，使真空系統(tǒng)的通氣性能惡化，也使得真空計讀數(shù)的準確性下降。所以加入液封器可以明顯改善反應(yīng)過程中的真空測試系統(tǒng)的性能，對真空泵進行必要的保護。
進氣通道和排氣通道與外部環(huán)境相通，進氣通道由3個真空活塞和相應(yīng)的管線組成，進氣通道位于整個裝置的上游，而排氣通道位于整個裝置的下游。兩個液封器中的一個串聯(lián)在進氣通道中，另一個串聯(lián)在排氣通道中，置反應(yīng)體系于兩個液封器中間，反應(yīng)過程中可能產(chǎn)生的固體顆粒物可以有效地被兩個液封器除去，液封器中的油可以很方便地進行更換，可以采用蒸汽壓比較低的硅油或泵油。
液封器連接在作為反應(yīng)腔體的玻璃燒瓶兩端。這樣，放電時所產(chǎn)生的煙灰既不會串入真空活塞，也不會串入真空泵前的真空兩通活塞和真空泵。液封器的存在不僅起到除去反應(yīng)中所產(chǎn)生固體顆粒物的作用，還對可能發(fā)生的漏氣部位的檢測有很好的排查作用。
兩個液封器把整個體系分成了三大部分。通過觀察液封器中內(nèi)外液面的高低就很明顯地知道被三大部分中的哪一部分漏氣，液面低的就有一邊是漏氣的。整個體系中容易漏氣的主要是(1)進氣通道中的真空活塞與管路(采用厚壁真空橡膠管或聚胺輸氣管)的接口；(2)盛金屬汞的U型管與管路(采用厚壁真空橡膠管或聚胺輸氣管)的接口；(3)液封器與管路(采用厚壁真空橡膠管或聚胺輸氣管)的接口；(4)玻璃燒瓶與管路(采用厚壁真空橡膠管或聚胺輸氣管)的接口，(5)排氣系統(tǒng)與管路(采用厚壁真空橡膠管或聚胺輸氣管)的接口等。
在液封器中，氣體的流向是可以雙向進行的，這是氣路暢通的基礎(chǔ)。在檢測真空度的好壞時，液封器中氣體的流向是單向的，因為泵油的密度大約是金屬泵的5％，所以液封器中內(nèi)外兩個液面之差對被液封器分割的幾個部分中氣壓的變化十分敏感，所以液封器中液面的上升和下降是兩邊的真空度微小差別的標志，如果真空度相差達到了使氣體流動的程度，那么液面的上升下降或者氣泡逸出也是氣體流動的標志。當有氣體流動時，通過氣泡產(chǎn)生的快慢速度很容易判斷漏氣的程度。
真空系統(tǒng)擔(dān)負著將玻璃燒瓶和用管線將各個部分連接在一起的多個空腔部分中的空氣除去的任務(wù)。在進行真空操作時，進氣通道和排氣通道合并入真空系統(tǒng)并為其服務(wù)。對真空系統(tǒng)的要求是(1)真空活塞足夠好，能支持靜態(tài)真空至少數(shù)小時，才能在反應(yīng)腔體中進行所設(shè)計的反應(yīng)。(2)玻璃燒瓶、管路和多個真空活塞之間的連接必須足夠緊密。(3)真空泵提供真空的驅(qū)動力，必須要有足夠的功率才能對整個反應(yīng)體系進行抽空。
氣壓測試和顯示裝置獨立地與體系相連，它在液封器的前端。在對反應(yīng)腔體進行抽空、引入反應(yīng)氣體和輔助氣體、放電進行電弧反應(yīng)和排除反應(yīng)后的氣體等幾個過程中，氣壓測試和顯示裝置始終處于開放狀態(tài)。(1)在對反應(yīng)腔體進行抽空的過程中，通過氣壓計顯示的示數(shù)讀出氣壓數(shù)值，這時，殘留在反應(yīng)腔體中空氣量的多少直接關(guān)系到真空的好壞，進而影響到電弧放電反應(yīng)的質(zhì)量。通過觀測氣壓檢測系統(tǒng)中的示數(shù)再輔以液封中兩個液面的升降可以方便地判斷真空的好壞。(2)在引入反應(yīng)氣體和輔助氣體過程中，直接從氣壓計示數(shù)讀出反應(yīng)氣體和輔助氣體的壓力指數(shù)。(3)在電弧放電反應(yīng)過程中，氣壓會隨著反應(yīng)的進行而波動，動態(tài)監(jiān)測玻璃燒瓶中壓力的變化便于對反應(yīng)進行必要的控制，建立表觀壓力與反應(yīng)產(chǎn)物之間的關(guān)系。(4)排除反應(yīng)后的氣體過程是用真空泵再次抽空反應(yīng)體系的過程，氣體排除的程度關(guān)系下次反應(yīng)的品質(zhì)。
水冷系統(tǒng)通過冷卻水串行在兩個承擔(dān)高熱的電極中，然后在反應(yīng)冷卻水桶中會聚，對電極的冷卻使得電極在3000℃以上的高溫下也不會過熱，100A左右的電流流經(jīng)電極時所產(chǎn)生的熱也被水冷系統(tǒng)帶走。對玻璃燒瓶的冷卻獲得了3000℃到室溫之間大跨度的溫度梯度，為各種可能的籠狀富勒烯碳簇和氯化碳簇的產(chǎn)生提供了可能，這個被稱之為退火過程的擴散產(chǎn)生了奇異的變化，是各種新奇碳簇生成的場所。
相對簡單的電路起到向反應(yīng)體系傳遞能量的作用，包括電弧焊機、大截面電纜和電極。反應(yīng)在進行時的電流強度在100A左右，電路中因銜接而產(chǎn)生的任何一個小的電阻都可能會產(chǎn)生相對比較大的熱量，所以電路中每個銜接處的電阻值應(yīng)該盡量小。電極截面積的計算和設(shè)計應(yīng)保證在100A左右的電流強度下不會產(chǎn)生太多的熱，電極的放熱被水冷系統(tǒng)帶走。
反應(yīng)腔體和部分伸入反應(yīng)腔體的電極是整個體系的核心部分，在反應(yīng)過程中，從3000℃到室溫大跨度的溫度梯度，反應(yīng)氣體，反應(yīng)輔助氣體的離子態(tài)相互作用，石墨的高溫原子化以及原子化之后的電離、復(fù)合、輻射等物理化學(xué)過程，粒子之間庫侖相互作用以及等離子體中豐富的集體效應(yīng)和運動模式都是在這個場所進行的。反應(yīng)后產(chǎn)生的熱量由水冷系統(tǒng)帶走，反應(yīng)所產(chǎn)生的紫外輻射通過玻璃的強吸收和水的強吸收后得以降到完全無害的程度，操作者可以通過窗口觀察反應(yīng)進行的情況。
電極在整個裝置中起著至關(guān)重要的作用。電極本身是一個組合裝置(見圖3)，它由石墨部分和金屬部分組成。石墨部分(石墨頭套)外尺寸φ16×70mm，一端打φ10×30mm的孔，用于插入直徑為φ10的金屬部分。另一端打有φ6×20mm的孔，用于插入反應(yīng)過程中將消耗掉的、可以更換的、直徑為φ10×200的石墨棒。金屬部分一端封口另一端開口的紫銅管、不銹鋼管、封水螺母、水流單向器。
紫銅管既是大電流直流電的導(dǎo)體，也是反應(yīng)熱的導(dǎo)體，同時也是熱交換的場所之一。反應(yīng)熱通過輻射和石墨的傳導(dǎo)到達紫銅管，由紫銅管再傳導(dǎo)給管內(nèi)的冷卻水。
紫銅管的熱膨脹系數(shù)比石墨大，因而在反應(yīng)過程中適當?shù)臏囟壬仙龝棺香~管存在小線度膨脹，于是石墨套頭與紫銅管之間能銜合更緊，有利于減小紫銅管與石墨套頭之間的接觸電阻，從而降低因二者之間電阻的發(fā)熱量，使電路部分的路耗更小，反應(yīng)過程中的供能更為集中。
以下給出本發(fā)明的使用方法。
1)檢查液封器中液位的高低和反應(yīng)冷卻水桶中的水位；2)關(guān)閉所有真空兩通活塞；3)打開與真空泵相連的真空三通活塞；4)打開真空泵開始對體系進行抽空直至所需要的真空度；5)關(guān)閉真空三通活塞；6)向反應(yīng)腔體中放入反應(yīng)氣體至所要求的分壓；7)向反應(yīng)腔體中引入輔助氣體至所要求的總壓；8)打開冷卻水；9)打開電弧焊機，并調(diào)節(jié)電極，使石墨棒(圖1中的標記18)與石墨電極(圖1中的標記17)接觸，此時即可形成電弧，再適當調(diào)節(jié)電極間距，使電弧達到白熾狀態(tài)；10)根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)冷卻水的流速；11)反應(yīng)完成之后放干反應(yīng)冷卻水桶(圖1中的標記9)中的水；12)向玻璃燒瓶(圖1中的標記16)中引入輔助氣體至常壓；13)取出(或者溶出)反應(yīng)產(chǎn)物。
圖4中所示的電極組合裝置在本發(fā)明中起著比較關(guān)鍵的作用。隨著反應(yīng)的不斷進行，石墨棒18就會不斷被消耗而生成反應(yīng)產(chǎn)物，這樣，石墨棒18與石墨電極17之間的間隙就會不斷增大。間隙的增大會改變電弧的狀態(tài)，就是說使維持電弧所需的電壓值和電流值發(fā)生改變，電弧中心區(qū)的溫度也會發(fā)生變化，這樣就可能使反應(yīng)產(chǎn)物的物種和各個物種的相對含量發(fā)生變化；而且當間隙增大到一定程度時，電弧就會熄滅，導(dǎo)致反應(yīng)停止。
電極組合裝置的作用是使整個裝置在保持真空的條件下，電極可以方便地進行軸向運動，這樣，在反應(yīng)過程中，就可以根據(jù)電路中的電壓和電流數(shù)值，不斷對石墨棒18與石墨電極17之間的間隙進行調(diào)整，使間隙保持所希望的數(shù)值。
圖4中所示的電極玻璃外套10是與玻璃燒瓶16相配套的具有磨口塞的部件，在反應(yīng)中起著密封的作用。
圖4中所示的硅橡膠環(huán)41共有6道，把5段真空脂42密封在電極玻璃外套10和紫銅11之間。這樣既使運動的電極得到充分的潤滑，又使整個裝置在電極運動時也能有很好的密封性能，同時也使得紫銅電極11與電極玻璃外套10之間有良好的同軸性，使紫銅電極11不至于在運動過程中發(fā)生方向改變。硅橡膠具有比較好的彈性和耐油脂性，既能起到密封作用又可以讓電極順利通過。真空脂的蒸氣壓為10-4Pa，而本發(fā)明的真空度為10-2Pa，完全可以滿足需要。
不銹鋼彈簧44是對使真空脂42保持一定的壓力，以便在電極的來回運動中真空脂能始終充滿每一個可能產(chǎn)生的縫隙而不至于漏氣。
聚四氟乙烯環(huán)43是為了將不銹鋼彈簧44的壓力傳遞給硅橡膠環(huán)41和真空脂42，避免硅橡膠環(huán)41的機械強度不夠而被不銹鋼彈簧44壓壞。壓簧螺母46是用于壓住彈簧并與電極玻璃外套10結(jié)合。
權(quán)利要求
1.碳簇合成裝置，其特征在于設(shè)有進氣通道，用于向裝置引入電弧放電所需的氣體，進氣通道設(shè)3個并聯(lián)的真空兩通活塞和將3個并聯(lián)的真空兩通活塞相連接的管路，其中3個真空兩通活塞分別用于向裝置內(nèi)引入反應(yīng)氣體、緩沖氣體和其它氣體；排氣通道，用于反應(yīng)完成后排出殘余氣體和對裝置抽真空，排氣通道設(shè)1個三通活塞和連接管路；氣壓測試與顯示裝置，用于測試反應(yīng)體系內(nèi)的氣體壓力并顯示其氣壓值，氣壓測試與顯示裝置為兩端開口的U形管，在U形管中裝有汞柱，汞柱的高度＞760mm；
2個液封器，用于除去電弧放電反應(yīng)過程中可能產(chǎn)生的固體煙灰和固體顆粒物以及對反應(yīng)本系中氣體流向的觀察，2個液封器分別串聯(lián)在進氣通道和排氣通道中；反應(yīng)腔體，反應(yīng)腔體用于電弧放電的場所和產(chǎn)物的容器，反應(yīng)腔體設(shè)于2個液封器中間；真空泵，真空泵通過接口與排氣通道連接；水冷系統(tǒng)，用于對電極和反應(yīng)腔體進行冷卻，水冷系統(tǒng)包括電極水冷系統(tǒng)和反應(yīng)腔體水冷系統(tǒng)；電路部分，電路部分設(shè)有電極、電弧焊機和電源，電極包括紫銅電極、石墨電極和石墨棒，2個電極由電纜與電弧焊機的輸出端連接。
2.如權(quán)利要求1所述的碳簇合成裝置，其特征在于液封器設(shè)有底座、外管、內(nèi)管和厚壁真空橡膠管，外管設(shè)于底座上部，內(nèi)管設(shè)于外管內(nèi)腔，內(nèi)管的下端設(shè)開口，在內(nèi)管的下部設(shè)氣泡逸出孔，外管開口和內(nèi)管開口接厚壁真空橡膠管。
3.如權(quán)利要求1所述的碳簇合成裝置，其特征在于反應(yīng)腔體為帶有兩個磨口的玻璃燒瓶；
4.如權(quán)利要求1所述的碳簇合成裝置，其特征在于電極水冷系統(tǒng)設(shè)1根一端封口的中空紫銅管和1根兩端開口的不銹鋼管，不銹鋼管插入紫銅管的開口端，設(shè)于不銹鋼管上的封水螺母與紫銅管螺紋連接。
5.如權(quán)利要求1所述的碳簇合成裝置，其特征在于反應(yīng)腔體水冷系統(tǒng)為反應(yīng)冷卻水桶，反應(yīng)腔體設(shè)于反應(yīng)冷卻水桶中，電極水冷系統(tǒng)與反應(yīng)腔體水冷系統(tǒng)由橡膠管道串聯(lián)。
全文摘要
碳簇合成裝置，涉及一種制備富勒烯的裝置，尤其是涉及一種用電弧法制備C
文檔編號C01B31/00GK1810633SQ20061000817
公開日2006年8月2日 申請日期2006年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月24日
發(fā)明者廖照江, 錢卓真, 謝素原, 黃榮彬, 鄭蘭蓀 申請人:廈門大學(xué)