CN112020577B - 一种煤基纳米碳多晶配方产品智能绿色制造系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种智能绿色制造系统，用于制造含有纳米碳纤维、纳米碳管、纳米碳洋葱、纳米石墨烯和纳米石墨混合物的煤基纳米碳多晶配方产品。纳米碳多形晶智能绿色制造系统创造性地将煤炭相关天然材料的纳米碳多形晶绿色制造与计算机辅助和互联网辅助自动化制造、协同网络操作、大规模数据库管理、高通量计算、材料基因组工程相结合，客户和内部人员参与的适应性决策，以及物流优化，变为具有分布式硬件和软件的交钥匙生产操作。纳米碳多形晶智能绿色制造系统的安装产生了从纳米碳多形晶衍生的配方产品的即时绿色制造，以最有效和高效地满足客户对复合添加剂、润滑添加剂、涂层和油墨等应用的功能和交付时间要求，复合添加剂能显著提高水泥基、聚合物基和金属基复合材料的性能。本系统可以增加产品价值和减少环境负荷。

Description

一种煤基纳米碳多晶配方产品智能绿色制造系统
技术领域
本发明涉及一种智能绿色制造系统，用于制造含有纳米碳纤维、纳米碳管、纳米碳洋葱、纳米石墨烯和纳米石墨混合物的煤基纳米碳多形晶配方产品。纳米碳多形晶智能绿色制造系统创造性地将煤炭相关的天然材料的纳米碳多形晶绿色制造与计算机辅助和互联网辅助自动化制造、协同网络操作、大规模数据库管理、高通量计算、材料基因组工程相结合，以此支撑系统的客户和系统的内部人员参与业务的适应性决策，物流优化，以及采用分布式硬件和软件的关键生产操作。纳米碳多形晶智能绿色制造系统的安装保障了从纳米碳多形晶衍生的配方产品的准时化绿色制造，以最有效和高效地满足客户对复合添加剂、润滑添加剂、涂层和油墨等应用的功能和极低库存条件下准时交付时间要求。
背景技术
碳是地壳中最丰富的化学元素之一。在地球上，碳原子被完全氧化形成二氧化碳分子，这些分子存在于大气中或溶解在各种水体中。一些二氧化碳分子被许多藻类和植物还原并改造成碳-碳、碳-氢和碳-氧键作为其有机体的主要的分子组成部分。在地球的漫长历史中，一些有机体的残骸被埋藏在土壤下面，由于温度和压力的自然变化导致氧、氢和其他挥发性成分的消耗，慢慢碳化成无定形的碳质固体，俗称煤。然而，非晶形碳在固体碳的同素异形体中并不是最稳定的。在地球上，一些煤源进一步碳化成几乎纯碳，并转化为结晶石墨和金刚石。金刚石、石墨和煤的密度分别为3.5、2.2和1.0-1.6g/cm3，它们的稀有性和价格各不相同。高清晰度珠宝级金刚石约15000美元/克，石墨约2000美元/吨，煤炭约60美元/吨。2017年，全球煤炭储量估计约为1万亿吨，年产量为38亿吨。大部分工业煤耗都是简单烧煤供热和将热能为动力能源,大多数应用都有相当高的环境负荷。因此，具有讽刺意味的是，自然界为生产和储存地球上丰富的煤炭资源付出了高昂的能源成本，而人类却浪费了这些资源，造成了许多环境问题。这些浪费和污染的做法必须用煤炭的绿色高附加值利用来代替。
2017年，约6亿吨煤在900-2000℃下煅烧并进一步碳化成焦炭，焦炭主要用作还原剂和钢铝生产中的碳添加剂。这些焦炭产品是非晶态碳和石墨碳的混合物，其石墨含量与其碳化程度密切相关。当炭化温度超过1600-2000℃时，它们的微观石墨的形成速率通常迅速上升。然而，要获得高质量的石墨晶体，完全石墨化需要3000℃的高碳化温度。通常情况下，焦炭的售价在300-400美元/吨左右,人造石墨售价稍高。近代绿色化学和绿色工程学提倡包括煤炭化工的制造业要遵守减降环境负载[1],高温碳化将煤炼成焦炭和石墨型碳只有薄利增值，但环境负载超高,违背了绿化制造业的转型升级潮流。
除这些含碳固体外，工业上广泛应用的碳纤维和炭黑基本上也跟焦炭同样是石墨碳和非晶碳的混合物,也由含碳的气体/液体在高温下人工碳化或通过电弧反应形成。例如，橡胶的生产，特别是轮胎的生产，便要依赖于稳定的炭黑供应。以每吨1000美元左右的价格计算，炭黑的年消费量约为1千5百万吨和150亿美元。炭黑的供应链目前陷入困境，因为炭黑主要是由煤焦油的不完全燃烧产生的，这一过程对环境污染很大。由于煤焦油的价格约为500美元/吨，生产1吨炭黑需要消耗1.6吨煤焦油，如果考虑到其环境污染的补救成本，目前生产的炭黑确实没有什么价值。总之，橡胶等生产过程对炭黑的依赖，迫切需要在绿色、低成本生产炭黑方面进行切实的创新。
近年来，人们发明了几种新型纳米碳多形晶(NCPs)的制备方法，这些纳米材料具有许多优异的材料性能、新的应用领域和高利润的市场前景。这些新兴的碳纳米晶体(如图1所示)包括碳纳米洋葱[2-3]、富勒烯[4]、碳纳米管[5-6]、碳纳米纤维[7-8]、石墨烯[9]和纳米金刚石[10]，它们都可以归类为纳米晶体，因为它们具有衍射特征。从富勒烯和石墨烯的发明者都分别获颁诺贝尔奖，可见这些新兴纳米材料的重要性。此外，碳纳米管材料和石墨烯材料由于其优异的性能得到了广泛的应用。它们目前的市场价格因形态和纯度而异，在每公斤500-10,000美元之间。显然，它们是高附加值的碳固体，但其高昂的价格也会自我限制其消费量和生产量。
为了消除阻碍纳米石墨烯开发与产业应用的高成本壁垒，从煤和焦炭中制备纳米石墨烯的方法应运而生[US9,919,927；US2017/0096600A1；CN105339301A；CN107431211A；US2018/0155201A1,US2018/0019072A1,US2018/0019071A1,US2018/0019069A1,US2018/0016149A1,US2017/0370009A1,US2017/0369320A1,US2017/0096600A1；CN107804840A；CN108359455A；CN106744861A；CN105836739A；CN108455578A；CN106430173A；CN106185890A；CN106542521A；CN107892293A；CN105502364A；CN105819430A；CN103803538A；CN101693533A；CN103803540A；CN11007793.0；参考文献12-26]。最近，本专利申请的发明人也公开了用煤和煤矸石生产纳米碳多形晶混合物的方法[PCT/CN2018/104910；CN201811081694.0]。所有这些发明都集中在材料工程的细节上。尽管最新发明[PCT/CN2018/104910；CN201811081694.0]充分考虑了成本和环境负荷，但这些和所有其他发明均未考虑制造工程、物流工程和分销工程，也未关注智能工业自动化、生产收益管理，质量控制管理、大型数据库工程、互联网连接工程、高速计算机供需建模。其实，在煤炭、焦炭等大宗商品材料的低成本绿色开发中，这些制造内容比材料工程中的细节更复杂、更有价值。
参考文献：
PCT/CN2018/10491020180930刘焕明等
美国专利：
9,919,927 March 20,2018 Tour et al.
9,574,151B2 February 21,2018 Jeseph et al.
5,582,484 December 10,1996 Asa
2018/0155201A1 June 7,2018 Zhang
2018/0019072A1 January 18,2018 Zhamu et al.
2018/0019071A1 January 18,2018 Zhamu et al.
2018/0019069A1 January 18,2018 Zhamu et al.
2018/0016149A1 January 18,2018 Zhamu et al.
2017/0370009A1 December 28,2017 Zhamu et al.
2017/0369320A1 December 28,2017 Zhamu et al.
2017/0096600A1 April 6,2017 Tour et al.中国专利：
CN201811081694.0 2018.09.17 刘焕明等
CN 105339301A 2016.02.17 Tour等
CN 107431211A 2017.12.01 Tour等
CN 107804840A 2018.03.16 敏世雄等
CN 108359455A 2018.08.03 曹晏等
CN 106744861A 2017.05.31 张亚婷等
CN 105836739A 2016.08.10 徐颖等
CN 108455578A 2018.08.28 彭娟等
CN 106430173A 2017.02.22 李新禄等
CN106185890A 2016.12.07 王刚等
CN106542521A 2017.03.29 朱国森等
CN107892293A 2018.04.10 韩笑峰等
CN 105502364A 2016.04.20 张校菠等
CN 105819430A 2016.08.03 陈成锰等
CN 103803538A 2014.05.21 苏言杰等
CN 101693533A 2010.04.14 邱介山等
CN 1546759A 2004.11.17 邱介山等
CN 103803540A 2014.05.21 苏言杰等
CN 11007793.0 2015.12.30 陈庆等
其他参考文献：
1.Anastas and Warner,"Green chemistry:theory and practice",OxfordUniversity Press,1998,p.30.
2.Iijima,"Direct observation of the tetrahedral bonding ingraphitized carbon black by high resolution electron microscopy,JournalofCrystal.Growth 50(1980)675–683.
3.Mykhailiv et al.,"Carbon nano-onions:Unique carbon nanostructureswith fascinating properties and their potential applications",InorganicaChimica Acta 468(2017)49-66.
4.Kroto et al.,"C-60–Buckminsterfullerene",Nature 318(1985)162-163.
5.Iijima,"Helical microtubules ofgraphitic carbon",Nature 354(1991)56-58.
6.Baughman et al.,"Carbon nanotubes-the route toward applications",Science 297(2002)787-792.
7.Endo and Kroto,"Formation ofcarbon nanofibers",Journal ofPhysicalChemistry 96(1992)6941-6944.
8.De Jong and Geus,"Carbon nanofibers:Catalytic synthesis andapplications",Catalysis Reviews–Science &Engineering 42(2000)481-510.
9.Geim and Novoselov,"The rise ofgraphene",Nature Materials 6(2007)183-191.
10.Mochalin,et al.,"The properties and applications of nanodiamonds",Nature Nanotechnology 7(2012)11-23.
11.D.W.van Krevelen,"Coal:Typology-Chemistry-Physics-Constitution",3rd Ed.,Elsevier Scientific,Amsterdam,1993.
12.Tour and coworkers,"Coal as an abundant source of graphene quantumdots",Nature Communications 4(2013)Article#2943.
13.Tour and coworkers,"Boron-and nitrogen-doped graphene quantumdots/graphene hybrid nanoplatelets as efficient electrocatalysts for oxygenreduction"ACS Nano 8(2014)10837-10843.
14.Tour and coworkers,"Bandgap engineering of coal-derived graphenequantum dots",ACS Applied Materials&Interfaces 7(2015)7041-7048.
15.Tour and coworkers,"Intrinsic and extrinsic defects in a family ofcoal-derived graphene quantum dots",Applied Physics Letters 107(2015)Article#212402.
16.Tour and coworkers,"Luminescent polymer composite films containingcoal-derived graphene quantum dots",ACS Applied Materials&Interfaces 7(2015)26063-26068.
17.Dong et al.,"Graphene quantum dots,graphene oxide,carbon quantumdots and graphite nanocrystals in coals",Nanoscale 6(2014)7410-7415.
18.Hu et al.,"Chemically tailoring coal to fluorescent carbon dotswith tuned size and their capacity for Cu(II)detection",Small 10(2014)4926-4933.
19.Pakhira et al.,"Extraction ofpreformed graphene oxide from coal:its clenched fist form entrapping large molecules",RSC Advances 5(2015)89066-89072.
20.Hu et al.,"Facile and green method towards coal-based fluorescentcarbon dots with photocatalytic activity",Applied Surface Science 378(2016)402-407.
21.Zhang et al.,"Construction of hierarchical porous carbonnanosheets from template-assisted assembly of coal-based graphene quantumdots for high performance supercapacitor electrodes",Materials Today Energy 6(2017)36-45.
22.Das et al.,"Promising carbon nanosheet-based supercapacitorelectrode materials from low-grade coals",Microporous and MesoporousMaterials 253(2017)80-90.
23.Das et al."Nanodiamonds produced from low-grade Indian coals",ACSSustainable Chemistry&Engineering 5(2017)9619-9624.
24.Manoj et al.,"Tunable direct band gap photoluminescent organicsemiconducting nanoparticles from lignite",Scientific Reports 7(2017)Article#18012.
25.Manoj et al.,"Facile synthesis ofpreformed mixed nano-carbonstructure from low rank coal",Materials Science-Poland 36(2018)14-20.
26.Xu et al.,"Coal-derived nitrogen,phosphorus and sulfur co-dopedgraphene quantum dots:A promising ion fluorescent probe",Applied SurfaceScience 445(2018)519-526.
27.Marzec,"Towards an understanding of the coal structure:a review",Fuel Process Technolology 77(2002)25-32.
28.Mathews et al."The molecular representations ofcoal–a review",Fuel,96(2012)1-14.
29.Zhou et al."Examination of structural models and bondingcharacteristics of coals",Fuel 184(2016)799-807；references cited therein.
30.Oberlin and Terriere,"Graphitization studies of anthracites byhigh resolution electron microscopy",Carbon 13(1975)367-376.
31.Oberlin and coworkers,"A possible mechanism for nature graphiteformation",International Journal of Coal Geology 1(1982)283-312.
32.Bustin et al."Natural graphitization ofanthracite:experimentalconsiderations",Carbon 33(1995)679-691.
33.Bratek et al."Properties and structure ofdifferent rankanthracites",Fuel 81(2002)97-108.
34.Aso et al,"Evaluation of size of graphene sheet in anthracite by atemperature-program oxidation method",Energy&Fuels 18(2004)1309-1314.
35.Gonzalez et al."Influence of inherent coal mineral matter on thestructural characteristics of graphite materials prepared from anthracites",Energy&Fuels 19(2005)263-269.
36.Nakamura et al."An experimental kinetic study on the structuralevolution of natural carbonaceous material to graphite",American Mineralogist102(2017)135-148.
37.Kumanek et al.,"Multi-layered graphenic structures as the effectof chemical modification of thermally treated anthracite",Fullerenes,Nanotubes and Carbon Nanostructures 26(2018)405-416.
38.Li et al.,"Nanomilling of drugs for bioavailability enhancement:aholistic formulation-process perspectives",Pharmaceutics 8(2016)Article#17,1-35.
Nunez et al.,"Colloidal petcoke-in-water suspensions as fuels forpower generation",Energy&Fuels26(2012)7147-7154.
发明内容
纳米碳多形晶是指基于碳的纳米晶体材料，例如包括碳洋葱[2-3]，富勒烯[4]，碳纳米管[5-6]，碳纳米纤维[7-8]，石墨烯[9]和纳米金刚石[10]。它们具有优异的材料特性，通常被认为是昂贵的人造产品，并具有很高的利润。最近，一些发现改变了这种固有的印象如在廉价的煤中，无烟煤和煤矸石，以及以无烟煤制成的焦炭，发现了高浓度的多种纳米碳多形晶，以及公开了既环保又廉价的方法，可以从煤和焦炭中简单地以湿磨粉碎法来提取这些纳米碳多形晶。本发明揭示了在智能制造中的一套颠覆性概念、方法和相关硬件设施，遵从环保绿色生产守则与法规，以煤炭和焦炭制成纳米碳多形晶及应用：
1.多种纳米碳多形晶天然存在于廉价的煤和炭中，特别是高阶无烟煤，无烟煤和高阶无烟煤的煤矸石，以及来自无烟煤和高阶无烟煤的焦炭。
2.纳米石墨烯类的多形晶仅代表煤和焦炭中的其中一种纳米碳多形晶，但还有许多其他纳米碳多形晶可从煤和焦炭中提取，这包括碳纳米纤维，碳纳米管，碳纳米洋葱和纳米石墨片。
3.从煤和焦炭中提取出纳米碳多形晶的最好方法，不是通过不环保的化学氧化或化学蚀刻方法，而是通过简单的湿磨粉碎法和分散方法。这种物理和绿色的方法既低环境负载又低生产成本。
4.所有现有从煤和焦炭制成纳米石墨烯(石墨烯－量子点)的方法都错误地忽略了除纳米石墨烯之外的煤成分价值。因此，它们通常使用化学试剂和热能将大多数煤成分转化为化学废物和环境污染物。这种错误做法也会增加生产成本。
5.每一种煤中纳米碳多形晶混合物的成分犹如生物基因组，成分取决于其煤化及碳化的准确地质历史，而各种煤中的纳米碳多形晶混合物只能是相似，但不会完全相同。实际上，通过混合勾对不同的纳米碳多形晶混合物，可以利用这种差异性来配制下游工业应用所需的特定纳米碳多形晶混合物配方。要有效使用这种混合方法，需要清楚记录，以理清和识别每种提取出来的纳米碳多形晶混合物，并库存适量不同组分形态和大小分布的纳米碳多形晶混合物。当满足这些条件时，可以勾对下游工业应用特定配方，而无需提取，分离和纯化每种纳米碳多形晶混合物。因此，可以避免这类分离和纯化方法所带来的高昂成本和环境污染。
6.开发纳米碳多形晶混合物的配方并不简单容易，例如假设配方成分包含五种不同形态(纳米碳纤维、纳米碳管、纳米碳洋葱、纳米石墨烯、纳米石墨)，其尺寸分布精度为+/-2％，如考虑每次添加5％成分和重复20次配剂成一个完整配方时，可以推断出有520(100万亿)不同种类的配方。对于任何传统的处理模式方法或简单的反复试验方法来说，要处理如此大数量的数据是不可行的。幸运的是，目前的高通量计算能力，大规模数据管理，互联网及其他数据传输技术，以及用于加速研究和开发的材料基因组工程，已能协同地实现了智能工程和制造，以处理和产生如此大规模的数据。
7.煤和煤矸石价格便宜，但它们的运输成本可能高于材料本身的价格。因此，从煤和焦炭生产的纳米碳多形晶应采用网络管控方法，总部处理业务、管理、研究和开发，并在煤矿附近进行分布式生产操作,纳米碳多形晶配方生产系统以众多分散生产环节有机协同构成。
8.在纳米碳多形晶里的纳米石墨烯通常有1-4原子层，其二维尺寸约为2nm。这种二维尺寸为2nm的单层纳米石墨烯仅存在约150个碳原子，它们都是sp2杂化的碳原子并与周边纳米石墨烯里的sp2碳原子有相对强的范德瓦力。因此，这些纳米碳多形晶倾向于聚集成团簇，从而失去它们纳米尺寸上的优点。原则上，由于这些纳米碳多形晶是非极性，可以用一端是非极性和另一端是极性或离子化的“穿衣分子”来覆盖，以有效地将它们在水性溶剂中分散开。纳米碳多形晶和这些分子之间的强范德瓦力确保有效和稳定地将它们分散。但当在下游工业应用时，这些纳米碳多形晶－穿衣分子分散体必须有效地解开，以便释放出纳米碳多形晶，使它能够与应用中的宿主材料相匹配。要利用分子来覆盖和解开仅有150sp2碳原子的纳米碳多形晶是一个创新的方法，并必须在实现生产之前以科学方法研究清楚，而以高通量计算这些分子和纳米碳多形晶之间的范德瓦力是比较可行的方法。同样地，通过高通量计算，可以方便地研究“脱衣分子”分散纳米碳多形晶，使其在下游应用中与宿主材料相匹配。
总上所述，本发明涉及一套用于生产煤基纳米碳多形晶配方产品的智能绿色制造系统，其中该系统包括中央计算机控制的主站，用于作出可自适应的关键制造决策，其中包括关键数据的生成、分析、存储和分配。该系统还包括几个分布式操作终端，每个分布式操作终端负责执行主站的指令，以确保指定区域内的煤源可生产混合和分散纳米碳多形晶(有登记编号的纳米碳多形晶批次量产)，根据来自主站的特征数据分类及该区域制成的纳米碳多形晶库存，并根据主站所定制的纳米碳多形晶配方进行勾调，以获得所需的形态混合物及每种纳米碳多形晶形态所需的尺寸分布，并运行相关的物流，主站还包括多个具有智能用户界面的分布式操作终端，用于让客户参与定制纳米多形晶配方产品的设计和最小化的交货时间。
附图说明
图1常见的纳米碳多晶型；
图2煤基纳米碳多形晶配方产品典型生产工艺流程图；
图3煤基纳米碳多形晶生产配方产品的智能制造系统框图，带有中央计算机控制的主站，通过关键数据的生成、分析、存储和分发，自适应地作出关键的制造决策，并具有多个分散的操作终端，每个终端分别对应用于制造有登记编号的纳米碳多形晶批次量产，以及生产具有特定纳米碳多型晶配方的定制配方产品；
图4分布式操作终端纳米碳多形晶生产现场及其运行框图；
图5以中国智能制造系统为例，显示煤基纳米碳多形晶智能制造系统的地图，其主站位于广东省佛山市，有两个分布式操作终端，一个位于北京，一个位于河北省邯郸市；
图6显示河北省邯郸市附近无烟煤煤层存在和位置的地图；
图7煤基纳米碳多晶型的高分辨透射电镜显微照片，天然存在于无烟煤中；
图8煤基纳米碳多晶型的高分辨透射电镜显微照片，天然存在于高阶无烟煤中；
图9煤基纳米碳多晶型的高分辨透射电镜显微照片，天然存在于无烟煤矸石中；
图10本发明开发过程中使用的高分辨透射电镜照片，用于定量测量和分析煤基纳米碳多型晶的“类基因组”特性；
图11本发明开发过程中使用的超级计算机的照片。
具体实施方式
煤的形成时间长达2-4亿年，是人类的主要和丰富的自然资源。然而，目前煤的使用仅仅是以燃烧来得到其内的能量，而很少关注煤中的其他内在价值以及燃烧煤所产生的环境负荷。最近，渐渐出现革命性的社会道德变化，以遏制煤炭的滥用和管理不善。理想情况下，当前以燃烧煤炭所生产的能源大部分都应该通过太阳能、水力和风力发电等清洁能源来取代。当这种绿色能源管理变得普遍时，煤便可被保留作为绿色化学工程中更高附加值的碳产品的原材料。为了实现这样的理想，必须开发创新的科学和技术，以阐明煤具有多样性的物理/化学性质，并以绿色手段提取及应用煤当中所有有用的成分。本发明的目的是依照绿色化学和绿色工程的原则来使用及管理地球上的煤炭资源[1]。
因此，必须首先阐明本发明中所述绿色化学和绿色工程的内容。在众所周知的绿色化学和绿色工程的12个原则[1]中，与本发明相关的原则概括如下：
·避免浪费；
·减少依赖化学试剂；
·生产过程中使用到的所有材料都用于最终制成品；
·最大限度地减少使用能源。
本发明采用对煤，特别是煤矸石中的残余煤里的高附加值纳米碳多形晶的湿磨式粉碎绿色方法，是本发明申请人最近公开的方法。简言之，无烟煤、残余的无烟煤及无烟煤中的煤矸石，它们都是自然形成及高度炭化，当中有高浓度的纳米石墨碳自然形成在其中。从煤矸石中精选的无烟煤中取得的纳米碳多形晶产量可以超过50％。虽然在1500-2000℃高温对无烟煤人工碳化的条件下，从无烟煤中取得的纳米石墨碳的产量也可以提高到超过50％以上，但这方法需消耗大量能源，仅可作备用的方法。其中，煤矸石里的无烟煤是首选，因为这种特殊类型的煤是地球上碳化程度最高的煤，并且是自然形成的。最重要的是，煤矸石是一种具有高环境污染风险的固体废物，这完全是由于煤矸石中的残留煤所致。因此，采用物理提取方法从固体废物中回收纳米碳多形晶作为高附加值材料完全符合绿色化学和绿色工程的原则。
为了进一步减少材料的浪费和对化学试剂的依赖，本发明将不同形态和尺寸的纳米碳多形晶混合物勾调，以制成特定形态和尺寸的纳米碳，以取代原有的分离和纯化混合物中每种成分的常规方法。然而，如背景部分所示，当考虑到5种不同的形态类型的纳米碳多形晶，以每次加入50克来制成1公斤的纳米碳多形晶混合物时，会有大约100万亿种不同的配方。因此，这种勾调方法非常复杂，并且目前仍然缺乏能克服这复杂性的实用解决方案。
本发明涉及一种利用煤基纳米碳多形晶生产配方产品的智能制造系统，如图3所示，该系统包括一个中央计算机控制主站，用于通过关键数据生成自适应地为生产、销售和其他业务事项作出关键制造决策，数据分析、数据存储和数据分发，包括数据网络分发。该系统还包括几个分布式操作终端，每个分布式操作终端负责执行主站的指令，以执行生产、销售和其他业务功能。在一些实施例中，分布式操作终端包括以下组合：
·分布式操作终端——纳米碳多形晶生产点，以确保指定区域内的适当煤炭来源，生产与当地煤炭来源混合的纳米碳多形晶分散体，分类并储存当地生产的纳米碳多形晶分散体，以及来自主站的每个纳米碳多形晶分散体的基因组样鉴定数据，以管理当地供应链。
·分布式操作终端——客户中心支持与客户相关的所有业务事项，并收集客户的采购要求和反馈数据。
·分布式操作终端——研发中心，从事产品和生产技术的研究、开发、测试、计算、标准化。
·分布式操作终端——供应链管理中心负责管理与供应链管理相关的所有事宜。
在下面的部分中，给出并解释一些实施例，以进一步说明本发明的技术细节。
在一些实施例中，本发明的系统产生配方产品，每个配方产品包括具有特定形态混合物和每个形态类型的特定尺寸分布的纳米碳多形晶的定制配方，用于工程特定功能应用。
在一些实施例中，本发明的系统制造包括纳米碳纤维、纳米碳管、纳米碳洋葱、纳米石墨烯盘、纳米石墨烯板、纳米石墨片及其组合的煤基纳米多形晶，如图1所示。在一些实施例中，本发明的系统制造基于煤的纳米多形晶，其中所有纳米多形晶均经物理湿粉碎而非化学蚀刻，所述纳米多形晶由无烟煤、高阶无烟煤、无烟煤矸石、高阶无烟煤矸石，从其中每种或其组合中衍生的焦炭以及它们的组合制成，如图2所示。在一些实施例中，本发明的系统制造的煤基纳米多形晶是直径为1nm-50nm的球形、厚度不大于2nm、边缘尺寸不大于100nm的片状、截面尺寸不大于20nm、长度不小于50nm的线状，以及它们的组合。
在一些实施例中，本发明的系统包括具有计算机、超级计算机、计算机网络的主站，以及它们与适当软件的组合，以形成网络物理系统。在一些实施例中，主站通过适当的保密控制连接到多个分布式操作终端。在一些实施例中，主站通过适当的保密控制连接到其他区域主站和其他国际主站。在一些实施例中，主站可以通过硬件和软件的组合自适应地工作，以从环境中收集相关数据，将其转换为用于指导系统的制造操作的模型，并使用从环境中连续输入的动态数据，更新这些模型。在一些实施例中，主站做出包括生产决策、工作分配决策、营销决策、销售决策、其他操作决策、其他业务决策以及它们的组合的关键决策。在一些实施例中，主站通过回顾过去的决策和环境变化的有效性和后果，自适应地学习降低做出错误决策和不完美决策的风险。
在一些实施例中，主站生成并存储关键数据中央知识库，关键数据包括：
·分布式操作终端的标识，Terminali＝Terminali{locationi,coal-typesi,j,pricei,j,reservei,j}，其中每个终端位置生产一种或多种类型的煤，每种类型的煤有具体的价格范围和特定储备。
·终端terminali和特定生产时间Production-Timej生产每批次纳米碳多形晶的特征识别，Genei,j＝Genei,j{terminali,Production-Timej,Morphologyi,j{Morphologyi,,Sizei,j,k},Yieldi,j,k,Impuritesi}；其中Genei,j是生产地点、生产时间、形态混合、每种形态类型的大小分布、每种形态大小类型的产量，以及其他除纳米碳多形晶之外成分信息的基因组函数。
·下游工业应用所需的纳米碳多形晶混合物特定配方的特征，以及除所需纳米碳多形晶之外成分的要求或容差，Demandk,m＝{Locationk,Customerk,Demand-Timem,Morphology-Sizek,m{Morphologyk,m,Sizek,m},Impuritesk,m,Quantityk,m,Pricek,m}；
·影响将基因组p从终端r运输到终端i的物流参数，如果选择终端i作为需求k，m的生产地点，其中需要到基因组i及一些基因組p，但终端i没有任何生产基因p的能力，并要求从终端r调配基因组p，Logisticsk,m{Locationk,Terminali,Terminalr,Transportation-Timei,r,k,Transportation-Pricei,r,k}。
·一组优化系统性能的方法：定量测量和分析每批纳米碳多形晶生产的基因组特性的方法，建立计算模型以预测未来批次中纳米碳多形晶的基因组特性的方法，提高基因组特征预测的准确性的自适应方法，改善纳米碳多形晶生产中纳米碳多形晶分散的方法，改进恢复纳米碳多形晶原态的方法，用于在定制配方产品中将纳米碳多形晶与相关材料配对，以最大化纳米碳多形晶在其下游工业应用中的功能特性，生成最佳纳米碳多形晶配方以匹配定制配方产品中的工程规格的方法，从直接和间接客户收集反馈数据用于预测纳米碳多形晶需求的方法，及以上方法的组合。
在一些实施例中，由主站指导对各分布式操作终端生产的纳米碳多形晶混合物批次中的纳米碳多形晶基因组特征作定量测量及分析。在一些实施例中，由主站指导从各分布式操作终端生产的纳米碳多形晶混合物分散体中取样，对纳米碳多形晶混合物作定量稀释并分散到聚合物结构中，从该稀释的纳米碳多形晶聚合物中切出超薄片，并通过高分辨透射电子显微镜(HRTEM)来定量得出纳米碳多形晶的形态和大小分布的鸟瞰图。将稀释和分散的纳米碳多形晶放置在劈开的云母片或其他原子尺度平坦的衬底上，并使用高分辨原子力显微镜(AFM)定量测量定纳米碳多形晶的厚度。
在一些实施例中，主站包括内部的HRTEM和AFM设备，用于对由各分布式操作终端生产的纳米碳多形晶混合物批次进行纳米碳多形晶基因组的定量测量和分析。在一些实施例中，主站外包所需的HRTEM和AFM的测量，并严格要求HRTEM和AFM服务供应商对数据保密。
在一些实施例中，主站的中央生产知识库包括可用于预测由具有特定运作历史的分布式操作终端生产的纳米碳多形晶混合物的基因组特征的模型。通过一组统计分析软件、包括该指定地区煤源的地质背景，以及该指定煤源中的过去纳米碳多形晶基因组特征的输入数据，以发展并自适应地更新和强化该模型。
在一些实施例中，主站的中央生产知识库包括一种将各分布式操作终端生产的纳米碳多形晶混合物的分散方法。在一些实施例中，主站的中央生产知识库包括一个用于更新和增强将各分布式操作终端生产的纳米碳多形晶混合物分散方法的模型。在一些实施例中，对于每种形态类型的纳米碳多形晶和该特定形态类型的每种尺寸，通过高通量计算表面活性剂分子和纳米碳多形晶之间进行范德瓦力，以建立一个模型，用于更新和强化分散操作终端生产纳米碳多形晶混合物的分散方法。在一些实施例中，主站的中央生产知识库计算多步反应过程中的能垒，其中反应坐标包括：(a)两个纯纳米碳多形晶和几个表面活性剂分子；(b)两个纯纳米碳多形晶之间的范德瓦相互作用，与表面活性剂分子之间的范德瓦相互作用；(c)在两个纳米碳多形晶之间的范德瓦键减弱时，以及在表面活性剂分子之间的范德瓦键也减弱时，在表面活性剂分子和纳米碳多形晶之间开始成键的辅助下的中间态；(d)两个完全被表面活性剂分子覆盖着的纳米碳多形晶。这样，纳米碳多形晶聚集体开始分散，其中通过高通量计算其启动机理。该计算对于如何选择最佳用于纳米碳多形晶分散体的表面活性剂分子起到快速且廉价的作用。
在一些实施例中，对于每种候选表面活性剂分子与每种纳米碳多形晶的组合、每种纳米碳多形晶的形态类型及该特定形态类型的每种尺寸，主站的中央生产知识库进行润湿和分散性能的高通量计算。在一些实施例中，主站的中央生产知识库在多步化学过程中进行能垒的计算，其中反应坐标包括：(a)两个纯纳米碳多形晶和多个溶剂水分子；(b)在有溶剂水分子的情况下，这两个纯纳米碳多形晶之间的范德瓦相互作用；(c)在有溶剂水分子的情况下，人为地拉长两个纳米碳多形晶之间的范德瓦键时的中间状态；(d)在有溶剂水分子的情况下，两个纳米碳多形晶的键完全断开。在这种情况下，溶剂水分子的作用有限，因为纳米碳多形晶是非极性的，而水是极性的。在另一种情况下，通过高通量计算，在被表面活性剂分子饱和的纳米碳多形晶中加入水分子，模拟被饱和的纳米碳多形晶的溶剂化过程。将与没有表面活性剂分子的情况进行比较。该比较将揭示当被表面活性剂分子适当地覆盖时纳米碳多形晶分散的基本机理。分散机理的高通量计算提供了一种快速且低成本的方法，用于加速寻求最佳分散技术，以更有效地制备基于纳米碳多形晶的配方产品。
在一些实施例中，主站的中央生产知识库进行高通量计算以调节在分散的纳米碳多形晶配分产品中表面活性剂分子(“穿衣分子”)与纳米碳多形晶之间的范德瓦力，过程中添加候选恢复纳米碳晶原态的分子(“脱衣分子”)，而该分子是符合下游工业应用规格的。添加“脱衣分子”目的在减弱“穿衣分子”和纳米碳多形晶之间的范德瓦力，使纳米碳多形晶可以吸附在下游工业应用的主体材料表面上。将解开的纳米碳多形晶稳定地吸附到主体上是至关重要的；否则，纳米碳多形晶将不能在主体材料中执行其预期的功能，下游客户将无法通过使用基于纳米碳多形晶生产的配方产品得到效益。在一些实施例中，主站的中央生产知识库在多步化学过程中进行能垒的计算，其中反应坐标包括：(a)纳米碳多形晶和被表面活性剂分子饱和的纳米碳多形晶，其中带有一些溶剂水分子；(b)在纳米碳多形晶与吸附的表面活性剂分子之间的范德瓦键减弱时，及在一些溶剂水分子的辅助下的中间状态；(c)纳米碳多形晶吸附到主体材料上，和解离后被水分子饱和的一些表面活性剂分子。这种情况的计算出的能垒将与添加了“脱衣分子”时的反应坐标时计算出的能垒进行比较。除了这些“脱衣分子”和表面活性剂分子之间的结合力比溶剂水分子和表面活性剂分子之间的结合力更强之外，“脱衣分子”与溶剂水分子的作用类似。因此，同时具有极性和非极性功能团的分子是“脱衣分子”的合适选择。对于每种纳米碳多形晶－表面活性剂－主体材料的组合，将采用材料基因组方法的高通量计算来寻找最合适的“脱衣分子”。
在一些实施例中，主站的中央生产知识库对“未穿衣的”纳米碳多形晶与下游工业应用中的主体材料的配对进行实验测量。
在一些实施例中，对单一形态类型的纳米碳多形晶、具有多种形态和尺寸范围较小的纳米碳多形晶混合物、各种形态类型和不同尺寸范围的纳米碳多形晶，主站的中央生产知识库对这些不同纳米碳多形晶和主体的合适组合的功能特性进行高通量计算。在一些实施例中，对于单一形态类型的纳米碳多形晶、具有多种形态和尺寸范围较小的纳米碳多形晶混合物、各种形态类型和不同尺寸范围的纳米碳多形晶，主站的中央生产知识库对不同的纳米碳多形晶和主体组合的功能特性进行实验测量，当中采用高通量计算方法预先筛选出一些不合适的选择。
在一些实施例中，分布式操作终端包括计算机辅助网络节点，与主站之间设有电信连接，并可通过主站与其他分布式操作终端连接。在一些实施例中，分布式操作终端包括一组生产设施，用于绿色生产煤基纳米碳多形晶。在一些实施例中，这些生产设备包括用于机械粉碎所选的煤、有机物与无机矿物的浮沉分离、将分离出的有机物湿磨粉碎至100nm以下、根据主站的指令将纳米碳多形晶分散体混合到配方产品中的设备。
在一些实施例中，智能制造系统包括一个主站和一个分布式操作终端，主站在中央生产知识库中配备最少的运作数据集，能够启动基本系统运作。在一些实施例中，智能制造系统初期包括一套具有一个主站和一个分布式操作终端的基本系统，其中主站在中央生产知识库中配备最少的运作数据集，但会在适当时候扩展，为基本系统添加分布式操作终端，以及升级中央生产知识库。
在一些实施例中，智能制造系统用于制备具有纳米碳多形晶混合物作为复合添加剂、润滑添加剂、涂料、油墨及其组合的配方产品。在一些实施例中，制造商会在制备和销售具有纳米碳多形晶混合物的配方产品的业务时使用智能制造系统，或者由制造商在制造和消耗具有纳米碳多形晶混合物的配方产品的业务时使用智能制造系统。
作为非限制性说明，以下给出本发明的某些具体实施方案的实例。
例1：
在此实施例中展示出了智能制造系统的配置和操作，以说明本发明的实用性。此示例性的智能制造系统位于中国，正在生产具有基于煤的纳米碳多形晶配方产品。此系统的主站位于广东佛山，此系统有两个分布式操作终端，一个在北京，一个在河北省邯郸市。图5展示了此设施的位置图。
在本例中，选择这些位置是使智能制造系统的运行最具有成本效益。例如，在河北省邯郸市建立了一个分布式作业终端，由于该地点拥有丰富且可靠的无烟煤和超高阶无烟煤(包括无烟煤和超高阶无烟煤的煤矸石)。图6展示了邯郸市附近该煤层的位置图。通过此分布式操作终端，在选定的多个煤矿附近如图6所示，通过粗糙粉末粉碎方法生产约40微米的煤粉末分散体，当中使用的原煤由该煤矿或煤矸石废料场供应。在第一阶段粉碎和分散之后进行第二阶段精细粉碎和分散，生产出纳米碳多形晶混合物，如图4所示。纳米碳多形晶混合物的生产流程图如图2所示。邯郸市分布式操作终端的供应链接口包括存储、包装和运输在内的后端制造过程。分布式操作终端生产的每一批纳米碳多形晶混合物都标有其煤矿产地和生产时间，其提取物被送往北京分布式操作终端进行纳米多形晶基因组检测。
在本例中，北京的分布式操作终端是服务于佛山主站的分布式研发站点。它的主要作用是通过本地高分辨率电子显微镜设备管理机密的纳米碳多形晶基因组测试，以及通过本地超级计算机设备进行机密计算和数据管理。
在本例中，位于佛山的主站负责智能制造系统的自适应决策过程，如图3所示。在本例中，这些自适应过程由超级计算机来协助，与位于北京的设备服务供应商签订合同。超级计算机还用于存储和分析分布式操作终端产生的每种纳米碳多形晶混合物的类基因组特征数据。这些基因组特征数据是通过对每种纳米碳多形晶混合物的定量HRTEM和AFM测量所得。在本例中，主站将这些测量外包给位于北京和天津的可靠服务提供商，具有严格的数据安全性和保密性。煤和煤矸石中天然存在的煤基纳米碳多形晶的HRTEM显微照片如图7-9所示。HRTEM设备的照片如图10所示。
主站为支持智能制造系统运作而进行的高通量计算也在北京的超级计算机上进行。高通量计算包括寻找最佳分散技术、在配方产品中活化纳米碳多形晶分散体和稳定的纳米碳多形晶的最佳技术，使纳米碳多形晶在下游工业应用中有效发挥作用。其中高通量计算还包括根据市场需求，开发新的基于纳米碳多形晶的配方产品。此外，还进行了高通量计算，以优化纳米多形晶的分散过程和随后纳米多形晶表面活性剂分子的“脱衣分子”过程，使纳米多形晶在纳米多形晶配方产品的下游应用中与主体材料相匹配。生成此类数据的超级计算机的照片如图11所示。
图10中显示了一个结构图，用于说明纳米碳多形晶分散体的高通量计算概念，及后续纳米碳多形晶从表面活性剂分子“解开”，以便与下游工业应用中的主体材料配对，生产出基于纳米碳多形晶的配方产品。图11展示了生成这些数据的超级计算机的照片。
无需进一步详细说明，相信本领域技术人员可以使用本文的描述最大程度地利用本发明。这里描述的实施例应被解释为说明性的，而不是以任何方式限制本发明的其余部分。虽然已经示出和描述了实施例子，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和教导的情况下对其进行许多变化和修改。因此，保护范围不受上述说明的限制，而是仅受专利要求的限制，包括专利要求主题的所有等同物。本文引用的所有专利，专利申请和出版物的发明内容在此引入作为参考，只要它们提供与本文所述的那些一致和补充的程序或其他细节，并对其进行了补充。

Claims (26)

1.一套用于生产和销售煤基纳米碳多形晶配方产品的智能绿色制造系统，其特征在于：系统包括：
一个中央计算机控制的主站，通过关键数据生成、数据分析、数据存储和数据分发（包括数据网络分发）自适应地为生产、销售和其他业务事项作出关键制造决策；
几个分布式操作终端，每个分布式操作终端负责执行主站的指令，以执行生产、销售和其他业务功能，其中分布式操作终端包括以下功能单元的组合：
a)分布式操作终端——纳米碳多形晶生产现场，以确保指定区域内的适当煤炭来源，生产与当地煤炭来源混合的纳米碳多形晶分散体，分类并储存当地生产的纳米碳多形晶分散体，以及来自主站的每个纳米碳多形晶分散体的基因组样特征数据，以管理当地供应链；
b)分布式操作终端——客户中心，服务客户相关的所有业务事项，并收集客户的采购要求和反馈数据；
c)分布式操作终端——研发中心，促进产品和生产技术的研究、开发、测试、计算、标准化；
d)分布式操作终端——运输部-供应链管理中心，负责管理与供应链管理相关的所有事宜；
其中主站生成并存储关键数据于中央生产知识库，当中数据包括：
·纳米碳多型晶分布式操作终端的标识，Terminali=Terminali{locationi,coal-typesi,j,pricei,j,reservei,j}，其中每个终端位置生产一种或多种类型的煤，每种类型的煤有具体的价格范围和特定储备；
·终端i和特定生产时间j生产每批次纳米碳多形晶的特征识别，Genei,j=Genei,j{terminali,Production-Timej,Morphologyi,j{Morphologyi,Sizei,j,k},Yieldi,j,k,Impuritesi}；其中Genei,j是生产地点、生产时间、形态混合、每种形态类型的大小分布、每种形态大小类型的产量，以及其他除纳米碳多形晶之外成分信息的基因组函数；
·下游工业应用所需的纳米碳多形晶混合物特定配方的特征，以及除所需纳米碳多形晶之外成分的要求或容差，Demandk,m={Locationk,Customerk,Demand-Timem,Morphology-Sizek,m{Morphologyk,m,Sizek,m},Impuritesk,m,Quantityk,m,Pricek,m}；
·影响将基因组p从终端r运输到终端i的物流参数，如果选择终端i作为需求k，m的生产地点，其中需要到基因组i及一些基因组p，但终端i没有任何生产基因p的能力，并要求从终端r调配基因组p，Logisticsk,m{Locationk,Terminali,Terminalr,Transportation-Timei,r,k,Transportation-Pricei,r,k}；
·一组优化系统性能的方法：定量测量和分析每批纳米碳多形晶生产的基因组特性的方法，建立计算模型用于预测未来批次中纳米碳多形晶的基因组特性的方法，提高基因组特征预测的准确性的自适应方法，改善纳米碳多形晶生产中纳米碳多形晶分散的方法，改进下游应用时恢复纳米碳多形晶原态的脱除分散剂方法，用于在定制配方产品中将纳米碳多形晶与相关材料配对的方法，以最大化纳米碳多形晶在其下游工业应用中的功能特性方法，生成最佳纳米碳多形晶配方以匹配定制配方产品中的工程规格的方法，从直接和间接客户收集反馈数据以预测纳米碳多形晶需求的方法，及以上方法的组合。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：其中所述配方产品包括定制的纳米碳多形晶配方，所述配方具有特定形态混合物和每种形态类型的特定尺寸分布，用于特定功能应用，包括复合添加剂和其他功能添加剂。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：其中所述基于煤的纳米碳多形晶包括纳米碳纤维、纳米碳管、纳米碳洋葱、纳米石墨烯、纳米石墨片及其组合，所有纳米碳多形晶均由物理湿磨粉碎方法——从无烟煤、煤矸石、或它们中的每一种或它们的组合中所衍生的焦炭及其组合制成，而不是通过化学蚀刻方法制成。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：其中包括直径为1-50nm的球状纳米碳多形晶；厚度不大于2nm、边缘尺寸不大于100nm的片状纳米碳多形晶；横截面尺寸不大于20nm、长度不小于50nm的线状纳米碳多形晶及其组合。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：其中所述主站包括计算机、超级计算机、计算机网络及其组合，以及适当的软件支持，以形成网络物理系统。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：其中所述主站与若干分布式操作终端连接，并具有适当的保密性监控。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：其中主站与其他区域主站和其他国际主站连接，并具有适当的保密性控制。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：其中自适应主站包括硬件和软件的组合，用于从环境中收集相关数据，转换成用于指导系统制造操作的模型，并通过持续来自环境的数据输入动态地更新这些模型。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：其中主站的关键决策包括生产决策、工作分配决策、营销决策、销售决策、其他运营决策、其他业务决策及其组合。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：其中定量测量和分析每批纳米碳多形晶生产的基因组特性的方法包括从各分布式操作终端生产的纳米碳多形晶混合物分散体中取样，对纳米碳多形晶混合物作定量稀释并分散到聚合物结构中，从该稀释的纳米碳多形晶聚合物中切出超薄片，并通过高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）来定量得出纳米碳多形晶的形态和大小分布的鸟瞰图；将稀释和分散的纳米碳多形晶放置在云母或其他原子尺度平坦的衬底上，并使用高分辨率原子力显微镜（AFM）定量测量定纳米碳多形晶的厚度。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于：其中所述每批次生产出的纳米碳多形晶的基因组特征测量是用权利要求10系统中的HRTEM和AFM设备所进行的，或者由外包分析服务供应商进行，并将结果输入到权利要求10的系统中。
12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：其中建立计算模型用于预测未来批次中纳米碳多形晶的基因组特性的方法中所述模型包括统计分析软件、该特定地区煤源的地质背景，以及该特定煤源中的过去纳米碳多形晶基因组特征。
13.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：其中改善纳米碳多形晶生产中纳米碳多形晶分散的方法包括对于每种纳米碳多形晶的形态类型和该特定形态类型的每种尺寸，利用高通量计算表面活性剂分子和纳米碳多形晶之间的范德瓦力。
14.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：其中改善纳米碳多形晶生产中纳米碳多形晶分散的方法包括润湿和分散性能的高通量计算，对于每种表面活性剂分子和每种纳米碳多形晶的所有组合、每种纳米碳多形晶的形态类型和该特定形态类型的每种尺寸，通过权利要求1所述的方法筛选和移除一些组合。
15.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：其中改善纳米碳多形晶生产中纳米碳多形晶分散的方法包括纳米碳多形晶分散条件的实验测量。
16.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：其中改进下游应用时恢复纳米碳多形晶原态的脱除分散剂方法包括进行高通量计算以调节在分散开的纳米碳多形晶配分产品中表面活性剂分子与纳米碳多形晶之间的范德瓦力，过程中添加候选恢复纳米碳多形晶原态的分子，而该分子是符合下游工业应用规格的。
17.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：其中用于在定制配方产品中将纳米碳多形晶与相关材料配对的方法包括在下游工业应用中纯纳米碳多形晶与主体材料配对的实验测量。
18.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：其中生成最佳纳米碳多形晶配方以匹配定制配方产品中的工程规格的方法包括对单一形态类型、具有多种形态和尺寸范围较小的纳米碳多形晶混合物、各种形态类型和不同尺寸范围的纳米碳多形晶，通过高通量计算这些不同纳米碳多形晶和主体的合适组合的功能特性。
19.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：其中生成最佳纳米碳多形晶配方以匹配定制配方产品中的工程规格的方法包括对单一形态类型、具有多种形态和尺寸范围较小的纳米碳多形晶混合物、各种形态类型和不同尺寸范围的纳米碳多形晶，通过实验测量这些不同纳米碳多形晶和主体的合适组合的功能特性，包括利用权利要求1所述的方法筛选出一些合适的选择。
20.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：其中分布式操作终端包括计算机辅助网络节点，与主站之间设有电信连接，并可通过主站与其他分布式操作终端连接。
21.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：其中分布式操作终端包括一组生产设备用于绿色生产煤基纳米碳多形晶。
22.根据权利要求21所述的系统，其特征在于：其中所述设备包括用于机械粉碎所选的煤、有机物与无机矿物的浮沉分离、将分离出的有机物湿磨粉碎至100nm以下、根据主站的指令将纳米碳多形晶分散体混合到配方产品中。
23.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：其中系统包括一个主站和一个分布式操作终端，主站在中央生产知识库中配备最少的运作数据集，能足够启动基本系统运作。
24.根据权利要求23所述的系统，其特征在于：其中所述基本系统可以通过添加分布式操作终端来扩展，以及升级中央生产知识库。
25.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：其中所述系统用于制备具有纳米碳多形晶混合物作为复合添加剂、润滑添加剂、涂料、油墨及其组合的配方产品。
26.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：其中制造商会在制备和销售具有纳米碳多形晶混合物的配方产品的业务时使用所述系统，或者由制造商在制备造和消耗具有纳米碳多形晶混合物的配方产品的业务时使用所述系统。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112908431A (zh) * 2021-01-28 2021-06-04 中铁岩锋成都科技有限公司 一种液体硅酸盐无机涂料配方的设计方法
CN115101141B (zh) * 2022-06-24 2022-12-20 湖北远见高新材料有限公司 一种水性工业涂料的配方优化方法及系统

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1265202A1 (en) * 2001-06-04 2002-12-11 Orbis Patents Limited Business-to-business commerce using financial transaction numbers
TWI259341B (en) * 2001-10-01 2006-08-01 Semiconductor Energy Lab Production system and method for a composite product
EP1490822A2 (en) * 2002-02-04 2004-12-29 Ingenuity Systems Inc. Drug discovery methods
CN1746919A (zh) * 2005-10-25 2006-03-15 冶金自动化研究设计院 一种快速消费品市场信息智能分析器
US8175732B2 (en) * 2006-12-22 2012-05-08 Harris Stratex Networks Operating Corporation Manufacturing system and method
CN102456169A (zh) * 2010-10-19 2012-05-16 李东远 基于Web的ERP销售管理装置
CN104835065A (zh) * 2015-05-25 2015-08-12 杨晟志 一种销售管理系统及其销售管理方法
CN109146372A (zh) * 2018-04-26 2019-01-04 宏泰集团（厦门）有限公司 全球智慧制造销售服务体系
CN109133036B (zh) * 2018-09-17 2022-08-23 巧鸾科技有限公司 一种以煤矸石制造纳米碳多形晶混合物产品的绿色方法
CN109553086B (zh) * 2018-10-30 2022-08-23 巧鸾科技有限公司 一种从炭中提取纳米碳多形晶混合物的绿色方法
CN109377100A (zh) * 2018-11-30 2019-02-22 云南经济管理学院 一种模拟供应链管理实验平台
CN109697488A (zh) * 2018-12-21 2019-04-30 深圳市远望谷锐泰科技有限公司 一种面向供应链管理的rfid物联网应用系统与方法
CN109754191A (zh) * 2019-01-15 2019-05-14 深圳市毅景科技有限公司 一种中小企业一站式销售智能供应链管理平台

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