碳納米結(jié)構(gòu)體、以及用于制造碳納米結(jié)構(gòu)體的方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及碳納米結(jié)構(gòu)體、用于制造碳納米結(jié)構(gòu)體的方法及裝置，更具體地，本發(fā)明涉及在一個(gè)方向上延伸的碳納米結(jié)構(gòu)體、以及制造碳納米結(jié)構(gòu)體的方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]通常，已知存在以碳納米管、石墨烯等為代表的、包括線形結(jié)構(gòu)(其中碳原子以納米級(jí)直徑排列)和片狀結(jié)構(gòu)(其由碳原子構(gòu)成并具有納米級(jí)厚度)的碳納米結(jié)構(gòu)體。對(duì)于這種碳納米結(jié)構(gòu)體的制造方法，已經(jīng)提出了這樣一種方法:在該方法中，向加熱的微細(xì)催化劑供給含碳的原料氣體，由此從所述催化劑生長(zhǎng)出碳納米結(jié)構(gòu)體(例如參見(jiàn)日本專(zhuān)利待審公開(kāi) N0.2005-330175)。
[0003]文獻(xiàn)列表
[0004]專(zhuān)利文獻(xiàn)
[0005]專(zhuān)利文獻(xiàn)1:日本專(zhuān)利待審公開(kāi)N0.2005-330175

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]技術(shù)問(wèn)題
[0007]但是，在常規(guī)的方法中，在有些情況中，從催化劑生長(zhǎng)出碳納米結(jié)構(gòu)體時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲。對(duì)于碳納米管，例如，在發(fā)生彎曲的部分中會(huì)存在五元環(huán)或七元環(huán)，而不是形成碳納米管的六元環(huán)，因此，碳納米管的性能發(fā)生局部改變(例如，電阻變高)。
[0008]為了減少如上所述的在碳納米結(jié)構(gòu)體上發(fā)生彎曲，還考慮了在碳納米結(jié)構(gòu)體的生長(zhǎng)過(guò)程中向碳納米結(jié)構(gòu)體施加張力。但是，這難以撫平從催化劑生長(zhǎng)出的微細(xì)碳納米結(jié)構(gòu)體的尖端并向所述碳納米結(jié)構(gòu)體施加張力，且獲得的碳納米結(jié)構(gòu)體在長(zhǎng)度上受限。
[0009]本發(fā)明旨在解決上述問(wèn)題，并且本發(fā)明的目的在于提供一種彎曲的發(fā)生得以減少的長(zhǎng)的碳納米結(jié)構(gòu)體、制造該碳納米結(jié)構(gòu)體的方法、以及在制造該碳納米結(jié)構(gòu)體的方法中使用的制造裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]
[0011] 根據(jù)本發(fā)明的制造碳納米結(jié)構(gòu)體的方法包括制備基體和使碳納米結(jié)構(gòu)體生長(zhǎng)的步驟。在基體的制備步驟中，制備了由分離部件和包含催化劑的催化劑部件形成的基體，其中所述催化劑部件和所述分離部件彼此接觸或彼此成為一體，所述催化劑部件和所述分離部件的接觸部分或一體化部分中的至少一部分被氧化。在使碳納米結(jié)構(gòu)體生長(zhǎng)的步驟中，通過(guò)向所述基體供給含碳的原料氣體，同時(shí)加熱所述基體并使所述分離部件與所述催化劑部件分離，從而使得碳納米結(jié)構(gòu)體在所述催化劑部件和所述分離部件之間的分離界面區(qū)域中生長(zhǎng)。使碳納米結(jié)構(gòu)體生長(zhǎng)的步驟包括以下步驟中的至少一個(gè)步驟:向催化劑部件中面向分離界面區(qū)域的部分局部地供給原料氣體的步驟，其中所述碳納米結(jié)構(gòu)體在該分離界面區(qū)域處生長(zhǎng)，以及局部地加熱分離界面區(qū)域的步驟。
[0012]這樣，在催化劑部件的上述分離界面區(qū)域內(nèi)，將局部地進(jìn)行還原過(guò)程、滲碳作用和碳納米結(jié)構(gòu)體的生長(zhǎng)過(guò)程。此外，由于碳納米結(jié)構(gòu)體的末端(與催化劑部件側(cè)的端部相反的一端)與分離部件連接，可以通過(guò)將分離部件與催化劑部件分開(kāi)，從而向碳納米結(jié)構(gòu)體施加恒定的張力。因此，在催化劑部件的上述分離界面區(qū)域內(nèi)，隨著碳納米結(jié)構(gòu)體的生長(zhǎng)，碳化的催化劑部件的一部分被分離并以細(xì)顆粒的形式被拉入碳納米結(jié)構(gòu)中。隨著催化劑部件的一部分的分離，催化劑部件新形成的表面暴露在分離界面區(qū)域中，并在新形成的表面進(jìn)行還原過(guò)程、滲碳作用和碳納米結(jié)構(gòu)體的生長(zhǎng)過(guò)程。特別地，通過(guò)局部加熱催化劑部件的上述分離界面區(qū)域，或向分離界面區(qū)域局部地供應(yīng)原料氣體來(lái)促進(jìn)這樣的過(guò)程。結(jié)果，能夠獲得彎曲等情況的發(fā)生得以減少的長(zhǎng)的碳納米結(jié)構(gòu)體。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的制造碳納米結(jié)構(gòu)體的方法包括制備基體和使碳納米結(jié)構(gòu)體生長(zhǎng)的步驟。在基體的制備步驟中，制備由分離部件和包含催化劑的催化劑部件形成的基體，其中催化劑的催化劑部件和分離部件彼此接觸或彼此成為一體，催化劑部件和分離部件的接觸部分或一體化部分中的至少一部分被氧化。在使碳納米結(jié)構(gòu)體生長(zhǎng)的步驟中，通過(guò)向所述基體供給含碳的原料氣體，同時(shí)加熱所述基體并使所述分離部件與所述催化劑部件分離，從而使得碳納米結(jié)構(gòu)體在所述催化劑部件和所述分離部件之間的分離界面區(qū)域中生長(zhǎng)。在使碳納米結(jié)構(gòu)體生長(zhǎng)的步驟中，從所述碳納米結(jié)構(gòu)體生長(zhǎng)的所述催化劑部件的表面部分將所述催化劑部件部分地分離并拉入所述碳納米結(jié)構(gòu)體的內(nèi)部，在所述表面部分處出現(xiàn)新形成的表面的同時(shí)使所述碳納米結(jié)構(gòu)體持續(xù)地生長(zhǎng)。
[0014]這樣，在連續(xù)地暴露于分離界面區(qū)域內(nèi)的催化劑部件的新形成的表面中，將進(jìn)行還原過(guò)程、滲碳作用和碳納米結(jié)構(gòu)體的生長(zhǎng)過(guò)程。結(jié)果，連續(xù)保持了碳納米結(jié)構(gòu)體的生長(zhǎng)，其中分離部件沿著遠(yuǎn)離催化劑部件的方向延伸。因此，能夠獲得彎曲等情況的發(fā)生得以減少的長(zhǎng)的碳納米結(jié)構(gòu)體。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的碳納米結(jié)構(gòu)體包括線性結(jié)構(gòu)部分，其由長(zhǎng)度大于或等于Imm的碳制成，該線性結(jié)構(gòu)部分內(nèi)的金屬納米顆粒以分散形式布置。這樣，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)剡x擇金屬納米顆粒的類(lèi)型來(lái)調(diào)整碳納米結(jié)構(gòu)體的特性(例如，碳納米結(jié)構(gòu)體的磁性可以通過(guò)設(shè)置磁性金屬作為構(gòu)成金屬納米顆粒的金屬來(lái)調(diào)節(jié))。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的用于制造碳納米結(jié)構(gòu)體的裝置包括:保持部分、驅(qū)動(dòng)部件、氣體供給部分、以及加熱部件。保持部分能夠在催化劑部件側(cè)和分離部件側(cè)保持由所述分離部件和包含催化劑的催化劑部件形成的基體，其中催化劑部件和分離部件彼此接觸或彼此成為一體，催化劑部件和分離部件的接觸部分或一體化部分中的至少一部分被氧化。驅(qū)動(dòng)部件移動(dòng)保持部分以將分離部件與催化劑部件分離。氣體供給部分向基體供給原料氣體。加熱部件能夠局部加熱基體的部分。
[0017]通過(guò)使用這樣的裝置，能夠使彎曲得以減少的長(zhǎng)的碳納米結(jié)構(gòu)體30在催化劑部件和分離部件之間的分離界面區(qū)域內(nèi)或在基體部分25和26之間的斷裂界面內(nèi)(其中基體20如圖4所示已斷裂)生長(zhǎng)。
[0018]本發(fā)明的有益效果
[0019]根據(jù)本發(fā)明，能夠獲得彎曲等情況得以減少的長(zhǎng)的碳納米結(jié)構(gòu)體。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是描述根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的制造碳納米結(jié)構(gòu)體的方法的流程圖。
[0021]圖2是描述根據(jù)本發(fā)明的用于制造碳納米結(jié)構(gòu)體的裝置(其用于圖1所示的用于制造碳納米結(jié)構(gòu)體的方法中)的截面示意圖。
[0022]圖3是圖2所示的用于制造碳納米結(jié)構(gòu)體的裝置的局部示意圖。
[0023]圖4是示出所形成的碳納米結(jié)構(gòu)體的示意圖。
[0024]圖5是描述了圖2所示的用于制造碳納米結(jié)構(gòu)體的裝置的變形的局部示意圖。
[0025]圖6是示出由圖5所示的用于制造碳納米結(jié)構(gòu)體的裝置形成的碳納米結(jié)構(gòu)體的示意圖。
[0026]圖7是描述形成的碳納米結(jié)構(gòu)體的示意圖。
[0027]圖8是描述根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方案的用于制造碳納米結(jié)構(gòu)體的方法的流程圖。
[0028]圖9是示出形成的碳納米結(jié)構(gòu)體的實(shí)例的照相放大圖。
[0029]圖10是示出形成的碳納米結(jié)構(gòu)體的實(shí)例的照相放大圖。
[0030]圖11是示出圖10中的區(qū)域XI的照相放大圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下文將結(jié)合附圖來(lái)描述本發(fā)明的實(shí)施方案，其中相同的標(biāo)號(hào)表不相同或相應(yīng)的部分并且不再對(duì)其重復(fù)說(shuō)明。
[0032](第一實(shí)施方案)
[0033]將結(jié)合圖1至4對(duì)根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方案的用于制造碳納米結(jié)構(gòu)體的方法進(jìn)行描述。
[0034]參見(jiàn)圖1，在本發(fā)明的用于制造碳納米結(jié)構(gòu)體的方法中，首先進(jìn)行制備步驟(SlO)。在該步驟(SlO)中，制備由分離部件和包含催化劑的催化劑部件形成的基體，催化劑部件和分離部件彼此接觸或者成為一體。
[0035]如圖2和3所示，可以使用起到催化劑作用的金屬片(金屬箔)作為基體20。例如，可以使用純的鐵、鎳、鈷等作為金屬。優(yōu)選在基體20中形成切口 21，該切口 21是用于限定下文描述的CNT生長(zhǎng)步驟(S30)(參見(jiàn)圖1)中斷裂位置的凹入部分。當(dāng)使用圖2和3中所示的金屬箔作為基體20時(shí)，所述金屬箔形成上述的彼此成為一體的催化劑部件和分離部件。
[0036]現(xiàn)在將參見(jiàn)圖2和3來(lái)描述用于進(jìn)行碳納米結(jié)構(gòu)體制造方法的用于制造碳納米結(jié)構(gòu)體的裝置。如圖2所示，用于制造碳納米結(jié)構(gòu)體的裝置包括:反應(yīng)室I ;設(shè)置于反應(yīng)室I內(nèi)部的加熱部件4 ;設(shè)置成面向加熱部件4的固定塊9至12，其用于保持基體20 ;用于支撐固定塊9至12的基底平臺(tái)8 ;驅(qū)動(dòng)部件2，其通過(guò)聯(lián)接桿13與固定塊11聯(lián)接；氣體供給部分3，其用于向反應(yīng)室I供給原料氣體等；栗7和排放部分6，它們用于將氣體從反應(yīng)室I中排放出來(lái)；激光束振蕩部分16，用于局部地加熱基體20 ;冷卻部件18和19，用于局部冷卻基體20 ;以及控制器14，其用于控制加熱部件4、氣體供給部分3、驅(qū)動(dòng)部件2、栗7、排放部分6、激光束振蕩部分16和冷卻部件18和19。
[0037]固定塊9至12設(shè)置在位于反應(yīng)室I中的基底平臺(tái)8上?；w20的一端被固定塊9和10夾持?；w20的另一端被固定塊11和12夾持。基體20的一端和另一端可以分別被冷卻部件18和19通過(guò)固定塊9和11局部冷卻。固定塊11 (和冷卻部件19)可在基底平臺(tái)8上移動(dòng)。另一方面，固定塊9、10和冷卻部件18固定于基底平臺(tái)8。如圖2和3所示，將在上述步驟(SlO)中制備的基體20設(shè)置在制造裝置的反應(yīng)室I內(nèi)。
[0038]作為冷卻部件18和19的結(jié)構(gòu)，可以采用任何常規(guī)已知的結(jié)構(gòu)。例如，可使用諸如珀耳帖(Peltier)設(shè)備的溫度元件，或者可以使水或其他冷卻介質(zhì)在冷卻部件18和19內(nèi)循環(huán)。冷卻介質(zhì)可由冷卻部件18和19的內(nèi)部輸送至反應(yīng)室I的外部，并被外部的熱交換器等冷卻，然后再次流回到冷卻部件18和19的內(nèi)部。