CN100424008C

CN100424008C - 纳米碳制造装置

Info

Publication number: CN100424008C
Application number: CNB2004800178441A
Authority: CN
Inventors: 助丈史; 吉武务; 久保佳实; 糟屋大介; 饭岛澄男; 汤田坂雅子
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2003-06-24
Filing date: 2004-06-22
Publication date: 2008-10-08
Anticipated expiration: 2024-06-22
Also published as: TWI270528B; WO2004113225A1; CN1812931A; JPWO2004113225A1; US20070025905A1; TW200524825A

Abstract

在纳米碳制造装置(173)中，在制造室(107)内设置平面镜(169)和抛物面镜(171)。由激光束源(111)发射出并透过ZnSe窗(133)的出射光束被平面镜(169)和抛物面镜(171)反射。另外，在用抛物面镜(171)将光束聚焦之后，以所述光束照射石墨棒(101)的表面。

Description

纳米碳制造装置

技术领域

本发明涉及纳米碳制造装置。

背景技术

近来，对纳米碳的工业应用研究比较活跃。纳米碳是指具有纳米级微细结构的碳物质，以碳纳米管、碳纳米突等为代表。这当中，碳纳米突具有圆筒状结构，其中由变圆成圆筒状的石墨片形成的碳纳米管的一端具有圆锥形状。通常，通过圆锥部之间起作用的范德华力，碳纳米突集合成以管为中心的圆锥部呈角状从表面上突出的形态。碳纳米突集合体由于其特异性质，因而可预期其对各技术领域的应用。

已有报道由激光蒸发方法制造碳纳米突集合体，在该方法中，在惰性气氛中对原料的碳物质(下文中也称为“石墨靶”)照射激光束(专利文献1)。在专利文献1中，例示CO₂气体激光作为激光束。

CO₂气体激光的波长为约10.6μm，并优选采用ZnSe等作为透过CO₂气体激光的材料(专利文献2)。因而，在使用CO₂激光束制造碳纳米突集合体时，可考虑采用ZnSe透镜将激光束聚焦于石墨靶表面上。

[专利文献1]：特开2001-64004号公报。

[专利文献2]：特开2001-51191号公报。

发明内容

本发明研究了通过在制造室内提供由ZnSe制成的窗(也称为“激光束窗”)制造碳纳米突集合体的方法。发现，在回收的煤烟状物质中碳纳米突集合体的重量比率(下文中称为“收率”)随激光束窗的使用时间延长而下降。激光束窗的寿命较短，有时候激光束窗甚至破损。结果发现，该装置的维持费用高，并且装置的寿命缩短。室外设置的ZnSe透镜的寿命也较短。

因而，研究了碳纳米突集合体的收率下降及激光束窗或透镜的寿命短的原因。结果发现，在对石墨靶照射激光束时，由石墨靶产生的碳蒸气产生的煤烟状物质会附着至激光束窗表面，并且发现附着的煤烟状物质可能是上述的主要原因。当煤烟状物质附着至激光束窗或透镜表面时，激光束窗或透镜通过在煤烟状物质附着的部分发生光吸收而被加热这一点是明确的。

在上述情况下，存在光路因热透镜效应而偏移的可能性。光路的偏移可改变CO₂气体激光在石墨靶表面的照射位置，或引起照射表面的光功率密度的变化。推测这就是收率随装置的使用时间增加而下降的原因。另外，推测认为激光束窗或透镜的加热引起了破损等等。因此，需要有制造碳纳米突集合体而不降低所述碳纳米突集合体收率的技术。为了延长装置寿命，需要有不同于常规技术的技术。

本发明是鉴于上述情况而完成的，本发明的目的是提供以高收率稳定获得纳米碳的技术。本发明另一目的是提供延长纳米碳制造装置寿命的技术。

本发明人积极研究了以高收率获得纳米碳的技术。作为研究的结果，本发明人发现在使用光学部件在石墨靶表面照射光源的出射光时，遮蔽所述光学部件防止煤烟状物质的附着是重要的，从而完成了本发明。另外，本发明人发现，通过使光源的出射光不直接照射石墨靶表面，而是用在经反射改变光路之后的光照射石墨靶，则可保护所述光学部件免于煤烟状物质的附着，由此完成了本发明。

根据本发明，提供纳米碳制造装置，其特征在于包括石墨靶；容纳所述石墨靶的室；在所述室的一部分上设置的窗单元；将光通过窗单元照射至石墨靶表面上的光源；将产生自碳蒸气的纳米碳进行回收的回收单元，所述碳蒸气是由光照射而从石墨靶蒸发出的；以及位于窗单元和石墨靶之间的遮蔽部件。

在本发明中，遮蔽部件设置于窗单元和石墨靶之间。如上所述，在自光源出射的光透过窗单元之后直接照射石墨靶表面的结构的情况下，由产生自石墨靶表面的碳蒸气所得煤烟状物质在煤烟状物质返回窗单元一侧的方向上也飞散，从而所述煤烟状物质容易附着至窗单元的表面。因此，在采用ZnSe制光学部件的情况下，光学部件很容易被加热。

相反，在本发明的结构中，窗单元配置成与石墨靶表面遮蔽开来。因此，即使产生自石墨靶表面的煤烟状物质飞散至窗单元一侧，由于窗单元被遮蔽部件所遮蔽，因而所述煤烟状物质朝窗单元移动从而附着到窗单元表面被抑制。因此可将照射石墨靶的光的功率密度稳定化，从而能以高收率稳定制造具有期望性能的纳米碳。

在本发明中，设置遮蔽部件使得窗单元与自石墨靶蒸发的碳蒸气遮蔽开来。可将遮蔽部件配置成使窗单元保持被遮蔽，从而不附着由产生自石墨靶表面的碳蒸气所得的煤烟状物质，同时使光源的出射光到达石墨靶表面。

在本发明中，室容纳所述石墨靶。但可以不容纳整个石墨靶。可以容纳石墨靶的一部分。

在本发明中，窗单元是使光源的出射光透过的光学部件。例如，可将激光束窗或透镜等用作窗单元。在配置窗单元的同时，使窗单元的一部分暴露于室的内侧。可将窗单元作为光源的一部分配置于光源的出射端面等，或者作为与光源独立的部件配置于容纳石墨靶的室的壁面。

在本说明书中，术语“功率密度”指实际照射石墨靶表面的光的功率密度，即石墨靶表面中光照射区域的功率密度。

在本发明的纳米碳制造装置中，在窗单元和遮蔽部件之间可包括用于将光引导至石墨靶表面的光学部件。因而，可确保石墨靶表面被光照射，这使得可以稳定地制造纳米碳。在本发明中，由于遮蔽部件设置于光学部件和石墨靶之间，因而在窗单元方向上飞散而未被回收单元回收的煤烟状物质对光学部件表面的附着可被抑制。因此，由热透镜效应引起的石墨靶表面上激光束照射位置的偏移、或表面上光功率密度的波动可被抑制，这使得可以稳定和连续地制造具有期望性能的纳米碳。因此可提高纳米碳的收率。由于光学部件的加热被抑制，因此可抑制光学部件的破损，从而延长了光学部件的寿命。可抑制由于更换光学部件而导致的装置维护成本的增加。因此，可容易得到具有优良耐久性和生产率的装置结构。

根据本发明，提供了纳米碳制造装置，其特征在于包括石墨靶；容纳所述石墨靶的室；在室的一部分上设置的窗单元；将光通过窗单元照射至石墨靶表面上的光源；将产生自碳蒸气的纳米碳进行回收的回收单元，所述碳蒸气是由光照射而从石墨靶蒸发的；以及将透过所述窗的透射光进行反射，从而将所述透射光引导至石墨靶表面的反射部件。

在本发明的纳米碳制造装置中，光学部件可包括反射部件。

因此，可用透过所述窗单元之后的光路改变的光对石墨靶表面进行照射，从而可确保抑制煤烟状物质对窗单元的附着。

例如，在本发明中，反射部件的表面可以金属制成，所述金属优选确保表面的放热性能。因此，即使煤烟状物质等附着至表面，仍可抑制温度的过度上升。在本发明中，进一步可以提供用于冷却反射部件的冷却机构。因而可更加可靠地冷却反射部件，这使得可以抑制反射部件的过热，由此提高了反射部件的寿命。也可以稳定地制造纳米碳。在本发明中，进一步可以提供用于去除附着至反射部件的煤烟状物质的除尘机构。从而可以预定的定时除去煤烟状物质的同时制造纳米碳，这使得可以进一步提高纳米碳的收率。

在本发明的纳米碳制造装置中，可进一步提供位于反射部件和石墨靶之间的遮蔽部件。

从而可更加可靠地防护窗单元或光学部件免受煤烟状物质的附着，这使得可以进一步抑制纳米碳收率的下降。还可延长光学部件的寿命。

在本发明的纳米碳制造装置中，反射部件可以具有光聚焦功能。因此可以可靠地将光聚焦于石墨靶的预定位置，从而能稳定制造纳米碳。由于无需提供用以光聚焦的聚焦光学部件就可将光聚焦于石墨靶表面上，因此可以以简易的结构有效制造纳米碳。具有光聚焦功能的反射部件可以由简易元件形成，或者可通过多个元件的组合形成反射部件。

例如，所述反射部件可以是凹面镜。在本发明的纳米碳制造装置中，反射部件可以是抛物面镜。因而可以可靠地将从凹面镜反射的反射光聚焦于凹面镜的焦点上。因此，可更加可靠地将反射光聚焦于石墨靶表面上，从而能稳定制造纳米碳。

在本发明的纳米碳制造装置中可包括靶保持单元，所述靶保持单元在保持石墨靶的同时使圆筒形石墨靶绕中心轴旋转。从而可连续制造纳米碳，由此可以提高纳米碳的收率。

在本发明的纳米碳制造装置中，纳米碳可以是碳纳米突集合体。

因而可以高收率稳定地制造碳纳米突集合体。

本发明的纳米碳制造装置可进一步具有吸气单元，所述吸气单元从所述光源侧向所述石墨靶侧产生沿着所述光的前进方法的气流。因而从石墨靶侧向光源侧运动的煤烟状物质对窗单元或光学部件的附着可更可靠地被抑制，从而能更加可靠地延长装置的寿命。还可更稳定地制造纳米碳。

以上描述了本发明的结构。但上述结构的任意组合也是本发明的有效方面。将本发明的表述转换成其他类别也是本发明的有效方面。

如上所述，根据本发明，通过在窗单元和石墨靶之间设置遮蔽部件，可以高收率制造纳米碳。另外，根据本发明，可延长纳米碳制造装置的寿命。

从下面描述的优选实施方案和附图，可清楚了解本发明的上述和其他目的、特征及优点。

附图简述

图1表示根据本发明的实施方案的纳米碳制造装置的结构的图。

图2表示根据本发明的实施方案的纳米碳制造装置的结构的图。

图3表示根据本发明的实施方案的纳米碳制造装置的结构的图。

图4表示根据本发明的实施方案的纳米碳制造装置的结构的图。

图5表示根据本发明的实施方案的纳米碳制造装置的结构的图。

图6表示根据本发明的实施方案的纳米碳制造装置的结构的图。

图7表示根据本发明的实施方案的纳米碳制造装置的结构的图。

图8表示根据本发明的实施例的纳米碳制造装置的结构的图。

图9表示根据本发明的实施例的纳米碳制造装置的结构的图。

图10表示根据本发明的实施例的纳米碳制造装置的结构的图。

图11表示实施例的各装置中ZnSe窗的破损时间的图。

图12表示实施例中制造时间与碳纳米突集合体收率之间的关系的图。

发明最佳实施方式

下面将参考附图详细描述本发明的优选实施方案。

(第一实施方案)

本实施方案涉及纳米碳制造装置，其中照射石墨靶表面的光的光路周边以罩覆盖。图1表示根据该实施方案的纳米碳制造装置的结构实例的剖视图。在本说明书中，图1和用于描述其他制造装置的均为示意图，各部件的尺寸并不总是对应于实际的尺寸比。

图1的纳米碳制造装置125包括制造室107、纳米碳回收室119以及连接制造室107与纳米碳回收室119的搬运管141。图1的制造装置还包括发射激光束103的激光束源111、ZnSe平凸透镜131、ZnSe窗133、罩167以及旋转装置115。旋转装置115保持石墨棒101，并且旋转装置115使所述石墨棒101绕其中心轴旋转。另外，纳米碳制造装置125包括惰性气体供应单元127、流量计129、真空泵143和压力计145。

在纳米碳制造装置125中，激光束源111的出射光被ZnSe平凸透镜131聚焦，并通过设置于制造室107壁面上的ZnSe窗133对制造室107内的石墨棒101进行照射。此时，激光束103通过沿光路设置的罩167。

石墨棒101用作作为激光束103照射靶的固态碳单质。将石墨棒101固定至旋转装置115，并且所述石墨棒101可绕中心轴旋转。例如，可使石墨棒101旋转，使得石墨棒101表面上激光束103的照射点与激光束103的照射方向远离。具体地，在图1中，可使石墨棒101绕中心轴顺时针旋转。因而可更加可靠地抑制光反馈的产生。

在稳定地提供以激光束103照射的新表面的同时，可以可靠地回收碳纳米突集合体117。可以通过将石墨棒101固定至旋转装置115，而使石墨棒101绕中心轴旋转。例如，可将石墨棒101配置成可在沿中心轴的方向上移动。

搬运管141与制造室107和纳米碳回收室119连通，以连接制造室107和纳米碳回收室119。以来自激光束源111的激光束103对石墨棒101的侧面进行照射。此时，在烟羽109的产生方向上经由搬运管41设置纳米碳回收室119。由此可通过纳米碳回收室119回收所产生的碳纳米突集合体117。

由于烟羽109在垂直于石墨棒101的切线的方向，即激光束103照射位置的法线方向上产生，因而当在此方向上设置搬运管141时，可将碳蒸气有效引入纳米碳回收室119中，回收碳纳米突集合体117的微粒。例如，当照射角设定为45°时，可在相对于法线成45°的方向上设置搬运管141。

在纳米碳制造装置125中，制造室107中，沿着从ZnSe窗133周边至石墨棒101表面周边的激光束103通道设置了用来覆盖光路的圆筒形罩167。罩167设置直至石墨棒101的周边，且罩167的端部有开口。激光束103穿过罩167，并且所述石墨棒101表面被激光束103照射。

通过设置罩167，可对ZnSe窗133进行遮蔽，使得由照射石墨棒101表面所产生的碳蒸气得到的煤烟状物质不会附着至ZnSe窗133，同时确保了光对石墨棒101的照射通道。由于煤烟状物质对ZnSe窗133的附着被抑制，因而ZnSe窗133表面上激光束103的吸收得以被抑制。因此照射石墨棒101表面的激光束103的功率密度波动可被抑制。另外，ZnSe窗133温度的过度上升可被抑制。因此，石墨棒101表面上由于热透镜效应所致的激光束103照射位置偏移可被抑制。由于过热和相关的破损或燃烧所致的ZnSe窗133劣化可被抑制。

因此所述纳米碳制造装置125可以高收率稳定制造碳纳米突集合体117。可容易实现具有优良耐久性的装置结构。

在纳米碳制造装置125中，搬运管141设置在沿烟羽的产生方向上使得烟羽109被覆盖。搬运管141与纳米碳回收室119连通，所述纳米碳回收室119设置于制造室107的侧向。当以激光束103照射石墨棒101表面时，产生烟羽109，并且从烟羽109放出的碳蒸气成为煤烟状物质。在纳米碳制造装置125中，由于搬运管141在烟羽109产生的方向上形成，因而可以可靠地将煤烟状物质通过搬运管141引导至纳米碳回收室119。因此，可提高碳纳米突集合体117的回收效率。烟羽在垂直于石墨棒101表面上激光束103照射位置的切线的方向上产生。

纳米碳制造装置125具有以激光束103照射石墨棒101侧面，同时使石墨棒101沿圆周方向旋转的结构。石墨棒101由处于激光束103的方向不与烟羽109产生方向相一致的位置关系的激光束103进行照射。因而在激光束103的照射路径被截断的位置处可有效回收碳纳米突集合体117。

在纳米碳制造装置125中，可预先预测石墨棒101侧面上烟羽109的产生角度，这使得可以精确控制搬运管141的位置和角度。因此在后面所述条件下可使碳纳米突集合体117被有效制造并可靠地回收。

下面将具体描述以图1的纳米碳制造装置125制造碳纳米突集合体117的方法。

在纳米碳制造装置125中，可将高纯度石墨，例如棒形烧结碳或压缩成形碳用作石墨棒101。

例如，可将高功率CO₂气体激光用作激光束103。在采用稀有气体如Ar和He的惰性气体氛围下，例如在不低于10³Pa且不高于10⁵Pa的压力下，以激光束103对石墨棒101进行照射。优选预先将制造室107减压排气到不高于10^-2Pa，然后生成惰性气体氛围。

优选地，调节激光束103的输出、光点直径和照射角使得在石墨棒101侧面上激光束103的功率密度基本保持恒定，例如不低于5kW/cm²且不高于25kW/cm²。

例如，将激光束103的输出设定在不低于1kW且不高于50kW的范围。例如，将激光束103的脉冲宽度设定为不低于0.5秒，优选不低于0.75秒。从而可充分确保照射石墨棒101表面的激光束103的累积能量，由此可有效制造碳纳米突集合体117。例如，将激光束103的脉冲宽度设定为不高于1.5秒，优选不高于1.2秒。由此，因石墨棒101表面的过度加热所致的表面能量密度波动而引起的碳纳米突集合体收率下降可被抑制。更优选地，将激光束103的脉冲宽度设定在不低于0.75秒和不高于1秒的范围内。由此，可同时改进碳纳米突集合体117的生成率和收率。

例如，将休止宽度设定为不低于0.1秒，优选不低于0.25秒。由此可以更可靠地抑制石墨棒101表面的过度加热。

激光束103以使照射角保持恒定的方式进行照射。石墨棒101以预定速度绕中心轴旋转，同时激光束103的照射角保持恒定，从而可使石墨棒101侧面的圆周方向被激光束103以恒定功率密度连续照射。另外，通过使石墨棒101在长度方向上滑动，可使石墨棒101的长度方向被激光束103以恒定功率密度连续照射。

此时，照射角范围优选为不低于30°且不高于60°。照射角是指在激光束103的照射位置处石墨靶表面的垂线与激光束103之间所成角度。在采用作为圆筒形石墨靶的石墨棒101的情况下，照射角定义为在垂直于石墨棒101长度方向的横截面上，连接照射位置和圆中心的线段与水平面之间所成的角度。

通过将照射角度设定为至少30°，可防止照射石墨棒101的激光束103的反射，即可防止光反馈的产生。还可防止所产生的烟羽109通过ZnSe窗133直接攻击ZnSe平凸透镜131。由此可有效保护ZnSe平凸透镜131，而且对于防止碳纳米突集合体117附着至ZnSe窗133也是有效的。因此可将照射石墨棒101的激光束103的功率密度稳定化，从而以高收率稳定制造碳纳米突集合体117。

采用激光束103以不超过60°的角度对石墨棒101进行照射，使得可以抑制无定形碳的产生，从而提高产物中碳纳米突集合体117的比率，即碳纳米突集合体117的收率。照射角特别优选设定为45°±5°。采用激光束103以约45°的角度对石墨棒101进行照射，可进一步提高产物中碳纳米突集合体117的比率。

纳米碳制造装置125具有使激光束103照射石墨棒101侧面的结构。因而在ZnSe平凸透镜131位置固定的状态下，通过调节石墨棒101的高度，可改变相对于侧面的照射角。当激光束103的照射角改变时，石墨棒101表面上激光束103的照射面积改变，从而可改变功率密度。因此，可以可靠地进行调节。

具体来说，例如在ZnSe平凸透镜131位置固定的情况下，将照射角设定在30°，这可以使得功率密度增加。例如，将照射角设定在60°，其可以使得功率密度被控制得低。

在以激光束103照射石墨棒101侧面的同时，可将光点直径设定在不低于0.5mm且不高于5mm的范围。

优选地，激光束103的光点以不低于0.01毫米/秒且不高于55毫米/秒的线速度(圆周速度)移动。线速度大时，在一次脉冲照射中激光束103在石墨棒101表面上的照射长度变长的同时，石墨棒101表面碳蒸发的产生局限于浅的区域。相反，当线速度小时，在一次脉冲照射中激光束103在石墨棒101表面上的照射长度变短的同时，从石墨棒101的表面至深的区域均产生蒸发。

推测认为单位时间煤烟状物质的产生量，即煤烟状物质的生成率，和所产生的煤烟状物质中碳纳米突集合体117的收率依赖于一次脉冲光照射中照射位置的移动距离及碳蒸发的深度。当碳蒸发的深度过深时，会产生碳纳米突集合体117以外的物质，从而降低了收率。当碳蒸发的深度过浅时，则碳纳米突集合体117的产生不够充分。将线速度设定在上述条件，可以高收率地有效制造碳纳米突集合体117。

例如，在以激光束103照射直径100mm石墨靶表面的情况下，旋转装置115使直径100mm的石墨棒101以恒定速度在圆周方向上旋转，例如将旋转数设定在不低于0.01rpm且不高于10rpm的范围，从而可以实现上述线速度。尽管对石墨棒101的旋转方向无特别限制，但石墨棒101的旋转方向优选为：照射位置远离激光束103，即如图1中箭头所示从激光束103向搬运管141的方向。从而可更加可靠地回收碳纳米突集合体117。

由纳米碳回收室119回收的煤烟状物质主要含有碳纳米突集合体117。例如，回收的所述煤烟状物质为含有不低于90％碳纳米突集合体117的物质。

在以纳米碳制造装置125制造纳米碳时，沿着从ZnSe窗133到石墨棒101表面的激光束103的出射方向或者沿着从石墨棒101表面经由搬运管141到纳米碳回收室119的方向上可形成气流。例如，可另外提供吸气单元。吸气单元沿着激光束103的行进方向从激光束源111侧向石墨棒101侧产生气流。因而可更加可靠地抑制煤烟状物质从石墨棒101表面向ZnSe窗133方向的附着。另外，由于可更加可靠地将产生的碳纳米突集合体117从搬运管141引导至纳米碳回收室119，因而可提高碳纳米突集合体117的收率。

纳米碳制造装置125中采用了ZnSe平凸透镜131和ZnSe窗133。可设置ZnSe平凸透镜作为ZnSe窗133。即，此时，将透镜用作密封制造室107的窗，同时制造室107外不设置ZnSe平凸透镜131。由此可实现具有优良制造效率的简易装置结构。

在图1装置和随后实施方案中所述的装置中，激光束源111设置于制造室107的上方。由激光束103照射产生的碳纳米突集合体117经由搬运管141于纳米碳回收室119中被回收，所述纳米碳回收室119设置于制造室117的侧向。在该实施方案和随后的实施方案中，激光束源111的布置并不总是限于将激光束源111设置于制造室107的上方。

例如，图2是表示具有罩167的纳米碳制造装置的另一结构的图。在图2装置中，激光束源111设置于制造室107的侧向，激光束103从制造室107侧面向石墨棒101发射。此时在石墨棒101的照射位置的切线的垂直方向上产生烟羽109。在图2的位置关系中，烟羽109在制造室107中在相对于向上垂直方向成45°角的方向上产生。在图2的装置中，与图1装置类似，搬运管141从石墨棒101表面周边向烟羽的产生方向设置，由烟羽109产生的煤烟状物质被设置于制造室107上方的纳米碳回收室119所回收。

在图2装置中，旋转装置115具有保持石墨棒101并使石墨棒101绕中心轴旋转的旋转机构。在图2装置中，与图1装置类似，石墨棒101也可沿中心轴方向移动。

在图1装置中，沿出射自激光束源111的激光束103的光路设置有用于覆盖光路的罩167，作为保护ZnSe窗133的遮蔽部件。但遮蔽部件的模式并不限于罩167。

例如，图3表示具有设置隔壁179替代图1纳米碳制造装置125中的罩167的结构的装置。图3装置的其他结构类似于纳米碳制造装置125。在图3的装置中，隔壁179设置于制造室107之中。所述隔壁179将制造室107分成设置有ZnSe窗133的室和设置有石墨棒101的室。隔壁179上开有孔，激光束103通过该孔到达石墨棒101。从而使得石墨棒101可被激光束照射。通过设置隔壁179，可使所产生的煤烟状物质从石墨棒101侧向ZnSe窗133侧的移动被遮蔽。从而可抑制煤烟状物质向ZnSe窗133表面的附着。

在图1至图3的装置中，在制造室107壁面上均设置ZnSe窗133作为窗。但是，窗并不限于图1至图3装置的结构，只要窗的一部分暴露于制造室107之内即可。例如，可在制造室107中布置于出射端面具有窗的激光束源111。此时，通过以诸如罩167或隔壁179的遮蔽部件遮蔽激光束源111和石墨棒101之间，可使煤烟状物质向激光束源111的窗的附着被抑制。ZnSe平凸透镜131可以设置在制造室107内。此时，通过以诸如罩167或隔壁179遮蔽ZnSe平凸透镜131和石墨棒101之间，可使煤烟状物质向ZnSe平凸透镜131表面的附着被抑制。

(第二实施方案)

本实施方案涉及纳米碳制造装置，其具有光源111的出射光不直接对石墨棒101表面进行照射，而是在将光反射而改变光路之后照射石墨棒101表面的结构。

图4表示从侧方观看根据该实施方案的纳米碳制造装置173的状态的剖视图。在该实施方案中，与第一实施方案中所述纳米碳制造装置125相同的部件以相同符号表示，将适宜地省略说明。

在纳米碳制造装置125(图1)结构中，通过ZnSe平凸透镜131对激光束源111的出射激光束103进行聚焦，从而使石墨棒101表面中光点直径具有预定的尺寸，然后以激光束103通过ZnSe窗133对制造室107进行照射。另一方面，在图4的纳米碳制造装置173中，在激光束源111未聚焦的同时，激光束源111的出射激光束103通过ZnSe窗133对制造室107进行照射。由于纳米碳制造装置173具有用于改变激光束103光路的平面镜169和抛物面镜171，从而使激光束103被平面镜169反射并且进一步被制造室107中的抛物面镜171反射。从抛物面镜171反射的光被聚焦于抛物面镜171焦点附近的石墨棒101表面上。

因此，在纳米碳制造装置173中，通过ZnSe窗入射到制造室107中的激光束103不直接照射石墨棒101表面，而是通过平面镜169和抛物面镜171反射两次改变光路之后再照射石墨棒101表面。由于激光束103经过了平面镜169和抛物面镜171，因而与纳米碳制造装置125相比，纳米碳制造装置173中从ZnSe窗133至石墨棒101的光路长度增加。

因而，纳米碳制造装置173具有的结构为：由石墨棒101表面产生的烟羽109对ZnSe窗133的附着，以及由烟羽109所得煤烟状物质对ZnSe窗133的附着均被抑制。因此，即使纳米碳制造装置173长期使用，照射石墨棒101表面的激光束103功率密度的改变仍可被抑制。其结果是，碳纳米突集合体117收率的下降可被抑制，并可稳定进行碳纳米突集合体117的连续制造。另外可延长纳米碳制造装置173的寿命。

在纳米碳制造装置173中，例如可将Cu用作平面镜169或抛物面镜171的材料。由于Cu具有高热导率，因此即使煤烟状物质附着至表面，仍可进行有效的放热。在平面镜169和抛物面镜171中，表面涂覆有诸如Au或Mo。通过采用此类材料，可抑制平面镜169或抛物面镜171的破损。

在纳米碳制造装置173中，在将激光束源111的出射光反射两次之后，以所述光对石墨棒101表面进行照射。但是，只要改变激光束源101的出射光的光路之后所述光能到达石墨棒101表面，则对反射的次数并无特别限制。可将纳米碳制造装置173构造成进行一次反射，或在进行不少于三次的反射之后照射石墨棒101。

在纳米碳制造装置173的结构中，通过以抛物面镜171反射激光束103，从而将激光束103聚焦至石墨棒101的表面上。但是，只要将激光束103构造成能够在石墨棒101表面上聚焦，则反射镜的形状并不局限于抛物面镜171。例如，可使用具有其他形状的凹面镜。可通过多个反射镜的组合将激光束103聚焦于石墨棒101表面上。

(第三实施方案)

本实施方案涉及纳米碳制造装置的另一结构。在该实施方案中，与第一实施方案中所述纳米碳制造装置125(图1)或第二实施方案中所述纳米碳制造装置173(图4)相同的部件均以相同的符号表示，并且将适宜地省略说明。

图5表示从侧方观看根据该实施方案的纳米碳制造装置175的状态的剖视图。所述纳米碳制造装置175的基本装置结构类似于纳米碳制造装置173(图4)。但是，纳米碳制造装置175与纳米碳制造装置173的不同之处在于前者设置了用于保护激光束103通道的罩167。

如第一实施方案中所述，通过设置罩167，可以更加可靠地抑制由烟羽109所产生的煤烟状物质对ZnSe窗133的直接附着。还可以更加可靠地防止煤烟状物质对平面镜169或抛物面镜171表面的附着。因此，石墨棒101表面中激光束103照射位置的波动或者激光束103功率密度的波动被抑制，这抑制了碳纳米突集合体117收率的下降。另外可进一步延长装置的寿命。

在图5的纳米碳制造装置175中，由于与制造室107的壁面相接触设置罩167，因而将ZnSe窗133设置于制造室107内部。但是，只要纳米碳制造装置构造成密封制造室107内的惰性气体，则ZnSe窗133的位置并不局限于制造室107的内部。例如，可将ZnSe窗133设置于制造室107的壁面上。例如，图6表示将ZnSe窗133设置于制造室107壁面上的纳米碳制造装置176的图。

(第四实施方案)

在上述实施方案中，通过实施例描述了采用石墨棒的情况。但是，在任一上述实施方案中，石墨靶的形状均不限于圆筒形。例如，石墨靶可以形成片状或棒状等等。

例如，图7表示在第三实施方案中所述的纳米碳制造装置175(图5)中采用片状石墨靶时的装置结构的图。

在图7的纳米碳制造装置177中，石墨靶139是固态碳单质，其成为激光束103照射的靶。石墨靶139由靶供给板135上的靶保持单元153保持。板保持单元137以平移方式水平移动靶供给板135。因此当靶供给板135移动时，置于其上的石墨靶139也移动，这使得激光束103的照射位置和石墨靶139的表面发生相对移动。

例如，在靶供给板135底面和板保持单元137表面形成有螺纹，并且靶供给板135可以齿条齿轮方式在从图7的左上方向右下方的方向移动。靶供给板135表面形成有沟槽(未示出)等，靶保持单元153的底部形成有使沟槽能够滑动的凸部(未示出)，所述凸部嵌入沟槽。因此，由靶保持单元153保持的石墨靶139和靶保持单元153可以在垂直于图7纸面的方向上移动。

该结构能将石墨靶139向激光束源111的出射激光束103的照射位置供给。

当以片状或棒状形成石墨靶时，石墨靶厚度形成到当以激光束103对石墨靶照射一次或多次时石墨靶被完全蒸发并耗尽的程度。由此可进一步提高碳纳米突集合体117的收率。当以激光束103对石墨靶照射一次时，石墨棒101的表面被粗糙化，从而当以激光束103再次照射石墨棒101时会引起功率密度的波动。因此，当激光束103对石墨棒101表面的照射次数减少时，可稳定制造碳纳米突集合体117。

由此基于上述实施方案对本发明作了说明。本领域技术人员应理解，这些实施方案仅仅是例示，可对其作各种变形，所述变形也包括于本发明范围之内。

在上述实施方案的装置的结构中，以激光束103照射石墨靶得到的煤烟状物质通过纳米碳回收室119而回收。但是，可通过将煤烟状物质沉积于合适基板上而进行回收，或者可通过以集尘袋回收微粒的方法回收煤烟状物质。还可使反应室中的惰性气体循环，从而通过惰性体的流动回收煤烟状物质。

在上述实施方案中，当制造碳纳米突集合体117时，可根据石墨靶形状或目标碳纳米突集合体117形状适宜选择诸如石墨靶表面上激光束的功率密度、脉冲宽度、休止宽度，以及石墨靶的移动速度的条件。构成碳纳米突集合体117的碳纳米突的形状、直径、长度、前端部形状、以及碳分子或碳纳米突之间的距离等可以通过激光束103的照射条件等进行各种控制。

在第二至第四实施方案所示的装置(图4至图7)中，在制造室107壁面上设置ZnSe窗133作为窗。但是所述窗并不局限于第二至第四实施方案的结构，只要窗的一部分暴露于制造室内即可。例如，可将出射端面具有窗的激光束源111安置于制造室107内。此时，通过使激光束源111的出射光由反射镜如平面镜169和抛物面镜171反射之后到达石墨棒101表面，可抑制煤烟状物质对激光束源111的窗的附着。ZnSe平凸透镜131可以设置于制造室107内。此时，通过使透过ZnSe平凸透镜131的透射光由反射镜如平面镜169和抛物面镜171反射之后到达石墨棒101表面，可抑制煤烟状物质对ZnSe平凸透镜131表面的附着。

在第二至第四实施方案所示的装置(图4至图7)中，可另外设置用于冷却抛物面镜171的冷却机构。通过冷却抛物面镜171，即使煤烟状物质附着至抛物面镜171的表面时也可以抑制过度加热，因此，可以进一步延长装置的寿命。可设置用于除去附着至抛物面镜171表面的煤烟状物质的除尘机构。由此，即使煤烟状物质附着至抛物面镜171表面，也可以在预定的时机将所述煤烟状物质除去，从而可以更可靠地进行控制使得照射石墨棒101表面的光的功率密度保持恒定。由此可进一步提高碳纳米突集合体的收率。另外，可进一步延长装置的寿命。此时，以抛物镜171的情况作为实例对冷却机构和除尘机构进行了说明。另外，根据需要可对平面镜169设置这些机构。

下面将基于实施例进一步描述本发明。但本发明并不限于如下实施例。

(实施例)

在实施例中，采用图2中所示的纳米碳制造装置126和图8、图9、图10中所示的纳米碳制造装置，通过激光烧蚀方法制造碳纳米突集合体117。但图8和图9分别是在图4所示纳米碳制造装置173和图5所示纳米碳制造装置175中与纳米碳制造装置126同样从制造室107侧面入射激光束103的结构。图10的纳米碳制造装置的结构类似于图2的纳米碳制造装置126，其与纳米碳制造装置126的不同之处在于，图10的纳米碳制造装置不具有罩167。

将直径100mm的棒状烧结碳用作固态碳物质。将所述棒状烧结碳置于真空室内。将所述室减压排气直至10^-2Pa，引入Ar气使得气压为1.01325×10⁵Pa。然后于室温以高输出CO₂激光束照射固态碳物质。将激光输出设定为100W，固态碳物质表面上的功率密度设定为22kW/cm²。脉冲宽度设定为1秒，休止宽度设定为250毫秒。当固态碳物质以6rpm旋转时，以激光束对固态碳物质表面进行照射，使得照射角设定为45°。进行激光束照射，直至ZnSe窗破损，测量各装置中使ZnSe窗破损所需的时间。

另外，在采用图10装置和图8的纳米碳制造装置173的情况下，研究了制造时间和碳纳米突集合体117收率之间的关系。

图11是表示各装置中ZnSe窗破损时间的图。参照图11，“ZnSe”是图10装置的实验结果。“ZnSe+防纳米碳附着粒(corn)”、“抛物面镜”和“抛物面镜+防纳米碳附着粒”分别表示图2、图8和图9所示的纳米碳制造装置的实验结果。

从图11可看出，在用ZnSe平凸透镜131将光束聚焦的装置结构中，可清楚看到通过设置罩167增加了ZnSe窗133的耐久时间。可清楚看到，通过用抛物面镜171将光束聚焦的结构显著增加了ZnSe窗133的耐久时间，并且通过进一步设置罩167而增加了ZnSe窗133的耐久时间。

从该结果可证实，通过用抛物面镜171将激光束103反射并聚焦之后以所述激光束103照射石墨棒101表面的结构，可以延长装置的寿命。

图12表示图11中“ZnSe”和“抛物面镜”的装置，即图10和图8装置中，制造时间和碳纳米突集合体117收率之间的关系。从图12可看出，在图10装置中，随制造时间的经过，碳纳米突集合体117的收率会下降。相反，在采用图8纳米碳制造装置173的情况下，即使制造时间延长了，但发现碳纳米突集合体117的收率并未下降，收率仍保持恒定。因而可以清楚，通过用平面镜169和抛物面镜171反射激光束103，或者通过用抛物面镜171将激光束103聚焦至石墨棒101表面上，可以高收率稳定制造碳纳米突集合体。

Claims

1. 纳米碳制造装置，其包含：

石墨靶；

容纳所述石墨靶的室；

在所述室的一部分上设置的窗单元；

将光通过所述窗单元照射至所述石墨靶表面上的光源；

将产生自碳蒸气的纳米碳进行回收的回收单元，所述碳蒸气是由所述光照射而从所述石墨靶蒸发的；以及

将透过所述窗的透射光进行反射，从而将所述透射光引导至所述石墨靶的所述表面的反射部件，所述透射光的反射不少于2次。

2. 权利要求1的纳米碳制造装置，其中搬运管141设置在沿烟羽的产生方向上使得烟羽109被覆盖。

3. 权利要求1的纳米碳制造装置，其中所述石墨靶是片状石墨靶，且所述片状石墨靶以平移方式水平移动。

4. 权利要求1的纳米碳制造装置，其进一步包含位于所述反射部件和所述石墨靶之间的遮蔽部件。

5. 权利要求1的纳米碳制造装置，其中所述反射部件具有光聚焦功能。

6. 权利要求1的纳米碳制造装置，其中所述反射部件是抛物面镜。

7. 权利要求1的纳米碳制造装置，包含在保持圆筒形石墨靶的同时使所述石墨靶绕中心轴旋转的靶保持单元。

8. 权利要求1的纳米碳制造装置，其中所述纳米碳是碳纳米突集合体。