專利名稱：納米碳制造裝置和納米碳制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及納米碳制造裝置和納米碳制造方法。
背景技術：
近來，對納米碳的工業(yè)應用研究頗為盛行。納米碳是指具有納米尺度微細結構的碳物質(zhì)，由碳納米管和碳納米突等為代表。這當中，碳納米突(carbon nanohorn)具有管形結構，其中由軋制為圓筒形的石墨片制成的碳納米管的一端具有圓錐形狀。由其特異性質(zhì)可預期其對各技術領域的應用。通常，通過在各個圓錐形部分之間起作用的范德華力，碳納米突集合成以管為中心的圓錐形部分從表面上突出成角(horn)的形式。
已有報道由激光蒸發(fā)方法制造碳納米突集合體，在該方法中，以激光束在惰性氣氛中對原料的碳物質(zhì)(下文中某些情況下稱為石墨靶)進行照射(專利文獻1)。
專利文獻1日本專利公開第2001-64004號公報。
發(fā)明公開本發(fā)明人對通過激光蒸發(fā)方法穩(wěn)定大量生產(chǎn)納米碳的技術作了大量研究。研究的結果，得到了如下一些認識。
采用激光蒸發(fā)方法，照射一次激光束的石墨靶的表面變得粗糙。對此可通過以激光束照射圓筒形石墨靶的側面的情況為例加以說明。圖3是采用圓筒形石墨靶的情況下，例示照射方式的圖。圖3(c)是首先以激光束103照射石墨棒101時，與其長度方向垂直的橫截面視圖，圖3(a)是激光束103照射部分的放大視圖。
如圖3(a)和圖3(c)中所示，由于首次被激光束103照射的側面是平面，因而在特定方向產(chǎn)生煙羽(plume)109。另一方面，圖3(d)是表示以圖3(c)中的激光束103照射一次或多次之后，再次以激光束103照射的方式的視圖。圖3(b)是激光束103照射部分的放大視圖。如圖3(b)和3(d)所示，用激光束103照射一次時，石墨棒101的側面變得粗糙。當以激光束103再次照射面粗糙化位置時，照射位置處產(chǎn)生功率密度的波動，同時在煙羽109的方向上也產(chǎn)生擾動。
還發(fā)現(xiàn)，被激光束103照射一次的表面變得粗糙，從而當以激光束103再次照射面時，激光束的照射角度會產(chǎn)生變化，石墨棒101側面上被激光照射的面積會產(chǎn)生變化，并且石墨棒101側面上激光束103的功率密度會產(chǎn)生變化。因此，難以穩(wěn)定大量制造碳納米突集合體。
如上所述，以往尚未發(fā)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定制造碳納米突集合體的方法，因而開發(fā)大量制造技術是將碳納米突集合體投入實際應用的關鍵問題。
本發(fā)明是鑒于上述情況而進行的，本發(fā)明的目的是提供用于穩(wěn)定大量制造碳納米突集合體的制造方法和制造裝置。本發(fā)明的另一目的是提供用于穩(wěn)定大量制造納米碳的制造方法和制造裝置。
根據(jù)本發(fā)明，提供納米碳制造方法，其包含光照射石墨靶的表面，收集從石墨靶蒸發(fā)的碳蒸氣作為納米碳，并將被光照射的石墨靶表面平滑化；再次光照射被平滑化的石墨靶表面，并收集從石墨靶蒸發(fā)的碳蒸氣作為納米碳。
另外，根據(jù)本發(fā)明，提供納米碳制造裝置，其包含用于光照射石墨靶表面的光源；用于將被光照射的石墨靶表面平滑化的表面處理單元；以及收集由光照射從石墨靶蒸發(fā)的碳蒸氣作為納米碳的收集單元。
在本發(fā)明中，“平滑化”是指與處理前相比相對減少石墨靶表面的凹凸程度的處理。根據(jù)本發(fā)明的納米碳制造方法，盡管石墨靶表面被光照射而變粗糙，但是將其平滑化并再次光照射平滑化后的位置。因而，被光照射的石墨靶表面總能保持在平滑狀態(tài)。因而，石墨靶表面照射部位的功率密度保持恒定，從而可以穩(wěn)定地大量合成納米碳。此處，在本說明書中，“功率密度”是指實際照射石墨靶表面的光的功率密度，即，石墨靶表面光照射部位的功率密度。
根據(jù)本發(fā)明，提供納米碳制造方法，其包含使石墨靶繞中心軸旋轉的同時光照射圓筒形石墨靶的表面，收集從石墨靶蒸發(fā)的碳蒸氣作為納米碳，并將光照射的石墨靶表面平滑化；使石墨靶繞中心軸旋轉的同時再次光照射被平滑化的表面，并收集從石墨靶蒸發(fā)的碳蒸氣作為納米碳。
另外，根據(jù)本發(fā)明，提供納米碳制造裝置，其包含保持圓筒形石墨靶并使之繞中心軸旋轉的靶保持單元；用于光照射石墨靶表面的光源；用于平滑化被光照射的石墨靶表面的表面處理單元；以及收集由光照射從石墨靶蒸發(fā)的碳蒸氣作為納米碳的收集單元。
根據(jù)本發(fā)明，圓筒形石墨靶繞中心軸旋轉，從而使例如被光照射變粗糙的側面得以平滑化。然后再次光照射被平滑化的側面。由此，通過使圓筒形石墨靶旋轉的同時進行光照射和平滑化，可連續(xù)并有效地大量制造納米碳。
此處，在本發(fā)明中，“中心軸”是指穿過與圓筒形石墨靶的長度方向垂直的橫截面中心、并與長度方向水平的軸。另外，例如可采用石墨棒作為圓筒形的石墨靶。此處，“石墨棒”是指形成棒狀的石墨靶。只要其具有棒狀，至于是空心還是實心則無關緊要。另外，如上所述，被光照射的圓筒形石墨靶表面優(yōu)選為圓筒形石墨靶的側面。此處，“圓筒形石墨靶的側面”是指與圓筒的長度方向平行的曲面(圓筒面)。
根據(jù)本發(fā)明，提供納米碳制造裝置，其包含保持平板形石墨靶并使該石墨靶在表面的法線方向上旋轉180°的靶保持單元；用于光照射石墨靶表面的光源；用于平滑化被光照射的所述石墨靶表面的表面處理單元；以及收集由光照射從石墨靶蒸發(fā)的碳蒸氣作為納米碳的收集單元。
另外，根據(jù)本發(fā)明，提供納米碳的制造方法，其包含光照射平板形石墨靶的表面，并收集從石墨靶蒸發(fā)的碳蒸氣作為納米碳；使被光照射的石墨靶在表面的法線方向上旋轉180°之后，平滑化被光照射的石墨靶表面；再次光照射平滑化后的表面，并收集從石墨靶蒸發(fā)的碳蒸氣作為納米碳。
在本發(fā)明中，在平板形石墨靶的一個面被光照射之后，將該面反轉并光照射另一面。然后在光照射另一面的同時可將一個面進行平滑化。將石墨靶再次反轉之后，將平滑化后的一個面進行第二次光照射。在第二次光照射過程中，對另一面進行平滑化。由此，本發(fā)明的構成方式為在反轉平板形石墨靶的光照射面的同時進行光照射，當光照射一個面時，可對另一面進行平滑化。因此，通過使用平板形的石墨靶，可有效并穩(wěn)定地制造出具有期望性質(zhì)的高純度納米碳。
在本發(fā)明的納米碳制造方法中，可在光照射石墨靶表面及再次光照射石墨靶表面的過程中，在移動光照射位置的同時進行光照射。
另外，本發(fā)明的納米碳制造裝置可進一步含有移動石墨靶相對于光源的相對位置的移動單元。作為移動單元，例如在使圓筒形石墨靶繞中心軸旋轉的同時進行光照射的情況下，可以采用移動石墨靶的位置從而在石墨靶的長度方向上移動照射位置的方式。
通過移動照射位置，可更有效并連續(xù)地實施光照射、平滑化和再次光照射的步驟，從而可實現(xiàn)納米碳的有效大量制造。
例如，根據(jù)本發(fā)明，提供納米碳的制造方法，其包含將石墨靶置于腔室中，移動照射位置的同時光照射石墨靶的表面，收集從石墨靶蒸發(fā)的碳蒸氣作為納米碳，并平滑化被光照射的石墨靶表面；在移動照射位置的同時再次光照射平滑化后的石墨靶表面，而不將石墨靶從腔室取出，并收集從石墨靶蒸發(fā)的碳蒸氣作為納米碳。
在本發(fā)明的納米碳制造方法中，平滑化被光照射的表面可包含除去石墨靶表面的一部分。
另外，在本發(fā)明的納米碳制造裝置中，表面處理單元可在與光照射位置不同的位置除去石墨靶表面的一部分。
通過這樣作，由于光照射而變粗糙的石墨靶表面可更有效地被平滑化。對除去石墨靶表面一部分的方法并無特別限制，只要石墨靶表面可以被平滑化即可；然而，可以列舉切削、研磨、拋光等作為例子。
本發(fā)明的納米碳制造裝置可進一步含有碎屑收集單元，用于收集表面處理單元中產(chǎn)生的石墨靶的碎屑。通過這樣，可將切削石墨靶表面產(chǎn)生的切削碎屑與生成的納米碳有效分離并收集。
在本發(fā)明的納米碳制造方法中，光照射可包含以激光束照射。通過這樣，可使光的波長和方向保持恒定，從而可以以好的精度控制光照射石墨靶表面的條件，由此可選擇性地制造所期望的納米碳。
在本發(fā)明的納米碳制造方法中，納米碳的收集可包含收集碳納米突集合體。
另外，在本發(fā)明的納米碳制造裝置中，納米碳可以是碳納米突集合體。
通過這樣作，可以有效進行碳納米突集合體的大量合成。在本發(fā)明中，構成碳納米突集合體的碳納米突可以是單層碳納米突，也可以是多層碳納米突。
另外，可以收集碳納米管作為納米碳。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，通過平滑化被光照射的石墨靶表面，再次光照射平滑化后的石墨靶表面，并收集從石墨靶蒸發(fā)的碳蒸氣作為納米碳，可穩(wěn)定地大量制造納米碳。另外，根據(jù)本發(fā)明，可穩(wěn)定地大量制造碳納米突集合體。
附圖簡述從下文描述的優(yōu)選實施方案及如下與其相關的附圖，可更清楚地了解上述目的和其他目的、特征及優(yōu)點。


圖1是表示本發(fā)明納米碳制造裝置的結構的一例的圖。
圖2是用于說明圖1的納米碳制造裝置的結構的圖。
圖3是用于說明固體碳元素物質(zhì)的激光束照射位置的圖。
圖4是表示激光束照射次數(shù)與碳納米突集合體收率之間的關系的圖。
圖5是表示本發(fā)明納米碳制造裝置的結構的一例的圖。
圖6是表示本發(fā)明納米碳制造裝置的結構的一例的圖。
圖7是說明本發(fā)明納米碳制造方法的一例的圖。
發(fā)明詳述下文將以納米碳為碳納米突集合體的情況為例，說明本發(fā)明的納米碳制造裝置和制造方法的優(yōu)選實施方案。
(第一實施方案)圖1是表示納米碳制造裝置的結構的一例的圖。圖1的制造裝置包含制造腔室107、納米碳收集腔室119和切削石墨收集腔室121這三個腔室，以及通過激光束窗113將激光束103施加到制造腔室107中的激光源111、和使激光束103聚光的透鏡123。
作為充當激光束103照射的靶的固體碳元素物質(zhì)，采用石墨棒101。將石墨棒101固定至旋轉裝置115，并可繞作為軸的中心軸旋轉。另外，石墨棒101還能夠位置移動。以來自激光源111的激光束103照射石墨棒101的側面。在圖1中，以激光束103照射比石墨棒101側面的頂部稍靠下的位置，并在照射面的法線方向上產(chǎn)生煙羽(109)。在圖1裝置中，由于納米碳收集腔室119置于煙羽109產(chǎn)生方向基本正上方的方向上，因此所產(chǎn)生的碳納米突集合體117被收集入納米碳收集腔119。
由于石墨棒101通過旋轉裝置115而旋轉，從而將被激光束103照射的區(qū)域導向切削工具105與石墨棒101接觸的位置，并在該位置處被切削從而使側面平滑化。由切削工具105產(chǎn)生的石墨棒101的切削碎屑被收集入切削石墨收集腔室121，并和產(chǎn)生的碳納米突集合體117分離。
在圖1的裝置中，激光源111和切削工具105的位置是固定的。由于石墨棒101繞其中心軸旋轉，因而被激光束103照射的位置快速移動至與切削工具105接觸的位置，并通過切削工具105而被平滑化。此時，石墨棒101在其縱向上移動，從而改變被激光束103照射的位置。切削工具105的切削位置也根據(jù)照射位置的改變而改變。
該方式如圖2所示。圖2是表示圖1納米碳制造裝置中的激光束103、切削工具105和石墨棒101之間的位置關系的圖。如圖2所示，施加激光束103，使得由水平面與連接照射位置和與石墨棒101長度方向垂直的橫截面中心的線段所形成的角度、即該實施方案中的照射角度保持恒定。通過在保持激光束103的照射角度恒定的同時在長度方向上滑動石墨棒101，可連續(xù)地以恒定功率密度在石墨棒101的長度方向上施加激光束。
此時，照射角度優(yōu)選為30°以上及60°以下。此處，如上所述，在本說明書中，照射角度是指由激光束103與在激光束103的照射位置垂直于石墨靶表面的線所形成的角度。采用圓筒形石墨靶時，照射角度是由在與石墨棒101的長度方向垂直的橫截面中連接照射位置和圓的中心的線段與水平面所形成的角度，如圖2，圖3(c)和圖(3d)所示。
通過使該照射角度為30°以上，可抑制由施加的激光束103的反射所產(chǎn)生的反光。還可防止所產(chǎn)生的煙羽(109)穿過激光束窗113直接擊中透鏡123。因此，這可以有效保護透鏡123并防止碳納米突集合體117附著至激光束窗113上。從而，可使施加于石墨棒101的光的功率密度穩(wěn)定化，并可以高收率穩(wěn)定制造碳納米突集合體117。
另外，通過以60°以下的角度施加激光束103，可抑制無定形碳的產(chǎn)生，并可提高產(chǎn)品中碳納米突集合體117的比率，即可以提高碳納米突集合體117的收率。另外，特別優(yōu)選的是將照射角度設定在45°。通過在45°進行光束照射，可將產(chǎn)品中碳納米突集合體117的比率提高到更高程度。
另外，由于納米碳制造裝置347的結構是石墨棒101的側面被激光束103照射，因而在透鏡123的位置被固定的狀態(tài)下，可通過改變側面的照射角度而容易地進行變化。因此，可以使功率密度是可變的，并且確實可以進行調(diào)節(jié)。例如，在透鏡123的位置固定的情況下，如果照射角度設定為例如30°，則可提高功率密度。另外，通過將照射角度設定為60°，可將功率密度控制為低。
另外，如采用圖3所描述，石墨棒101的側面被激光束103照射一次即變得粗糙。當以激光束103再次照射面變粗糙位置時，照射位置處的功率密度產(chǎn)生波動，煙羽109的產(chǎn)生方向也產(chǎn)生擾動。這樣，當被激光束103照射的表面再次被激光束103照射時，照射位置處的功率密度不能保持恒定，從而導致碳納米突集合體117收率的降低。
因而，在圖1裝置中，切削工具105置于石墨棒101的下部，如圖2中所示。當將切削工具105置于激光束103的照射位置之下時，經(jīng)激光束103照射的石墨棒101的側面被依次旋轉，從而移動至切削工具105的位置處而被切削，使得照射位置可連續(xù)被平滑化。因此，被激光束103照射的表面始終都是平滑表面。因此，即使不將石墨棒101取出制造腔室107以進行平滑化處理，激光束103照射位置處的功率密度仍可保持恒定。因而，在保持石墨棒101置于制造腔室107內(nèi)的同時，可連續(xù)施加激光束103，從而可有效大量制造碳納米突集合體117。
另外，當如圖2所示施加激光束103時，在上方產(chǎn)生煙羽109，從而使碳納米突集合體117向上方生成。因而，將切削工具105置于石墨棒101的下部時，所產(chǎn)生的碳納米突集合體117可與作為切削工具105切削原材料的石墨棒101的切削碎屑有效分離。
此處，如圖2中所示，切削工具105的放置位置優(yōu)選在與縱軸平行的石墨棒101移動方向上等于激光束103照射位置或比其稍偏后的位置。通過這樣，可以確實地防止石墨棒101的側面在被激光束103照射之前被切削的缺陷。
如上所述，在圖1的納米碳制造裝置中，在圓筒形石墨棒101側面上照射的激光束103的位置連續(xù)變化，并且照射位置旋轉從而被切削工具105平滑化，由此可實現(xiàn)碳納米突集合體117的連續(xù)制造。另外，由于可對充當石墨靶的石墨棒101重復進行激光束103照射，因而石墨棒101可被有效使用。
下面將具體說明采用圖1制造裝置制造碳納米突集合體117的方法。
在圖1的制造裝置中，可采用高純石墨，例如圓棒形燒結碳或壓縮成型碳等等作為石墨棒101。
另外，可采用諸如高輸出功率CO2激光束的激光束作為激光束103。此處，可根據(jù)所使用激光束103的類型適當選擇激光束窗113和透鏡123的材料。例如，當采用CO2激光束時，用于激光束窗113和透鏡123的材料可以是ZnSe。
激光束103對石墨棒101的照射可在惰性氣氛中在例如103Pa以上及105Pa以下的氣氛中進行，所述惰性氣氛例如Ar、He等的稀有氣體。另外，優(yōu)選在預先將制造腔室107內(nèi)的氣體預先排放將壓力減至例如10-2Pa以下之后，作成惰性氣體氣氛。
另外，優(yōu)選調(diào)節(jié)激光束103的輸出功率、光點直徑和照射角度，使得石墨棒101的側面上激光束103的功率密度接近恒定。
另外，優(yōu)選調(diào)節(jié)激光束103的輸出功率、光點直徑和照射角度，使得石墨棒101的側面上激光束103的功率密度接近恒定，例如5kW/cm2以上及30kW/cm2以下，例如20±10kW/cm2。
激光束103的輸出功率設定為例如1kW以上及50kW以下。另外，激光束103的脈沖寬度設定為例如0.02sec以上，優(yōu)選為0.5sec以上，更優(yōu)選為0.75sec以上。通過這樣，可充分確保施加于石墨棒101表面上的激光束103的累積能。因此，可有效制造碳納米突集合體117。另外，激光束103的脈沖寬度還可設定為例如1.5sec以下，優(yōu)選為1.25sec以下。通過這樣，可抑制由石墨棒101表面的過熱而引起的表面能量密度變化，可以抑制碳納米突集合體收率的下降。激光束103的脈沖寬度更優(yōu)選設定為0.75sec以上及1sec以下。通過這樣，可同時提高碳納米突集合體117的產(chǎn)生比率和收率。
另外，激光束103照射中的休止寬度可設定為例如0.1sec以上，更優(yōu)選設定為0.25sec以上。通過這樣，可以更確實地抑制石墨棒101表面的過熱。
另外，照射時，石墨棒101側面上激光束103的光點直徑可設定為例如0.5mm以上及5mm以下。另外，優(yōu)選的照射角度使用圖2如上所述。
在激光束103照射時，石墨棒101通過旋轉裝置115以恒定速度在圓周方向旋轉。旋轉數(shù)設定為例如1rpm以上及20rpm以下。
另外，優(yōu)選以例如0.01mm/sec以上及55mm/sec以下的速度(圓周速度)移動激光束103的光點。例如，在將激光束103施加于直徑100mm的石墨靶表面上的情況下，可通過采用旋轉裝置115在圓周方向上以恒定速度旋轉直徑100mm的石墨棒101，并將旋轉數(shù)設定為例如0.01rpm以上及10rpm以下。此處，石墨棒101的旋轉方向并無特別限制；然而優(yōu)選在遠離激光束103的方向上旋轉石墨棒101。通過這樣，可以更確實地收集碳納米突集合體117。
置于石墨棒101下部的切削工具105并無特別限制，只要其具有能夠平滑化石墨棒101側面的結構即可，因而可采用具有各種形狀和性質(zhì)的切削工具。另外，盡管切削工具105是用于圖1的制造裝置中，但可以采用各種切削部件，例如諸如銼刀的研磨部件，或者例如上表面設置有拋光紙(砂紙)的輥。此時，可采用具有如下結構的部件設置有拋光紙的輥的上表面繞垂直于表面的中心軸旋轉，從而平滑化石墨棒101的圓筒形表面?？梢圆捎貌考?。另外，切削石墨收集腔室121的放置位置并無特別限制，只要其為由切削工具105產(chǎn)生的切削碎屑可與碳納米突集合體117分離并被收集的位置即可。
圖1裝置具有的結構是通過激光束103照射所得的煤煙狀物質(zhì)被收集入納米碳收集腔室119；然而，煤煙狀物質(zhì)可通過沉積于合適基底上或者通過采用集塵袋的微粒收集方法而得以收集。另外，可使惰性氣體在反應容器內(nèi)通過，從而煤煙狀物質(zhì)可以通過惰性氣流的使用而被收集。
通過采用圖1裝置而得到的煤煙狀物質(zhì)主要含有碳納米突集合體117，并且作為含有90wt％以上碳納米突集合體的物質(zhì)被收集。
圖5是表示根據(jù)該實施方案的納米碳制造裝置的另一結構的圖。圖5的納米碳制造裝置的基本結構與圖1裝置相同；然而，激光束在石墨棒101側面上的照射位置不同。這使得煙羽109的產(chǎn)生方向不同，從而使輸送管141的延伸方向不同。另外，該納米碳制造裝置333具有惰性氣體供應單元127，流量計129，真空泵143和壓力計145。
當施加激光束103時，在與激光束103照射位置處的石墨棒101的切線垂直的方向上產(chǎn)生煙羽109。在該納米碳制造裝置333中，石墨棒101的側面被激光束103照射，并且照射角度設定為45°。另外，輸送管141設置在與煙羽線成45°角的方向上。因此，該裝置的結構是輸送管141設置在與石墨棒101的切線垂直的方向上。因而，碳蒸氣可有效導向納米碳收集腔室119，從而收集碳納米突集合體117。另外，由于照射角度設定為45°，因而如上所述抑制了反光的產(chǎn)生，從而可穩(wěn)定地大量制造碳納米突集合體117。
(第二實施方案)在第一實施方案中，采用了圓筒形的石墨靶；但也可采用平板形的石墨靶。圖6是表示根據(jù)該實施方案的納米碳制造裝置341的橫截圖。
該納米碳制造裝置341的基本結構與圖1和圖5裝置相同；然而，該裝置的不同之處在于其帶有旋轉裝置337和銑刀339。
旋轉裝置337保持石墨板335。另外，旋轉裝置337包括使石墨板335在表面方向上移動并且使照射面反轉的旋轉機構。
銑刀339在預定位置處繞縱軸旋轉，并切削石墨板335的表面。將銑刀339置于石墨板335下部時，可使所產(chǎn)生的碳納米突集合體117與被銑刀339切掉的切削碎屑有效分離。
此處，銑刀339的設置位置可以設置在石墨板335在表面方向移動的方向上等于激光束103的照射位置或稍靠后的位置處。通過這樣，可在施加激光束103的同時確保石墨板335的背面被平滑化。
石墨板335可以提供兩個表面作為激光束103的照射面就足夠了，并且例如可采用平板形或片形石墨。石墨板335的形狀可以是其表面寬度大于其厚度。通過這樣，其表面可被激光束103有效照射，從而可以有效制造碳納米突集合體117。
另外，石墨板335可具有矩形形狀。通過這樣，可容易進行對石墨板335的移動方向的調(diào)節(jié)。例如，通過在使石墨板335沿與矩形長邊平行的方向上的直線移動的同時施加激光束103，可以有效制造碳納米突集合體117。
圖7(a)至圖7(c)是說明采用納米碳制造裝置341制造碳納米突集合體117的方法的圖。首先，在使石墨板335在與表面水平的方向上移動的同時施加激光束103(圖7(a))。例如，在使石墨板335縱向移動的同時照射第一表面343。此時，由于激光束被施加到了制造腔室107內(nèi)的預定位置，因而可以在通過水平移動石墨板335而使激光束103的照射位置移動的同時在第一表面343上照射激光束103。第一表面343被激光束103照射而變粗糙。
然后，經(jīng)旋轉裝置337使石墨板335旋轉180°(圖7(b))。通過這樣，激光束103的照射面反轉，提供作為激光束103的照射面的平滑的第二表面345。此時，激光束103的照射休止。
然后用激光束103照射第二表面345。同時，銑刀339也被旋轉以將第一表面343平滑化。由于銑刀339在制造腔室107內(nèi)的預定位置處旋轉，因而通過在使石墨板335在第二表面345的面方向上移動的同時照射激光束103，可以在通過銑刀339移動切削位置的同時切削第一表面343。由銑刀339所產(chǎn)生的石墨板335的切削碎屑被收集入切削石墨收集腔室121，并與所產(chǎn)生的收集入納米碳收集腔室119的碳納米突集合體117分離。
在此實施方案中，激光束103的照射條件可與第一實施方案中同樣。另外，對石墨板335表面施加激光束103的同時，石墨板335的直移移動速度可設定為例如0.4mm/min以上及4.8mm/min以下。通過將移動速度設定為4.8mm/min以下，可以確實地在石墨板335的表面照射激光束103。另外，通過將移動速度設定為0.4mm/min以上，可有效制造碳納米突集合體117。
在納米碳制造裝置341中，可將激光束103的照射面反轉，從而石墨板335的兩個表面可交替照射激光束103。另外，激光束103照射之后，通過銑刀339將表面平滑化然后再次進行照射。由此，可使照射面上激光束103的功率密度波動被抑制。從而可以高收率穩(wěn)定制造具有預定性質(zhì)的碳納米突集合體117。
通過采用根據(jù)上述實施方案的納米碳制造裝置，可使被激光束103照射的石墨棒101側面平滑化并再次進行激光束103照射，從而在碳納米管的制造中，可以穩(wěn)定地大量制造碳納米管。
此處，構成碳納米突集合體117的碳納米突的形狀、直徑大小、長度、尖端部形狀、碳分子或碳納米突之間的間隔等等，可通過激光束103的照射條件等以各種方式進行控制。
如上所示，基于實施方案對本發(fā)明作了說明。這些實施方案是示例性的，本領域人員應當理解可對其作各種更改，此類更改也在本發(fā)明范圍之內(nèi)。
例如，上述實施方案中所述的碳納米突制造裝置可帶有控制單元，用于控制激光束103的照射，石墨靶的移動或旋轉，或者切削工具或銑刀的驅動。
另外，以上是以制造碳納米突集合體作為納米碳的情況為例進行說明的；然而，采用根據(jù)上述實施方案的制造裝置制造的納米碳并不限于碳納米突集合體。
例如，采用圖1制造裝置也可制造出碳納米管。在制造碳納米管情況下，優(yōu)選調(diào)節(jié)激光束103的輸出功率，光點直徑和照射角度，使得石墨棒101側面上激光束103的功率密度接近恒定，例如為50±10kW/cm2。
另外，在石墨棒101中添加例如0.0001wt％以上及5％以下的催化劑金屬。例如可以采用諸如Ni或Co的金屬作為金屬催化劑。
(實施例)在本實施例中，采用具有圖1所示結構的納米碳制造裝置制造碳納米突集合體117。
將直徑100mm、長度250mm的燒結圓棒碳用作石墨棒101，并將該棒固定至制造腔室117中的旋轉裝置115。將制造腔室107內(nèi)的空氣排出以使壓力降至10-3Pa以后，導入Ar氣體以達到105Pa的氣壓。隨后，在室溫下使石墨棒101以6rpm的旋轉數(shù)旋轉，在使其以0.3mm/sec水平移動的同時用激光束103對其側面進行照射。
采用高輸出功率CO2激光束作為激光束103，進行輸出功率為3至5kW、波長10.6μm和脈沖寬度5sec的連續(xù)振蕩。另外，將由水平面與連接照射位置和與石墨棒101長度方向垂直的橫截面中圓的中心的線段所形成的角度、即照射角度設定為45°，石墨棒101側面上的功率密度設定為20kW/cm2±10kW/cm2。
將所得煤煙狀物質(zhì)進行TEM觀測。同時通過Raman光譜法，比較1350cm-1和1590cm-1處的強度，計算碳納米突集合體117的收率。
隨后，將由切削工具105平滑化的石墨棒101側面用激光束103進行第二次照射，并通過上述方法法確定碳納米突集合體117的收率。另外，對進行了第二次照射的位置進一步進行第三次照射，同樣地對生成物進行評價。
將所得的煤煙狀物質(zhì)進行透射式電子顯微鏡(TEM)觀測，結果表明第一至第三次照射的任一次中主要生成碳納米突集合體117，其粒子直徑范圍為80nm至120nm。經(jīng)Raman光譜法，還確定了第一至第三次照射之后所得的全部物質(zhì)中碳納米突集合體117的收率，在所有情況下收率均為90％以上，如圖4中所示。
因此，在本實施例中，通過采用切削工具105切削被激光束103照射的石墨棒側面并再次施加激光束103，以高收率獲得了碳納米突集合體117。另外，可以明確的是，本方法是適于碳納米突集合體的大量制造的連續(xù)方法。
(比較例)在圖1裝置中，不采用切削工具105而進行碳納米突集合體117的制造。除不使用切削工具105切削石墨棒101的側面以外，以與實施例相同的方式進行制造。
結果，對于同一石墨棒101上的激光束103的照射次數(shù)增加，碳納米突集合體的收率明顯減少，如圖4中所示。因此，用激光束103第一次照射之后，肉眼觀察側面，發(fā)現(xiàn)在激光束103照射位置處形成了深度約3mm的凹部，并且凹部的側面粗糙程度高于照射前的側面。因此，考慮由于具有凹部的側面被激光束103再次照射，激光束103的入射角度和功率密度發(fā)生了變化，因而導致了碳納米突集合體117收率的降低。
權利要求
1.納米碳制造裝置，其包含光源，用于光照射石墨靶的表面；表面處理單元，用于平滑化被光照射的所述石墨靶表面；和收集單元，用于收集經(jīng)光照射從石墨靶蒸發(fā)的碳蒸氣作為納米碳。
2.納米碳制造裝置，其包含靶保持單元，其保持圓筒形石墨靶并使所述石墨靶繞中心軸旋轉；光源，用于光照射所述石墨靶的表面；表面處理單元，用于平滑化被光照射的所述石墨靶表面；和收集單元，用于收集經(jīng)光照射從所述石墨靶蒸發(fā)的碳蒸氣作為納米碳。
3.納米碳制造裝置，其包含靶保持單元，其保持平板形石墨靶并使所述石墨靶在表面的法線方向上旋轉180°；光源，用于光照射所述石墨靶的表面；表面處理單元，用于平滑化被光照射的所述石墨靶表面；和收集單元，用于收集經(jīng)光照射從所述石墨靶蒸發(fā)的碳蒸氣作為納米碳。
4.根據(jù)權利要求1-3任一項的納米碳制造裝置，進一步含有移動單元，所述移動單元移動所述石墨靶相對于所述光源的相對位置。
5.根據(jù)權利要求1-4任一項的納米碳制造裝置，其中所述表面處理單元在與所述光照射位置不同的位置除去所述石墨靶的表面的一部分。
6.根據(jù)權利要求5的納米碳制造裝置，進一步含有碎屑收集單元，用于收集在所述表面處理單元中產(chǎn)生的所述石墨靶的碎屑。
7.根據(jù)權利要求1-6任一項的納米碳制造裝置，其中所述納米碳是碳納米突集合體。
8.納米碳制造方法，其包含光照射石墨靶的表面，收集從所述石墨靶蒸發(fā)的碳蒸氣作為納米碳，并將被光照射的所述石墨靶表面平滑化的步驟；和再次光照射被平滑化的所述表面，并收集從所述石墨靶蒸發(fā)的碳蒸氣作為納米碳的步驟。
9.納米碳制造方法，其包含在使所述石墨靶繞中心軸旋轉的同時光照射圓筒形石墨靶的表面，收集從所述石墨靶蒸發(fā)的碳蒸氣作為納米碳，并將被光照射的所述石墨靶表面平滑化的步驟；和在使所述石墨靶繞中心軸旋轉的同時再次光照射被平滑化的所述表面，并收集從所述石墨靶蒸發(fā)的碳蒸氣作為納米碳的步驟。
10.納米碳制造方法，其包含光照射平板形石墨靶的表面，并收集從所述石墨靶蒸發(fā)的碳蒸氣作為納米碳的步驟；將光照射的所述石墨靶在所述表面的法線方向上旋轉180°之后，將被光照射的所述石墨靶的所述表面平滑化的步驟；和再次光照射被平滑化的所述表面，并收集從所述石墨靶蒸發(fā)的碳蒸氣作為納米碳的步驟。
11.根據(jù)權利要求8-10任一項的納米碳制造方法，其中在光照射石墨靶表面的所述步驟及再次光照射石墨靶表面的所述步驟中，在移動光照射位置的同時進行光照射。
12.根據(jù)權利要求8-11任一項的納米碳制造方法，其中將被光照射的表面平滑化的所述步驟包括除去所述石墨靶的表面的一部分。
13.根據(jù)權利要求8-12任一項的納米碳制造方法，其中光照射所述石墨靶的表面的所述步驟包括用激光束照射。
14.根據(jù)權利要求8-13任一項的納米碳制造方法，其中收集納米碳的所述步驟包括收集碳納米突集合體的步驟。
全文摘要
本發(fā)明提供用于穩(wěn)定地大量制造納米碳的制造方法和制造裝置。在制造腔室(107)中，將圓筒形石墨棒(101)固定至旋轉裝置(115)上，并使得能夠以石墨棒(101)的長度方向為軸進行旋轉，且還可以在長度方向上左右移動。用來自激光源(111)的激光束(103)照射石墨棒(101)的側面，并在煙羽(109)的產(chǎn)生方向上設置納米碳收集腔室(119)。另一方面，通過旋轉裝置(115)將石墨棒(101)的側面中被激光束(103)照射的側面快速旋轉，并通過切削工具(105)將該側面平滑化。由切削工具(105)產(chǎn)生出的石墨棒(101)的切削碎屑被收集入切削石墨收集腔室(121)，并與所產(chǎn)生的碳納米突集合體(117)分離。
文檔編號B01J19/12GK1747895SQ200480003870
公開日2006年3月15日 申請日期2004年2月10日 優(yōu)先權日2003年2月10日
發(fā)明者莇丈史, 真子隆志, 吉武務, 久保佳實, 飯島澄男, 湯田坂雅子, 糟屋大介 申請人:日本電氣株式會社