CN103569998A - 碳纳米管制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种碳纳米管制备装置，包括：一反应腔，所述反应腔内设置有：至少一个进气管，每个进气管上设有多个进气孔；基片承载盘；至少一个出气管，每个出气管上设有多个出气孔；其中，所述基片承载盘位于所述进气管和所述出气管之间，每个进气管和每个出气管可拆卸的安装在所述反应腔中。通过对传统碳纳米管阵列生长用CVD反应腔中的进气管和出气管进行改进，大大提高反应腔内碳源气体的空间分布均匀性，同时，基片垂直或倾斜地放置在该装置反应腔中的基片承载盘上，使基片在碳纳米管阵列生长过程中与碳源气体充分接触，从而有利于多片碳纳米管阵列的均匀生长。该碳纳米管制备装置对碳纳米管阵列的批量化制备有着重要的促进作用。

Description

碳纳米管制备装置及方法

技术领域

本发明涉及纳米材料制造领域，尤其涉及一种碳纳米管制备装置及方法。

背景技术

碳纳米管阵列材料由具有一定取向的碳纳米管组装而成，被证明具有优异的物理和化学性能。多片碳纳米管阵列制备是通过在反应腔内同时放置多片催化剂基底，充分利用反应腔体的空间，从而提高碳纳米管阵列的产量。然而，碳纳米管阵列的生长过程是一个非常复杂的热催化化学气相沉积过程，其中涉及到碳源气体的流动与扩散等问题。相对于单片碳纳米管阵列生长环境，多片碳纳米管阵列的生长过程中由于各个催化剂基片之间存在相互竞争反应影响，因此碳源气体扩散问题的影响更加明显，最终导致碳纳米管阵列的高度及密度在催化剂基片内以及片间的差距。该过程中反应腔室内放置的催化剂基片数量越多，碳源气体扩散影响越明显。因此，如何解决催化剂基片数量增加与碳源气体扩散影响之间的矛盾是碳纳米管阵列多片生长过程中的关键所在。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳纳米管制备装置及方法，该装置有助于解决多片碳纳米管阵列生长不均匀的问题。 

为实现上述发明目的，本发明提供一种碳纳米管制备装置，其包括：一反应腔，所述反应腔内设置有：

至少一个进气管，每个进气管上设有多个进气孔；

基片承载盘； 

至少一个出气管，每个出气管上设有多个出气孔；

其中，所述基片承载盘位于所述进气管和所述出气管之间，每个进气管和每个出气管可拆卸的安装在所述反应腔中。

作为本发明的进一步改进，所述进气孔和所述出气孔都朝向所述基片承载盘设置。

作为本发明的进一步改进，设于同一进气管上的多个进气孔之间的间隔相同。

作为本发明的进一步改进，所述碳纳米管制备装置还包括加热装置，所述加热装置设置于所述反应腔的外围。

相应地，一种碳纳米管的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

在所述反应腔内安装与待生长碳纳米管阵列的式样相匹配的进气管和出气管中，其中，所述进气管的数量、进气管上设置的进气孔的孔径、进气孔之间的间隔、所述出气管的数量、出气管上设置的出气孔的孔径、出气孔之间的间隔与待生长碳纳米管阵列的式样相匹配；

将基片装载在反应腔内的基片承载盘上；

在每个进气管中通入碳源气体，并加热所述反应腔，以生长碳纳米管阵列。

作为本发明的进一步改进，所述碳源气体为乙烯或乙炔或甲烷以及氢气和惰性气体的混合气体。

作为本发明的进一步改进，“并加热所述反应腔”步骤具体为：将所述反应腔内的温度加热至650°C ~850°C。

作为本发明的进一步改进，所述基片垂直或倾斜地放置在所述基片承载盘上。

作为本发明的进一步改进，所述基片的材质为所述基片的材质为硅或石英片或蓝宝石。

作为本发明的进一步改进，在所述“在每个进气管中通入碳源气体，并加热所述反应腔，以生长碳纳米管阵列”步骤前，还包括：

在所述反应腔内形成真空。

本发明的有益效果是：本发明通过对传统碳纳米管阵列生长用CVD反应腔中的进气管和出气管进行改进，可以大大提高反应腔内碳源气体的空间分布均匀性，同时，基片垂直或倾斜地放置在该装置反应腔中的基片承载盘上，使基片在碳纳米管阵列生长过程中与碳源气体充分并均匀接触，从而有利于多片碳纳米管阵列的均匀生长。该碳纳米管制备装置对碳纳米管阵列的批量化制备有着重要的促进作用。

附图说明

图1是本发明一实施例中碳纳米管制备装置示意图；

图2是本发明一实施例中碳纳米管制备装置中进气管装置示意图；

图3是本发明一实施例中碳纳米管制备装置中出气管装置示意图；

图4是本发明一实施例中碳纳米管制备装置中基片承载盘示意图；

图5是本发明一实施例中碳纳米管制备方法步骤流程图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

本发明的技术解决方案为：一种碳纳米管制备装置。

参图1所示的本发明一具体实施方式，碳纳米管制备装置，利用化学气相沉积法批量制备多片碳纳米管阵列，其包括一反应腔10，该反应腔10选用外径为7inch的石英管，其内部恒温区的长度为25cm。

在反应腔10中设置有至少一个进气管11，基片承载盘12以及至少一个出气管13，每个进气管11可拆卸地靠近反应腔10上壁设置，每个出气管13可拆装地靠近反应腔10的下壁设置，基片承载盘12则位于进气管11和出气管13之间。

进气管11，参图2所示，选用一端开口，另一端封闭的直管石英管，其开口端与碳纳米管制备装置的进气装置（图中未示出）相接，这样设置是缘于进气管11所通的碳源气体带有一定压力，如果其另一端也开口就不能保证进气管上设置的进气孔有着均匀的气流喷洒的状态。在进气管11朝向基片承载盘12的一侧开有多个进气孔111，同一进气管上的多个进气孔111之间的间隔可以根据工艺需求调整进气孔之间的间隔，以达到气源分布均匀性的目的，这些进气孔111正对基片承载盘12，使带有压力的碳源气体从进气孔111进入反应腔10时有效地与基片接触，根据碳纳米管阵列的长势需求，可选用一根或者多根进气管，当选用多根进气管时，多根进气管并排靠近反应腔10上内壁设置。

出气管13，参图3所示，选用一端开口，另一端封闭或者两端都开口的弯管石英管，其开口的一端与碳纳米管制备装置的排气装置（图中未示出）相接，有利于反应产生的废气排出。在出气管13朝向基片承载盘12的一侧开有多个出气孔131，这些出气孔131正对基片承载盘12，有利于反应产生的废气及时排出。根据碳纳米管阵列的长势需求，可选用一根或者多根出气管，当选用多根出气管时，多根出气管并排靠近反应腔10下内壁设置。

当然，本领域技术人员可轻易想到的是，进气管11与出气管13都可以根据需要选用弯管或者直管。进气管11也可以靠近反应腔10下壁设置，则出气管13靠近反应腔10上壁设置。

基片承载盘12，参图4所示，材质为石英，耐高温，参图4所示，基片承载盘12为镂空设计，有利于碳源反应气体在反应腔10内的上下流通，其上设有供基片放置的搁架121，基片20可垂直或倾斜地放置在该搁架121上。

加热装置30（图1），设置在反应腔10的外围，用于对反应腔10的加热，其位置对应于反应腔10内基片承载盘12所在的位置，如此设置能使反应腔10内的温度趋于一致，有利于碳纳米管阵列的均匀生长。

此外，碳纳米管制备装置还包括：隔热装置40和水冷法兰50，其中，隔热装置40的作用是将反应腔10内的热量与外界隔绝，保证反应室内温度场的均匀性，水冷法兰50的作用是保持反应腔10的真空状态的同时通过隔热保证密封圈的温度不至于过高而失去密封作用，保证密封圈在工艺升温过程中密封反应室。

继续参图1所示， 通过碳纳米管制备装置制备多片碳纳米管阵列是利用化学气相沉积法，碳纳米管制备装置包括一反应腔10，该反应腔10内设置恒温区，该恒温区通过隔热装置40以及水冷法兰50与外界隔绝空气和热，反应前将反应腔10内形成真空，恒温区在碳纳米管阵列的生长过程中一直处于碳纳米管阵列生长所需的恒定温度。碳纳米管阵列是在基片20上生长，这里基片20的材质优选硅基或石英片或蓝宝石，该基片20的表面包裹了催化剂层，该催化剂层一般为金属层。进行碳纳米管阵列的制备时，将表面包裹有催化剂层的基片20放置在基片承载盘12的搁架121（图4）上，基片20根据需要可垂直或倾斜放置。制备过程中，基片承载盘12置于反应腔10的恒温区。碳源气体由碳纳米管制备装置的进气装置（图中未示出）输入进气管11，碳源气体输入时带有一定的压力，故进气管11的另一端采用封闭设计才能使进气管11中的带有压力的碳源气体通过进气管11的进气孔111喷洒入反应腔10中，经过镂空的基片承载盘12，碳源气体与基片20充分接触反应生成碳纳米管。加热装置30加热反应腔10至碳纳米管阵列生长所需的温度，在本实施例中优选650°C~850°C，生长时间为20分钟，反应产生的废气通过出气孔131进入出气管13中，出气管13中的废气没有压力的要求，只是排出废气，故出气管的一端与碳纳米管制备装置的排气装置（图中未示出）相接，另一端可以开口也可以封闭。

在此值得一提的是，碳源气流的流动与扩散是影响碳纳米管阵列生长均匀性的重要因素之一，在多片基片20同时生长碳纳米管阵列过程中，各个基片20之间相互影响，通过改变进气方式能保证不同基片20表面具有相同的碳源浓度的供给，使碳纳米管阵列高度或密度在片内以及沿气流方向的片间有较好的均匀性。根据碳纳米管阵列长势的需要，可以增加进气管11和/或出气管13的数量，同时也可以调节进气孔111和出气孔131的孔径和间隔，这里的调节是指更换，即更换带有不同孔径和间隔的气孔的进气管11和出气管13，故在本发明中碳纳米管制备装置的进气管11与出气管13均为可拆卸设计。

在碳纳米管的制备过程中，碳源气体既可以在加热前通入也可以在加热后通入到反应腔10中，这将不会影响到多片碳纳米管阵列的长势。碳源气体为乙烯或乙炔或甲烷以及氢气和惰性气体的混合气体，其中，真正起到碳源作用的是乙烯或乙炔或甲烷，惰性气体是载气，载气优选氩气，氢气是还原气体，可将附着在基片上催化剂还原，乙烯、乙炔或甲烷在高温下分解为碳单元，该碳单元扩散吸附在还原后的催化剂颗粒表面，碳单元达饱和后在析出碳纳米管，载气与反应后的废气通过出气管13排到装置外。

参图5所示，一种碳纳米管的制备方法包括以下步骤：

S1、在所述反应腔内安装与待生长碳纳米管阵列的式样相匹配的进气管和出气管中，其中，所述进气管的数量、进气管上设置的进气孔的孔径、进气孔之间的间隔、所述出气管的数量、出气管上设置的出气孔的孔径、出气孔之间的间隔与待生长碳纳米管阵列的式样相匹配。为了保证不同基片20表面具有相同的碳源浓度的供给，使碳纳米管阵列高度或密度在片内以及沿气流方向的片间有较好的均匀性。根据碳纳米管阵列长势的需要，可以增加进气管11和/或出气管13的数量，同时也可以在反应前安装与待生长碳纳米管阵列的式样相匹配的进气管和出气管，使进气孔111和出气孔131的孔径和间隔与待生长碳纳米管阵列的式样相匹配。在本实施例中，优选地，采用一根进气管11和两根出气管13，两根出气管并排地靠近反应腔10的下壁设置，其间距为5cm左右，其中，进气管11的管径大小为5mm,其进气孔111的孔径统一为0.5mm,间隔距离为3mm；出气管13的管径大小为3cm,其出气孔131的孔径统一为2mm, 间隔距离为1cm。

S2、将基片装载在反应腔内的基片承载盘上。基片承载盘12为镂空设计，有利于碳源反应气体在反应腔10内的上下流通，其上设有供基片放置的搁架121，基片20可垂直或倾斜地放置在该搁架121上。在本实施例中，将8片4inch的基片20垂直放置在基片承载盘12，基片之间的间隔为2cm,然后将基片承载盘12置于反应腔10的恒温区内，抽真空，该恒温区长度为25cm。

S3、在每个进气管中通入碳源气体，并加热所述反应腔，以生长碳纳米管阵列。反应时，碳源气体从进气管11的进气孔111进入反应腔10，垂直向下穿过基片承载盘12到达出气管13，保证每片基片20与碳源气体充分接触，使不同基片20表面具有相同的碳源浓度的供给。将反应腔10内的温度加热至650°C~850°C度生长时间设为20分钟。

相对于传统的碳纳米管生长方式，本发明中的方法适用于多片碳纳米管阵列的批量生长，而且碳纳米管阵列的基片间以及基片内均匀性都得到了明显的改进。将通过此方法生长的碳纳米管阵列进行表征，例如用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、X射线衍射（XRD）以及拉曼光谱均进行表征后，结果均可以表明在8片基片表面均得到了均匀的碳纳米管阵列。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碳纳米管制备装置，其特征在于，所述碳纳米管制备装置包括一反应腔，所述反应腔内设置有：

至少一个进气管，每个进气管上设有多个进气孔；

基片承载盘； 

至少一个出气管，每个出气管上设有多个出气孔；

其中，所述基片承载盘位于所述进气管和所述出气管之间，每个进气管和每个出气管可拆卸的安装在所述反应腔中。

2.根据权利要求1所述的碳纳米管制备装置，其特征在于，所述进气孔和所述出气孔都朝向所述基片承载盘设置。

3.根据权利要求1所述的碳纳米管制备装置，其特征在于，设于同一进气管上的多个进气孔之间的间隔相同。

4.根据权利要求1所述的碳纳米管制备装置，其特征在于，所述碳纳米管制备装置还包括加热装置，所述加热装置设置于所述反应腔的外围。

5.一种碳纳米管的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

在所述反应腔内安装与待生长碳纳米管阵列的式样相匹配的进气管和出气管中，其中，所述进气管的数量、进气管上设置的进气孔的孔径、进气孔之间的间隔、所述出气管的数量、出气管上设置的出气孔的孔径、出气孔之间的间隔与待生长碳纳米管阵列的式样相匹配；

将基片装载在反应腔内的基片承载盘上；

在每个进气管中通入碳源气体，并加热所述反应腔，以生长碳纳米管阵列。

6.根据权利要求5所述的碳纳米管制备方法，其特征在于，所述碳源气体为乙烯或乙炔或甲烷以及氢气和惰性气体的混合气体。

7.根据权利要求5所述的碳纳米管制备方法，其特征在于，“并加热所述反应腔”步骤具体为：将所述反应腔内的温度加热至650°C~850°C。

8.根据权利要求5所述的碳纳米管制备方法，其特征在于，所述基片垂直或倾斜地放置在所述基片承载盘上。

9.根据权利要求5所述的碳纳米管制备方法，其特征在于，所述基片的材质为硅或石英片或蓝宝石。

10.根据权利要求5所述的碳纳米管制备方法，其特征在于，在所述“在每个进气管中通入碳源气体，并加热所述反应腔，以生长碳纳米管阵列”步骤前，还包括：

在所述反应腔内形成真空。

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