專利名稱：碳納米材料自動化合成設備及其控制裝置與控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電弧法合成碳納米材料技術領域，尤其涉及用電弧法合成碳納米材料的一種碳納米材料自動化合成設備及其控制裝置與控制方法。
背景技術：
現(xiàn)有技術中，電弧法合成碳納米材料時，需經(jīng)過加裝碳棒、活化碳棒及放電合成等主要過程，主要的合成裝置是合成爐。合成爐的陽極要不停地消耗碳棒，以產(chǎn)出碳納米材料?，F(xiàn)有技術的合成裝置，在進行碳納米材料合成時，一般是在合成爐內先安裝一根到十幾根數(shù)目不等的碳棒，然后密封合成爐，抽真空后充惰性氣體除去空氣，再對合成爐內的每根碳棒依次進行活化。一根碳棒的活化時間一般為一小時，合成爐內安裝幾根碳棒就需要幾個小時進行活化。碳棒活化目的是除去碳棒空隙中吸附的空氣。在進行完上述的活化過程之后，需再將合成爐抽真空到1 2帕，再充入惰性氣體到常壓，這個過程要進行 2 3次，用時2 3小時，之后再進行電弧放電合成碳納米材料。前述的碳棒活化所用的時間與放電合成所用的時間基本是相等的。安裝的碳棒全部消耗完后，放電合成只能停止，打開合成爐重新安裝碳棒，然后再密封換惰性氣體活，活化碳棒后再抽真空充惰性氣體2 3次，才能再繼續(xù)電弧放電合成碳納米材料。因此，現(xiàn)有技術的碳納米材料合成方法與碳納米材料合成設備存在以下缺陷1、效率低首先碳棒活化與放電合成均在合成爐內進行，因此不能同時進行，碳棒必須先活化后放電，整個合成碳納米材料的生產(chǎn)周期較長；其次在進行放電合成時電弧的溫度有幾千度，要用至少幾個小時等合成爐內完全冷卻到室溫，才能打開合成爐重新安裝碳棒，生產(chǎn)周期進一步延長。2、成本高合成爐抽真空需要消耗電力，反復的對合成爐進行抽真空需要消耗大量的電力。且惰性氣體如氦氣價格非常高，多填充一次就會增加不少的成本；并且，生產(chǎn)周期的延長也增加了人力成本。3、生產(chǎn)規(guī)模小現(xiàn)有技術的合成裝置一般一次合成碳納米材料只有幾百克，其生產(chǎn)規(guī)模只能達到實驗室規(guī)模。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種低成本高效率、能夠達到工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)與能夠實現(xiàn)精確控制的碳納米材料自動化合成設備，以解決現(xiàn)有電弧法合成碳納米材料技術與設備所存在的效率低、成本高及規(guī)模小的技術問題。本發(fā)明的另一目的 在于提供一種用于本發(fā)明碳納米材料自動化合成設備的控制
直O(jiān)本發(fā)明的再一目的在于提供一種用于本發(fā)明碳納米材料自動化合成設備的控制方法。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下一種碳納米材料自動化合成設備，用于電弧法合成碳納米材料，所述碳納米材料自動化合成設備包括分別用于加裝碳棒、活化碳棒及放電合成的加裝器、活化器和合成爐及用于控制所述加裝器、活化器及合成爐的各部件及其工作過程的控制裝置；所述加裝器與所述活化器之間通過設有進料閥的進料通道相連接，所述活化器與所述合成爐之間通過具有出料閥的出料通道相連接；所述加裝器，包括容置空間，以同時容置多根所述碳棒； 一級推進桿，通過所述進料通道向所述活化器逐一輸送所述碳棒；所述活化器，具有活化器抽真空閥；能夠相對靠近的兩電極，所述兩電極通過其相對內側的承載部將所述碳棒承載于兩電極之間進行活化；二級推進桿，通過所述出料通道向所述合成爐逐一輸送活化后的所述碳棒；所述合成爐，設置有合成爐抽真空閥與進氣閥；陰極，能夠沿軸向往復移動； 陽極管道，固定于所述合成爐，與所述進料通道連通，支撐所述碳棒一端以使伸出所述陽極管道的所述碳棒作為陽極與所述陰極接觸進行放電合成；所述控制裝置，在控制所述合成爐完成初始化后，控制所述加裝器、活化器及合成爐不間斷作業(yè)以連續(xù)合成所述碳納米材料。一種本發(fā)明的碳納米材料自動化合成設備的控制裝置，包括控制器及所述控制器連接的以下模塊；合成爐初始化控制模塊，通過控制所述合成爐的抽真空閥與進氣閥的開閉，并檢測所述合成爐內的真空度與壓力，使所述合成爐內達到設定真空度后充入惰性氣體至設定壓力，再抽氣至所述設定真空度后再充入惰性氣體至所述設定壓力，以完成所述合成爐的初始化過程；加裝器控制模塊，用于控制所述加裝器加裝碳棒及控制所述加裝器的一級推進桿向所述活化器的進料過程；活化器控制模塊，通過控制所述進料閥及出料閥的開閉、控制所述活化器抽真空閥的開閉、控制所述電極的移動與旋轉、控制所述活化過程、控制所述二級推進桿的出料過程，以完成對所述碳棒的活化過程及向所述合成爐的進料過程；合成爐控制模塊，通過控制所述合成爐內的真空度及壓力、控制所述陰極的移動以在設定的壓力下進行所述放電合成過程，并在所述陰極移動到設定位置時結束所述陰極與所述陽極的放電合成過程；所述控制器，在所述合成爐初始化模塊傳來所述初始化過程結束的信號后，依次控制所述加裝器控制模塊、活化器控制模塊及合成爐控制模塊，以使所述加裝器、活化器及合成爐不間斷作業(yè)以連續(xù)合成所述碳納米材料。一種本發(fā)明的碳納米材料自動化合成設備的控制方法，包括只初始執(zhí)行一次的合成爐初始化控制步驟Sl和循環(huán)進行的加裝過程控制步驟S2、活化過程控制步驟S3和放電合成過程控制步驟S4 ；執(zhí)行所述步驟Sl的同時、執(zhí)行所述步驟Sl期間或完成所述步驟Sl 后，開始進行所述步驟S2和所述步驟S3 ；完成所述步驟Sl后進行所述步驟S4 ；所述合成爐初始化控制步驟，包括步驟Sll 開啟所述合成爐的抽真空閥，檢測所述合成爐內的真空度，直至判斷得出所述合成爐內的真空度達到設定真空度；步驟S12 開啟所述合成爐的進氣閥，檢測所述合成爐內的壓力，直至判斷得出所述合成爐內的壓力達到設定壓力；步驟 S13 將所述步驟Sll和步驟S12重復一次。本發(fā)明的有益效果在于1、提高了效率首先碳棒活化與碳棒放電可以同時進行，整個合成碳納米材料的生產(chǎn)時間較現(xiàn)有技術減少一倍；加裝合成爐陽極消耗的碳棒時，不用打開合成爐，不用停止放電合成，不用再等待其完成降溫過程，生產(chǎn)周期進一步縮短。
2、降低了成本在合成爐內的真空度及氣體成分達到生產(chǎn)條件后，可以連續(xù)使用， 因而不用對合成爐進行多次的抽真空操作，也不用反復充入惰性氣體，既節(jié)約了電力，也減少了合成爐中惰性氣體的充入次數(shù)，降低了惰性氣體的使用成本；同時，生產(chǎn)周期縮短也減少了人力成本。3、實現(xiàn)了工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)本發(fā)明的裝置只要有連續(xù)的碳棒輸送，合成碳納米材料的過程就可以一直進行下去，直到達到要求的產(chǎn)量為止，幾千克幾千千克都可以一次生產(chǎn)出來。4、達到了工業(yè)化規(guī)模的自動化生產(chǎn)，并對自動化生產(chǎn)過程實現(xiàn)了精確控制。各工序之間銜接緊湊，配合默契，保證了碳材料合成的高效運行，避免出現(xiàn)由于人工配合不利而產(chǎn)生的生產(chǎn)停頓，進一步提高了生產(chǎn)效率，節(jié)省了人力。


圖1為本發(fā)明優(yōu)選實施例的碳納米材料自動化合成設備的示意圖。圖2為本發(fā)明優(yōu)選實施例的碳納米材料自動化合成設備的控制裝置的模塊結構示意圖。附圖標記說明如下1加裝器2 碳棒3 一級推進桿4進料閥5活化器6 陽極7 陰極8 二級推進桿9出料閥10合成爐11陽極管道12 陰極13碳棒存量傳感器14加料蓋15抽真空閥16抽真空閥17進氣閥
具體實施例方式體現(xiàn)本發(fā)明特征與優(yōu)點的典型實施例將在以下的說明中詳細敘述。應理解的是本發(fā)明能夠在不同的實施例上具有各種的變化，其皆不脫離本發(fā)明的范圍，且其中的說明及附圖在本質上是當作說明之用，而非用以限制本發(fā)明。下面具體介紹本發(fā)明優(yōu)選實施例。
先介紹本發(fā)明優(yōu)選實施例的碳納米材料自動化合成設備。如圖1所示，本發(fā)明優(yōu)選實施例的碳納米材料自動化合成設備，是一種用于電弧法合成碳納米材料的碳納米材料自動化合成設備，其包括分別用于加裝碳棒、活化碳棒及放電合成的加裝器1、活化器5、合成爐10，以及控制裝置，用于控制加裝器1、活化器5及合成爐10的各部件及其工作過程。所述控制裝置，在控制合成爐10完成初始化后，控制加裝器1、活化器5及合成爐10不間斷作業(yè)以連續(xù)合成所述碳納米材料。加裝器1與活化器5之間通過進料通道相連接，活化器5與合成爐10之間通過出料通道相連接；進料通道和出料通道的作用是在于輸送碳棒2，因此進料通道與出料通道例如可為金屬管道等，其內徑大于或略大于碳棒2的直徑。由于加裝器1、活化器5與合成爐10所要求的溫度、氣壓、真空度、氣體成分等參數(shù)不盡相同，因此在進料通道和出料通道上分別設置有進料閥4和出料閥9，以減少相互影響，進料閥4和出料閥9優(yōu)選的均為電動插板式高真空閥。以下再分別介紹本發(fā)明優(yōu)選實施例的碳納米材料自動化合成設備的加裝器1、活化器5和合成爐10。首先，如圖1所示，加裝器1外形近似長方體，但不以此為限。加裝器1具有加料蓋14、容置空間、一級推進桿3和碳棒存量傳感器13。容置空間需能夠同時容納多根碳棒2，因此可一次添加多根碳棒2，能夠進行連續(xù)生產(chǎn)，節(jié)省了加裝碳棒2的時間。加裝器1的加料蓋14用于蓋住加裝器1頂部的加裝口， 防止外界環(huán)境對碳棒2的污染。當然，加裝口并不局限于設置于加裝器1的頂部，也可設置于加裝器1的側面等位置。碳棒存量傳感器13用于感測容置空間中的碳棒2存量，用以判斷是否需要添加碳棒2，碳棒存量傳感器13例如可以是一個計數(shù)器，在加裝碳棒時加上與碳棒2數(shù)量相應的數(shù)字，加裝器1底部每出一根碳棒2，就讓計數(shù)器減1，從而實時的反應碳棒2的存量。碳棒存量傳感器13還可以由位置感測器或者是容積感測器等方式實現(xiàn)。本實施例中，一級推進桿3設置于加裝器1的底端，且進料通道位于活化器5的頂端，加裝器1的底部設置有能夠容置一根碳棒2的與碳棒2的長柱狀相適應的輸送槽，輸送槽左邊連接的管路中是一個與碳棒2直徑相同的一級推進桿3。一級推進桿3可以左右移動，一級推進桿3的直徑等于碳棒2的直徑。輸送槽右邊管路即為具有進料閥4的進料通道，輸送槽的軸線與進料通道的軸線在一條水平直線上。加裝碳棒2后，由于重力的作用， 總有一根碳棒2會落在所述輸送槽中，且所述輸送槽只能容置一根碳棒2，所示加裝器1中的碳棒2可以自由逐一落到加裝器1底部的輸送槽中。一級推進桿3可由電機驅動，所述的電機例如為步進電機。在進料閥4打開時，在一級推進桿3的推動下，可通過進料通道向活化器5逐一輸送碳棒2。由于一級推進桿3的直徑與碳棒2的直徑相同，因此，在一級推進桿3推送碳棒2的過程中，其余碳棒2無法下落至輸送槽中，而一級推進桿3再向左移動回到初始位置后，加裝器1中才會有一個碳棒2落在下部的輸送槽中，等待下一次的碳棒2 輸送。如圖1所示，活化器5外形近似圓柱狀，但不以此為限。所述圓柱水平放置，在兩側的兩個底面的圓心，各有一個可通數(shù)百安培直流電的電極，即陽極6、陰極7?；罨?底部也設置有與加裝器1中的輸送槽相同或類似的輸送槽。陽極6、陰極7之間可以相對移動，既可以是兩個均由電機驅動而移動，也可以是其中一個固定于活化器5的內壁，而另一個電極由電機驅動而移動。下面的介紹中，以陰極7移動而陽極6固定為例具體說明。加裝器2所輸送的碳棒2從活化器5的頂部落下，陽極6、陰極7相對內側的端部的承載部可為弧形等形狀，承載部的寬度通常大于碳棒2的直徑。兩所述承載部各承載碳棒2的一端， 以將碳棒2承載于兩極之間進行活化；活化完畢后，陽極6、陰極7翻轉而使活化后的碳棒2 落入到所述輸送槽中，陰極7再遠離陽極6而回到初始位置?；罨?上還設置有抽真空閥15，以使活化器5內達到活化過程所要求的真空度。 活化器5的輸送槽左邊連接的管路中是一個與碳棒2直徑相同的二級推進桿8。 二級推進桿8同桿可以左右移動?；罨?的輸送槽右邊管路即為具有出料閥9的出料通道，活化器5的輸送槽的軸線與出料通道的軸線在一條水平直線上?；罨?中的碳棒2 在活化后會落在所述的輸送槽中。二級推進桿8的直徑、驅動方式等與一級推進桿3相同， 不再贅述。在出料閥9打開時，在二級推進桿8的推動下，可通過出料通道向合成爐10逐一輸送碳棒2。二級推進桿8的前部，可以伸入于合成爐10中，直至把碳棒2推送到陽極管道11中且碳棒2有五分之四已伸出陽極管道11時為止，然后二級推進桿8再向左移動回到初始位置，準備進行下一次輸送，如圖1所示，合成爐10外形為圓柱狀，也是水平放置。圓柱兩側底面圓心的位置裝有可通數(shù)百安培直流電的電極，左側是固定于合成爐內側的陽極管道11，陽極管道11與出料通道相連通。從活化器5輸入碳棒2從陽極管道11伸出作為陽極，右側是陰極12，陰極12可為實心碳棒，其直徑比作為陽極的碳棒2要大，陰極12由電機驅動可以沿軸向左右往復移動。陽極管道11支撐碳棒2—端以使碳棒2與陰極12接觸進行放電合成。陽極管道11的長度可為作為陽極的碳棒2長度的五分之一或者大于五分之一。在陽極管道11的右端部，可以設置用于固定碳棒2的固定夾，以防止作為陽極的碳棒2掉落。陰極12向作為陽極的碳棒2的方向移動，當陰極12接觸到碳棒2時，電流形成回路，陰極12逐漸與作為陽極的碳棒2再拉開距離，在兩極之間就形成放電電弧，放電合成正式開始。作為陽極的碳棒2在放電合成過程中逐步被消耗，為了保持兩極距離一定及放電電弧不斷，陰極隨著碳棒2的縮短逐步向左移動，當放電電弧將要燒到陽極管道11的管口時，放電停止。陰極向右移動回到初始位置，同時活化器5出口出料閥9打開又有一根經(jīng)過活化的碳棒2從陽極管道11中輸送到合成爐10內，放電合成又可以開始了。合成爐10內裝設有電極電壓感測單元與電極位置感測單元，分別用以感測放電合成過程中的所述陽極與陰極12之間的兩極電壓以及陰極12的移動位置。合成爐10上還具有抽真空閥16與進氣閥17，進氣閥17用于充入惰性氣體等。以下介紹本發(fā)明優(yōu)選實施例的碳納米材料合成設備的控制裝置。如圖2所示，本發(fā)明優(yōu)選實施例的碳納米材料合成設備的控制裝置包括控制器以及合成爐初始化控制模塊、加裝器控制模塊、活化器控制模塊和合成爐控制模塊。以下逐一介紹。合成爐初始化控制模塊，在密封合成爐10后，通過控制合成爐10的抽真空閥16 與進氣閥17的開閉，并檢測合成爐10內的真空度與壓力，使合成爐10內達到設定真空度 (例如合成爐內壓力達到IPa時)后充入氦氣至設定壓力700托，再抽氣至IPa后再充入氦氣至700托，以完成合成爐10的初始化過程。如圖2所示，加裝器控制模塊包括一級推進桿控制單元、加料蓋控制單元及碳棒存量傳感器13。
碳棒存量傳感器13，實時感測加裝器1中的碳棒2的存量，以確定加裝碳棒2的時機，需要加裝碳棒2時，向操作者發(fā)出提示或者自動完成加裝過程。加料蓋控制單元，連接于碳棒存量傳感器13，在碳棒存量傳感器13發(fā)來需要加裝碳棒的信號時，控制加料蓋14的開閉，協(xié)助操作者完成碳棒加裝或者協(xié)助自動設備(如機械手)完成加裝過程，加裝完成后，控制加料蓋14關閉，并向一級推進桿控制單元發(fā)送加裝完成信號。一級推進桿控制單元，連接于加料蓋控制單元，接收到加料蓋控制單元傳來的加裝完成信號時，向活化器控制模塊發(fā)出進料信號，在收到進料閥開啟信號后控制一級推進桿3將加裝器1底部的輸送槽中的碳棒2推送至活化器5，推送到位后控制一級推進桿3返回至初始位置，并反饋信號至進料閥控制單元以關閉進料閥4?；罨骺刂颇K包括進料閥控制單元、電極移動控制單元、抽真空閥控制單元、活化過程控制單元、電極旋轉控制單元、進料閥控制單元和二級推進桿控制單元。進料閥控制單元，控制所述進料閥4的開閉，在接收到加裝器控制模塊傳來的進料信號和出料閥9傳來的出料閥9關閉可進料信號后，開啟進料閥4并將進料閥開啟信號傳送于一級推進桿控制單元，以使一級推進桿控制單元完成進料過程；進料過程結束后，關閉進料閥4。電極移動控制單元，連接于進料閥控制單元，在進料閥4打開之前，需控制陰極7 向靠近陽極6的方向移動到位，以準備承載落下的碳棒2 ；在活化過程結束之后，控制活化器5的陰極7向遠離陽極的6的方向移動，在碳棒2已被承載于陰極7與陽極6之間時，向抽真空閥控制單元發(fā)送信號以使抽真空閥控制單元開始工作。抽真空閥控制單元，連接于電極移動控制單元，在陰極7移動到位且碳棒2已被承載于陰極7與陽極6之間時，控制活化器5的抽真空閥15開啟，以使活化器5內達到設定的壓力或真空度，例如10帕；在活化過程結束，碳棒2落入輸送槽之后，開啟出料閥9之前， 關閉抽真空閥15。活化過程控制單元，連接于抽真空閥控制單元，控制碳棒2的活化過程，例如在壓力達到10帕時陰極7與陽極6通直流電開始活化過程，在真空度或者活化時間達到預定值時，例如1小時后，結束所述活化過程；向電極旋轉控制單元發(fā)送結束信號。電極旋轉控制單元，連接于活化過程控制單元，在所述活化過程控制單元結束活化過程后，即接收到所述結束信號后，控制活化器5的陰極7與陽極6旋轉180度以卸下活化后的碳棒2，并向電極移動控制單元發(fā)送信號以使電極移動控制單元控制陰極7向遠離陽極6的方向移動。出料閥控制單元，連接于電極旋轉控制單元，碳棒2被卸下至輸送槽后，依合成爐 10發(fā)來的可進料信號控制出料閥9開啟，出料過程結束后關閉出料閥9，并向進料閥控制單元發(fā)送可進料信號以啟動下一次活化過程，并向所述合成爐控制模塊發(fā)送出料閥關閉信號以使合成爐10開始放電合成過程；二級推進桿控制單元，連接于出料閥控制單元，接收到出料閥控制單元傳米的出料閥開啟信號時，將所述輸送槽中的碳棒2推送至合成爐10后，控制二級推進桿8返回至初始位置，并反饋信號至出料閥控制單元以關閉出料閥9。如圖2所示，本發(fā)明優(yōu)選實施例的碳納米材料自動化合成設備的控制裝置，所述合成爐控制模塊包括真空度控制單元、壓力控制單元、電極控制單元、電極電壓感測單元和電極位置感測單元。真空度控制單元，在接收到出料閥控制單元傳來的出料閥9關閉信號后，控制合成爐10的抽真空閥16的開閉，以使合成爐10內達到設定真空度，例如壓力1帕斯卡時的
真空度。 壓力控制單元，連接于真空度控制單元，接收到真空度控制單元傳米的真空度已達到設定值的信號后，控制進氣閥17開啟，以使合成爐10內達到并維持預定壓力，例如200 托；電極電壓感測單元，用以實時感測合成爐10中陰極12與陽極管道11內支撐的所述陽極之間的兩極電壓；電極位置感測單元，用以感測陰極12所到達的位置；電極控制單元，連接于壓力控制單元，接收到壓力控制單元傳來的合成爐10內已達到預定壓力200托的信號后，控制陰極12向所述陽極運動以與所述陽極接觸放電，在放電過程中，接收所述電極電壓感測單元和所述電極位置感測單元傳來的所述電壓信號與所述位置信號，來控制所述電極的運動方向及是否停止運動?？刂蒲b置的操作界面可包括各種電控開關(步進電機、電動真空閥)，各種狀態(tài)顯示(碳棒存量、活化狀態(tài)、放電狀態(tài))，各種數(shù)據(jù)的顯示(電流、電壓、溫度以及真空度)， 以及整個自動化設備的運行仿真圖。下面再介紹本發(fā)明優(yōu)選實施例的碳納米材料自動化合成設備的控制方法。之前在控制裝置中體現(xiàn)的步驟，不完全在下述的方法中進行重復。本發(fā)明優(yōu)選實施例的碳納米材料自動化合成設備的控制方法，包括只初始執(zhí)行一次的合成爐初始化控制步驟Sl和循環(huán)進行的加裝過程控制步驟S2、活化過程控制步驟S3 和放電合成過程控制步驟S4。所述合成爐初始化控制步驟，包括進行兩遍的以下步驟步驟Sll 開啟合成爐10的抽真空閥16，檢測合成爐10內的真空度，真至判斷得出合成爐10內的真空度達到設定真空度，例如1帕。步驟S12 ；開啟合成爐10的進氣閥17，檢測合成爐10內的壓力，直至判斷得出合成爐10內的壓力達到設定壓力，例如700托。而加裝過程控制步驟S2可細化為步驟S21 讀取碳棒存量傳感器13所感測到的碳棒2存量，判斷是否需要加裝碳棒2。步驟S22 在不需要加裝碳棒2時，返回步驟S21，繼續(xù)讀取存量數(shù)據(jù)；在需要加裝碳棒2時，控制加裝器1的加料蓋14開啟，等待人工加裝或者自動加裝碳棒2。步驟S23 添加碳棒2后控制加裝器1的加料蓋14關閉；在一定的時間沒有加裝的情況下，可以向控制器發(fā)出報警信號。步驟S24:控制一級推進桿3，向活化器5的進料閥控制單元發(fā)出進料信號，并在接收到進料閥開啟信號后，控制一級推進桿3的推進并在推進結束后控制一級推進桿3返回初始位置?；罨^程控制步驟S3包括
步驟S31 接收到所述進料信號后，控制進料閥4開啟，控制陰極7移動到位以承載碳棒2，以使一級推進桿3完成對碳棒2的推進過程，在一級推進桿3返回初始位置后，控制進料閥4關閉。步驟S32 開啟抽真空閥16，以使活化器5內的壓力達到10帕時開始活化過程。步驟S33 在活化器5內達到設定的第二真空度，例如3帕時或活化過程達到預定時間，例如1小時，結束所述活化過程。步驟S34 控制活化器5的陰極7回到初始位置，控制陰極7與陽極6旋轉180度以卸下活化后的碳棒2至活化器5的輸送槽。步驟S35 控制抽真空閥15關閉；步驟S36 在接收到合成爐10的可進料信號后，開啟活化器5的出料閥9，控制二級推進桿8向合成爐10輸送活化后的碳棒2，并控制二級推進桿8在推進后返回初始位置。放電合成控制步驟S4包括步驟S41 接收到出料閥9關閉信號后，控制合成爐10的抽真空閥16開啟；步驟S42 合成爐10壓力達到1帕時，控制抽真空閥16關閉；步驟S43 開啟合成爐10的進氣閥17，檢測合成爐10內的壓力，直至判斷得出合成爐10內的壓力達到200托，維持所述合成爐內的壓力在200托；步驟S44 將合成爐10內陰極12和陽極加直流電壓，控制合成爐10的陰極12向所述陽極方向移動；步驟S45 獲取兩極電壓的實時值，并據(jù)此決定陰極12的移動方向；當所述兩極電壓小于39伏時，控制陰極12遠離所述陰極；當所述兩極電壓在39V與40V之間時，控制陰極12停止移動；當兩極電壓大于40伏時，控制陰極12靠近所述陽極。步驟S46 獲取陰極12的移動位置，如達到預定的位置，例如還剩下四分一的碳棒 2時對陰極12和陽極斷電；以避免燒毀陽極管道11。步驟S47 控制陰極12回到初始位置，并向出料閥9發(fā)送可進料信號。以進行下一次的放電合成。本發(fā)明的控制裝置與控制方法，可首先進行加裝過程控制步驟及合成爐初始化控制步驟，碳棒加裝用時約0. 5小時，而合成爐初始化用時4 5小時。碳棒加裝完成后就可以執(zhí)行碳棒活化，用時1小時左右。當合成爐初始化和碳棒活化都完成后就要執(zhí)行合成爐放電，用時1. 5 2小時。因此，執(zhí)行所述步驟Sl的同時、執(zhí)行所述步驟Sl期間或完成所述步驟Sl后，均可以開始進行所述步驟S2和所述步驟S3 ；而完成所述步驟Sl后，才可以進行所述步驟S4。合成爐初始化控制 步驟Sl只在控制過程開始時執(zhí)行一次，其后就不再進行了。碳棒活化過程控制步驟S3的執(zhí)行隨后受碳棒加裝過程控制步驟S2的完成狀態(tài)和合成爐放電過程控制步驟S4的完成狀態(tài)所控制。如果加裝控制沒有完成即加裝器1中沒有碳棒2 了， 碳棒活化控制步驟S3就會終止，進而放電合成控制步驟S4也就終止，或者人工強制終止各個控制步驟。雖然本發(fā)明已以實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本領域技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發(fā)明的保護范圍當視后附的權利要求所界定的為準。
權利要求
1.一種碳納米材料自動化合成設備，用于電弧法合成碳納米材料，其特征在于，所述碳納米材料自動化合成設備包括分別用于加裝碳棒、活化碳棒及放電合成的加裝器、活化器和合成爐及用于控制所述加裝器、活化器及合成爐的各部件及其工作過程的控制裝置；所述加裝器與所述活化器之間通過設有進料閥的進料通道相連接，所述活化器與所述合成爐之間通過具有出料閥的出料通道相連接； 所述加裝器，包括 容置空間，以同時容置多根所述碳棒；一級推進桿，通過所述進料通道向所述活化器逐一輸送所述碳棒； 所述活化器，具有 活化器抽真空閥；能夠相對靠近的兩電極，所述兩電極通過其相對內側的承載部將所述碳棒承載于兩電極之間進行活化；二級推進桿，通過所述出料通道向所述合成爐逐一輸送活化后的所述碳棒； 所述合成爐，設置有 合成爐抽真空閥與進氣閥； 陰極，能夠沿軸向往復移動；陽極管道，固定于所述合成爐，與所述進料通道連通，支撐所述碳棒一端以使伸出所述陽極管道的所述碳棒作為陽極與所述陰極接觸進行放電合成；所述控制裝置，在控制所述合成爐完成初始化后，控制所述加裝器、活化器及合成爐不間斷作業(yè)以連續(xù)合成所述碳納米材料。
2.如權利要求1所述的碳納米材料自動化合成設備，其特征在于，所述加裝器具有碳棒存量傳感器，用于感測所述容置空間內的所述碳棒的存量；所述合成爐內裝設有電極電壓感測單元與電極位置感測單元，分別用以感測放電合成過程中的所述陽極與所述陰極之間的兩極電壓以及所述陰極的移動位置。
3.—種權利要求1或2所述的碳納米材料自動化合成設備的控制裝置，其特征在于，所述控制裝置包括控制器及與所述控制器連接的以下模塊合成爐初始化控制模塊，通過控制所述合成爐的抽真空閥與進氣閥的開閉，并檢測所述合成爐內的真空度與壓力，使所述合成爐內達到設定真空度后充入惰性氣體至設定壓力，再抽氣至所述設定真空度后再充入惰性氣體至所述設定壓力，以完成所述合成爐的初始化過程；加裝器控制模塊，用于控制所述加裝器加裝碳棒及控制所述加裝器的一級推進桿向所述活化器的進料過程；活化器控制模塊，通過控制所述進料閥及出料閥的開閉、控制所述活化器抽真空閥的開閉、控制所述電極的移動與旋轉、控制所述活化過程、控制所述二級推進桿的出料過程， 以完成對所述碳棒的活化過程及向所述合成爐的進料過程；合成爐控制模塊，通過控制所述合成爐內的真空度及壓力、控制所述陰極的移動以在設定的壓力下進行所述放電合成過程，并在所述陰極移動到設定位置時結束所述陰極與所述陽極的放電合成過程；所述控制器，在所述合成爐初始化模塊傳來所述初始化過程結束的信號后，依次控制所述加裝器控制模塊、活化器控制模塊及合成爐控制模塊，以使所述加裝器、活化器及合成爐不間斷作業(yè)以連續(xù)合成所述碳納米材料。
4.如權利要求3所述的碳納米材料自動化合成設備的控制裝置，其特征在于，所述活化器控制模塊包括進料閥控制單元，控制所述進料閥的開閉，在接收到加裝器控制模塊傳來的進料信號和出料閥傳來的出料閥關閉可進料信號后，開啟所述進料閥以完成所述進料過程；所述進料過程結束后，關閉所述進料閥；電極移動控制單元，連接于所述進料閥控制單元，控制所述活化器的陰極向陽極移動或者遠離陽極方向移動；抽真空閥控制單元，連接于所述電極移動控制單元，在所述陰極移動到位后且碳棒已被承載于陰極與陽極之間時，控制所述活化器的抽真空閥的開閉，以使所述活化器內達到設定的真空度或壓力；活化過程控制單元，連接于所述抽真空閥控制單元，控制所述碳棒的活化過程，在所述真空度或者活化時間達到預定值時，結束所述活化過程；電極旋轉控制單元，連接于所述活化過程控制單元，在所述活化過程控制單元結束活化過程后，控制所述活化器的陰極與陽極旋轉180度以卸下活化后的所述碳棒；出料閥控制單元，連接于所述電極旋轉控制單元，在所述碳棒被卸下至輸送槽后，依所述合成爐發(fā)來的可進料信號控制所述出料閥開啟，出料過程結束后關閉所述出料閥，并向所述進料閥控制單元發(fā)送可進料信號以啟動下一次活化過程，并向所述合成爐控制模塊發(fā)送出料閥關閉信號以使所述合成爐開始所述放電合成過程；二級推進桿控制單元，連接于所述出料閥控制單元，接收到所述出料閥控制單元傳來的出料閥開啟信號時，將所述輸送槽中的所述碳棒推送至所述合成爐后，控制所述二級推進桿返回至初始位置，并反饋信號至所述出料閥控制單元以關閉所述出料閥。
5.如權利要求4所述的碳納米材料自動化合成設備的控制裝置，其特征在于，所述合成爐控制模塊包括真空度控制單元，在接收到所述出料閥控制單元傳來的出料閥關閉信號后，控制所述合成爐抽真空閥的開閉，以使所述合成爐內達到設定真空度；壓力控制單元，連接于所述真空度控制單元，接收到所述真空度控制單元傳來的真空度已達到設定值的信號后，控制所述進氣閥開啟，以使所述合成爐內達到并維持預定壓力；電極電壓感測單元，用以實時感測所述合成爐中所述陰極與所述陽極之間的兩極電壓；電極位置感測單元，用以感測所述陰極所到達的位置；電極控制單元，連接于所述壓力控制單元，接收到所述壓力控制單元傳來的合成爐內已達到預定壓力的信號后，控制所述陰極向所述陽極運動以與所述陽極接觸放電，在放電過程中，接收所述電極電壓感測單元和所述電極位置感測單元傳來的所述兩極電壓信號與所述位置信號，來控制所述電極的運動方向及是否停止運動。
6.一種權利要求1或2所述的碳納米材料自動化合成設備的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括只初始執(zhí)行一次的合成爐初始化控制步驟Sl和循環(huán)進行的加裝過程控制步驟S2、活化過程控制步驟S3和放電合成過程控制步驟S4 ；執(zhí)行所述步驟Sl的同時、執(zhí)行所述步驟Sl期間或完成所述步驟Sl后，開始進行所述步驟S2和所述步驟S3 ；完成所述步驟Sl后進行所述步驟S4 ；所述合成爐初始化控制步驟，包括步驟Sll 開啟所述合成爐的抽真空閥，檢測所述合成爐內的真空度，直至判斷得出所述合成爐內的真空度達到設定真空度；步驟S12 開啟所述合成爐的進氣閥，檢測所述合成爐內的壓力，直至判斷得出所述合成爐內的壓力達到設定壓力；步驟S13 將所述步驟Sll和步驟S12重復一次。
7.如權利要求6所述的碳納米材料自動化合成設備的控制方法，其特征在于，所述步驟S2包括步驟S21 讀取所述碳棒存量傳感器所感測到的碳棒存量，判斷是否需要加裝碳棒； 步驟S22 在不需要加裝碳棒時，返回步驟S21 ；在需要加裝碳棒時，控制所述加裝器的加料蓋開啟；步驟S23 添加所述碳棒后控制所述加裝器的加料蓋關閉；步驟S24 控制所述一級推進桿，向所述活化器的進料閥控制單元發(fā)出進料信號，并在接收到進料閥開啟信號后，控制所述一級推進桿的推進并在推進結束后返回初始位置。
8.如權利要求7所述的碳納米材料自動化合成設備的控制方法，其特征在于，所述步驟S3包括步驟S31 接收到所述進料信號后，控制所述進料閥開啟，控制所述電極移動到位以承載所述碳棒，以使所述一級推進桿完成對所述碳棒的推進過程，在所述一級推進桿返回初始位置后，控制所述進料閥關閉；步驟S32 開啟所述抽真空閥，以使所述活化器內達到第一真空度時開始所述活化過程；步驟S33 在所述活化器內達到第二真空度時或所述活化過程達到預定時間時，結束所述活化過程；步驟S34 控制所述活化器的陰極回到初始位置，控制所述陰極與所述陽極旋轉180度以卸下活化后的所述碳棒至所述活化器的輸送槽； 步驟S35 控制所述抽真空閥關閉；步驟S36 在接收到合成爐的可進料信號后，開啟所述出料閥，控制所述二級推進桿向所述合成爐輸送活化后的所述碳棒，并控制所述二級推進桿在推進后返回初始位置。
9.如權利要求8所述的碳納米材料自動化合成設備的控制方法，其特征在于，所述步驟S4包括步驟S41 接收到出料閥關閉信號后，控制所述合成爐的抽真空閥開啟； 步驟S42 所述合成爐壓力達到1帕時，控制所述抽真空閥關閉； 步驟S43 開啟所述合成爐的所述進氣閥，檢測所述合成爐內的壓力，直至判斷得出所述合成爐內的壓力達到200托，維持所述合成爐內的壓力在200托；步驟S44:將所述合成爐內陰極和陽極加直流電壓，控制所述合成爐的所述陰極向所述陽極方向移動；步驟S45 獲取兩極電壓的實時值，并據(jù)此決定所述陰極的移動方向； 步驟S46 獲取所述陰極的移動位置，如達到預定的位置，則對所述陰極和陽極斷電； 步驟S47 控制所述陰極回到初始位置，并向所述出料閥發(fā)送可進料信號。
10.如權利要求9所述的碳納米材料自動化合成設備的控制方法，其特征在于，所述步驟S45中，當所述兩極電壓小于39伏時，控制所述陰極遠離所述陽極；當所述兩極電壓在 39V與40V之間時，控制所述陰極停止移動；當所述兩極電壓大于40伏時，控制所述陰極靠近所述陽極。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種碳納米材料自動化合成設備及其控制裝置與控制方法，用于電弧法合成碳納米材料，所述碳納米材料自動化合成設備包括分別用于加裝碳棒、活化碳棒及放電合成的加裝器、活化器和合成爐及用于控制所述加裝器、活化器及合成爐的各部件及其工作過程的控制裝置；所述控制裝置，在控制所述合成爐完成初始化后，控制所述加裝器、活化器及合成爐不間斷作業(yè)以連續(xù)合成所述碳納米材料。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術的效率低、成本高及生產(chǎn)規(guī)模小的技術問題，達到了自動化生產(chǎn)以及對自動化生產(chǎn)的精確控制，提高了生產(chǎn)效率。
文檔編號B82Y40/00GK102161480SQ20101059176
公開日2011年8月24日 申請日期2010年12月16日 優(yōu)先權日2010年12月16日
發(fā)明者孫寶云, 董金泉, 趙宇亮 申請人:中國科學院高能物理研究所