CN1747896A - 纳米碳的制造装置和纳米碳的制造方法 - Google Patents

纳米碳的制造装置和纳米碳的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及纳米碳的稳定大量制造。在制造腔室(107)中，圆筒形石墨棒(101)固定于旋转装置(115)上，并能够以石墨棒(101)的长度方向为轴进行旋转，且能在长度方向上左右移动。石墨棒(101)的侧面被来自激光源(111)的激光束(103)照射。纳米碳收集腔室(119)设置在烟羽(109)的产生方向上，以收集生成的碳纳米突集合体(117)。

Description

纳米碳的制造装置和纳米碳的制造方法
技术领域
本发明涉及纳米碳的制造装置和纳米碳的制造方法。
背景技术
近年来，对纳米碳的工业应用研究颇为盛行。纳米碳是指具有纳米尺度微细结构的碳物质，由碳纳米管和碳纳米突等为代表。
已有报道通过激光蒸发方法(激光烧蚀方法)制造由轧制成圆筒形的石墨薄片制成的碳纳米管，在该方法中，原料碳物质(下文中某些情况下称为石墨靶)在惰性气体氛围中被激光束照射(专利文献1)。在专利文献1中，包含催化剂的碳小球被用作石墨靶，其表面被激光束照射。
另外，碳纳米突也具有管状结构，其中碳纳米管的一端具有圆锥形状。从它的特异性质可以预期在各种技术领域的应用。通常，通过在各个圆锥形部分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形部分从表面上突出成角(horn)的形式，从而形成碳纳米突集合体。
据报道，碳纳米突集合体也用激光蒸发方法制造(专利文献2)。在专利文献2中，圆筒形石墨靶的表面被激光束照射，以此来制造碳纳米突集合体。
专利文献1：日本专利申请公开第2000-313608号公报
专利文献2：日本专利申请公开第2001-64004号公报
发明简述
此处，在把碳纳米突集合体投入实际应用的方面，大量制造的技术发展是一个关键的问题。然而，在碳纳米突集合体的连续、稳定制造方面，上述相关技术中描述的方法还有改进的空间。
鉴于上述情况，本发明的目的是为碳纳米突集合体的稳定大量制造提供制造方法和制造装置。同时，本发明的另一个目的是为纳米碳的稳定大量制造提供制造方法和制造装置。
本发明人在纳米碳的有效大量制造技术方面做了很多研究。本发明是在以上描述的新知识基础上完成的。
根据本发明，提供纳米碳的制造装置，其包含：保持圆筒形石墨靶的靶保持单元；光源，用于光照射石墨靶的圆筒面；移动单元，用于将被靶保持单元保持的石墨靶和光源中的一方相对于另一方移动，以移动圆筒面上的光的照射位置；和收集单元，用于收集从被光照射的石墨靶蒸发的碳蒸气作为纳米碳。
另外，根据本发明，提供纳米碳的制造方法，其中在移动光的照射位置的同时光照射圆筒形石墨靶的圆筒面，并且收集从石墨靶蒸发的碳蒸气作为纳米碳。
在本发明中，光照射是在圆筒形石墨靶的圆筒面上进行的。此处，在激光蒸发方法中，被激光束照射一次的石墨靶的表面变得粗糙。以在圆筒形石墨靶表面照射激光束的情况为例对此进行说明。图3是在采用圆筒形石墨靶的情况下表示其照射方式的图。图3(c)是首次用激光束103照射石墨棒101时，垂直于石墨棒101长度方向的横截面视图，图3(a)是激光束103照射部分的放大图。
如图3(a)和3(c)中所示，由于被激光束103首次照射的侧面是平面，因而在某些确定方向上产生烟羽(plume)109。另一方面，图3(d)是说明图3(c)中用激光束103照射侧面一次或多次之后，再次用激光束103照射的方式的图。图3(b)是激光束103照射部分的放大图。如图3(b)和3(d)所示，石墨棒101的侧面被激光束103照射一次时变得粗糙。当用激光束103再次照射面变粗糙的位置时，激光束103的照射角度和石墨棒101侧面上的光照射面积产生变化，因此在照射位置处产生功率密度的波动，并且在产生烟羽109的方向上也产生扰动。
在本发明中，在移动圆筒面上的照射位置的同时，进行光照射。因此，与在恒定照射位置持续照射激光束的情况相比，可以使照射位置处的功率密度的大小稳定。因此，能够以稳定的方式有效地制造具有期望性质的纳米碳。
另外，在圆筒形石墨靶上，形成圆筒面的侧面通常具有比平坦端面更大的表面积，因此，通过在移动圆筒面上的照射位置的同时进行光照射时，可以确实地提供平滑表面作为新的照射面。因此，能够稳定、大量地制造纳米碳。
此处，在本说明书中，“功率密度”是指实际照射石墨靶表面的光的功率密度，即，石墨靶表面的光照射位置处的功率密度。
根据本发明，提供纳米碳的制造装置，其包含：靶保持单元，保持圆筒形石墨靶并使石墨靶绕中心轴旋转；光源，用于光照射石墨靶的圆筒面；和收集单元，用于收集从被光照射的石墨靶蒸发的碳蒸气作为纳米碳。
另外，根据本发明，提供纳米碳的制造方法，其中在使石墨靶绕中心轴旋转的同时光照射圆筒形石墨靶的圆筒面，并且收集从石墨靶蒸发的碳蒸气作为纳米碳。
在本发明中，在使石墨靶绕中心轴旋转的同时，光照射圆筒面。因此，通过简单的构成就可以连续地变化光照射位置。因此，能够有效地提供新的照射位置，稳定、大量地制造纳米碳。通过使圆筒形石墨靶绕中心轴旋转光照射圆筒面，能够容易地以比光照射石墨靶的端面的情况简单的构成提供新的照射位置。
此处，在本发明中，“中心轴”是指穿过与圆筒形石墨靶的长度方向垂直的横截面中心，并与长度方向水平的轴。另外，例如可使用石墨棒作为圆筒形的石墨靶。此处，“石墨棒”是指形成棒状的石墨靶。只要它具有棒状，至于是空心还是实心则无关紧要。另外，如上所述，被光照射的圆筒形石墨靶的表面优选是圆筒形石墨靶的侧面。在本说明书中，“圆筒形石墨靶的侧面”是指与圆筒体的长度方向平行的曲面，并且这一表面也称为圆筒面。
本发明的纳米碳制造装置可以进一步形成包含使石墨靶相对于光源的相对位置移动的移动单元的结构。
另外，在本发明的纳米碳制造方法中，光照射可以在移动光的照射位置的同时进行。
通过这样，可以更加稳定地获得具有期望性质的纳米碳。
在本发明的纳米碳制造装置中，移动单元可以形成在使石墨靶上的照射位置处的照射角度接近恒定的同时移动光的照射位置的结构。
另外，本发明的纳米碳使用方法可以包含光照射，使得圆筒面上的光照射角度接近恒定。
通过这样，能够更加确实地抑制照射位置处光的功率密度的波动。因此，能够稳定地以高产量制造具有期望性质的纳米碳。
此处，在本说明书中，包含在煤烟状物质中的碳纳米突的比率也称为“碳纳米突的纯度”或“碳纳米突的收率”。
在本发明的纳米碳制造方法中，光照射可以是激光束照射。通过这样，能够更加确实地在石墨靶的表面施加具有期望功率密度的光。因此，能够更稳定地制造纳米碳。
本发明的纳米碳制造装置可以形成其中收集单元包括用于收集收集通过光照射产生的纳米碳的粉末的腔室的结构。
通过这样，能够容易地将收集腔室的尺寸设计为适合纳米碳产生量的尺寸。因此，能够更加确实地收集产生的纳米碳的粉末。另外，通过将产生的纳米碳粉末分离到收集腔室，纳米碳能够抑制施加到石墨靶上的光照射引起的功率密度的波动。
本发明的纳米碳制造装置可以形成包含引导单元的结构，所述的引导单元在通过光照射从光照射位置处产生烟羽的方向上延伸，并且与收集腔室连能，从而将纳米碳引导到收集腔室。通过这样，可以更确实地将通过冷却从烟羽飞出的碳蒸气而产生的纳米碳导入收集腔室、并收集。
在本发明的纳米碳制造方法中，收集纳米碳可以包括收集碳纳米突。
另外，在本发明的纳米碳制造装置中，纳米碳可以是碳纳米突。
另外，在本发明中，碳纳米突可以构成碳纳米突集合体。
通过这样，能够有效地进行碳纳米突集合体的大量合成。在本发明中，构成碳纳米突集合体的碳纳米突可以是单层碳纳米突或者多层碳纳米突。
另外，也可以收集碳纳米管作为纳米碳。
此处，这些结构的任何组合和通过在方法、装置等之间变换本发明的表现而获得的方式也是本发明有效的方式。
如上用图3所描述的，石墨靶的表面被激光束照射一次即变得粗糙。当用激光束103再次照射面粗糙化状态的位置时，激光束103的功率密度产生变化。因此，优选提供石墨靶圆筒面的平滑部分作为激光束103。因此，本发明人着眼于稳定提供平坦表面做了进一步的研究，并且得到以下的发明。
本发明的纳米碳制造方法可以包括收集从石墨靶蒸发的碳蒸气作为纳米碳，并将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，并收集从石墨靶蒸发的碳蒸气作为纳米碳。
另外，本发明的纳米碳制造装置可以包括表面处理单元，用于平滑化被光照射的石墨靶表面。
在本发明中，“平滑化”是指处理过程，与处理前相比相对减少石墨靶表面上的凹凸程度。根据本发明的纳米碳制造方法，尽管石墨靶表面被光照射而变粗糙，但可对其平滑化并再次光照射平滑化的位置。因此，被光照射的石墨靶表面总是保持在平滑状态。因此，石墨靶表面的照射位置处的功率密度保持恒定，从而实现了纳米碳的稳定大量合成。
根据本发明，提供纳米碳的制造方法，其包含：在使石墨靶绕中心轴旋转的同时光照射圆筒形石墨靶的表面，收集从石墨靶蒸发的碳蒸气作为纳米碳，并平滑化被光照射的石墨靶表面；在使石墨靶绕中心轴旋转的同时再次光照射被平滑化的表面，并收集从石墨靶蒸发的碳蒸气作为纳米碳。
另外，根据本发明，提供纳米碳的制造装置，其包含：靶保持单元，保持圆筒形石墨靶并使石墨靶绕中心轴旋转；光源，用于光照射石墨靶的表面；表面处理单元，用于平滑化被光照射的石墨靶表面；和收集单元，用于收集从被光照射的石墨靶蒸发的碳蒸气作为纳米碳。
根据本发明，圆筒形石墨靶绕中心轴旋转，从而使得被光照射变粗糙的侧面被平滑化。然后再次光照射被平滑化的侧面。因此，通过在使圆筒形石墨靶旋转的同时进行光照射和平滑化，能够连续、有效地大量制造纳米碳。
在本发明的纳米碳制造方法中，可以在光照射石墨靶表面的步骤和再次光照射石墨靶表面的步骤中，在移动光的照射位置的同时进行光照射。
另外，本发明的纳米碳制造装置可以进一步包含移动单元，移动石墨靶相对于光源的相对位置。作为移动单元，例如在使圆筒形石墨靶绕中心轴旋转的同时进行光照射的情况下，可以采用移动石墨靶的位置从而在石墨靶的长度方向上移动照射位置的方式。
通过这样，可以更加有效和连续地进行光照射、平滑化和再次光照射，从而实现纳米碳的有效大量制造。
例如，根据本发明，提供纳米碳的制造方法，其包含：将石墨靶置于腔室中，在移动照射位置的同时光照射石墨靶的表面，收集从石墨靶蒸发的碳蒸气作为纳米碳，并平滑化被光照射的石墨靶表面；不将石墨靶从腔室中取出，在移动照射位置的同时再次光照射被平滑化的石墨靶表面，并收集从石墨靶蒸发的碳蒸气作为纳米碳。
在本发明的纳米碳制造方法中，平滑化被光照射的表面可以包括除去石墨靶表面的一部分。
另外，在本发明的纳米碳制造装置中，表面处理单元可以在与光照射位置不同的位置处除去石墨靶表面的一部分。
通过这样，被光照射而变粗糙的石墨靶表面能够更有效地被平滑化。只要石墨靶表面能被平滑化，除去石墨靶表面的一部分的方法并无特别限制；可以举出切削，研磨，抛光等作为例子。
本发明的纳米碳制造装置可以进一步包含碎屑收集单元，用于收集表面处理单元中产生的石墨靶的碎屑。通过这样，能够有效地将切削石墨靶表面产生的切削碎屑与产生的纳米碳分离并收集。
在本发明的纳米碳制造方法中，光照射可以包括用激光束照射。通过这样，可以使光的波长和方向保持恒定，从而能够以良好的精度控制光照射石墨靶表面的条件，因而可以选择性地制造期望的纳米碳。
如上所述，根据本发明，通过在将圆筒形石墨靶和光源中的一方相对于另一方移动的同时光照射石墨靶的圆筒面，可以稳定地大量制造纳米碳。另外，根据本发明，可以稳定地大量制造碳纳米突集合体。
附图简述
从下文描述的优选实施方案及与其相关的下列附图，可以更加清楚地了解上述目的和其他目的、特征及优点。
图1是表示本发明的纳米碳制造装置的结构的一例的图。
图2是用于说明图1的纳米碳制造装置的结构的图。
图3是用于说明固体碳元素物质的激光束照射位置的图。
图4是表示本发明的纳米碳制造装置的结构的一例的图。
图5是表示本发明的纳米碳制造装置的结构的一例的图。
图6是说明图5的纳米碳制造装置中石墨靶上的激光束照射位置的图。
发明详述
下文将以纳米碳为碳纳米突集合体的情况作为实例，描述根据本发明的纳米碳制造装置和制造方法的优选实施方案。
(第一实施方案)
图5是表示根据本实施方案的纳米碳制造装置183的结构的图。此处，在本说明书中，图5和用来描述其他制造装置的图是示意图，因此每个构成部件的尺寸不一定符合实际的尺寸比例。
图5的纳米碳制造装置347包含制造腔室107，纳米碳收集腔室119，输送管141，激光源111，透镜123，激光束窗113和旋转装置115。更进一步地，纳米碳制造装置347包含惰性气体供给单元127，流量计129，真空泵143和压力表145。
从激光源111发出的激光束103被透镜123聚集，并通过激光源111施加到制造腔室107中的石墨棒101上。采用石墨棒101作为固体碳元素物质，充当激光束103照射的靶。
将激光束103施加到石墨棒101的圆筒面上，以使照射角度保持恒定。将用图6来解释这种方式。图6例示了用激光束103以45°的照射角度照射石墨棒101的圆筒面的情况。如图6中所示，激光束103在垂直于石墨棒101纵轴的方向上入射到圆筒面上。另外，照射位置处的照射角度为45°。
通过在保持激光束103的照射角度恒定的同时以预定速度使石墨棒101绕其中心轴旋转，可以在圆周方向上以恒定的功率密度将激光束103连续地施加到石墨棒101的侧面上。另外，通过使石墨棒101在其长度方向上滑动，可以在石墨棒101的长度方向上以恒定的功率密度连续地施加激光束103。
另外，当石墨靶表面被激光束103照射时，照射位置处在石墨棒101表面的法线方向上产生烟羽109。然后，从烟羽109飞出的碳蒸气被冷却成为纳米碳。当激光束103与被激光束103照射的位置处被照射面的法线之间形成的角度小时，产生的烟羽109返回到激光束103一侧，这样就导致所谓的激光束103的反射。
此时，例如当石墨棒101的端面被激光束103照射而在端面产生烟羽109时，产生的状态是生成的碳纳米突集合体117飘浮在来自照射面的激光束103的光学路径的附近。因此，当施加激光束103时，激光束103可以穿过生成的碳纳米突集合体117。这可能会破坏碳纳米突集合体117的结构。
另外，当碳纳米突集合体117吸收激光束103，激光束103就会被削弱。然后，被照射面上的功率密度降低。因此，产生反光是导致碳纳米突集合体117的收率下降的原因之一。另外，当反光返回到激光束103一侧，收集烟羽109的效率也会降低。
另外，当产生反光时，反光会返回到光学元件一侧如激光束窗113或透镜123。通过这种结构，煤烟状物质趋向于附着到光学元件上。当煤烟状物质附着到光学元件上时，激光束103被吸收，导致施加到石墨靶上的能量密度发生变化。另外，除去煤烟状物质的维护所需的时间增加。因此，这也是制造效率和其收率下降的原因之一。
在本实施方案中，为了通过抑制反光的产生稳定地制造高纯度的碳纳米突集合体117，优选在使石墨棒101绕中心轴旋转的同时，将照射角度设定为30°以上及60°以下。此处，在本说明书中，照射角度是指与垂直于被激光束103照射的位置处石墨靶表面的线与激光束103之间形成的角度。当采用圆筒形石墨靶时，照射角度是水平面与连接照射位置和与石墨棒101的长度方向垂直的横截面中圆的中心的线段之间形成的角度，如图2，图3(c)和图3(d)所示。
通过将该照射角度设定为30°以上，可以抑制由所施加的激光束103的反射所产生的反光。另外，防止产生的烟羽109穿过激光束窗113直接击中透镜123。因此，这样可以有效地保护透镜123并防止碳纳米突集合体117附着到激光束窗113上。因此，可以稳定化施加到石墨棒101上的光的功率密度，并且可以稳定地以高收率制造碳纳米突集合体117。
另外，通过以60°以下施加激光束103，可以抑制无定形碳的产生，并且可以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。更进一步地，特别优选的是照射角度为45°。通过以45°照射，可以将产物中碳纳米突集合体117的比率提高到更高的程度。
另外，由于纳米碳制造装置347的结构是石墨棒101的侧面被激光束103照射，因此在透镜123的位置固定的状态下改变侧面的照射角度，可以容易地进行改变。因此，可以使功率密度可变，并被确实地调节。例如，在透镜123的位置固定的情况下，如果将照射角度设定为如30°，可以提高功率密度。另外，通过将照射角度设定为60°，可以控制功率密度为低。
旋转装115保持石墨棒101并使其绕中心轴旋转。例如，石墨棒101可以在远离激光束103和烟羽109的方向上被旋转。通过这样，能更加确实地抑制反光的产生。另外，在稳定地提供供激光束103照射的新的照射面的同时，可以确实地收集碳纳米突集合体117。通过固定到旋转装置115上，可以使石墨棒101绕中心轴旋转。另外，可以作成石墨棒101在例如沿中心轴的方向上可以位置移动的结构。
另外，如上用图3所示，石墨棒101的表面被激光束103照射一次即变得粗糙。在上述专利文献1中，碳小球的表面被激光照射。然而，因为它没有用来相对移动碳小球和激光束照射位置的机械装置，因此在恒定的位置持续照射激光。因此，当照射连续进行时，小球的表面变得粗糙，导致功率密度的波动。
另一方面，在纳米碳制造装置347中，通过用石墨棒101绕中心轴旋转并在轴向移动的简单的装置结构可以连续提供平滑表面。因此，纳米碳制造装置347能够连续制造纳米碳，并能适用于大量制造。另外，能够获得高纯度的碳纳米突集合体117。
另外，一般而言，石墨棒101的侧面比端面有更大的非表面面积。因此，仅仅通过旋转石墨棒101并将其在纵向上水平地移动，可以容易地准备适合照射的新表面。因此，能够在简化装置的结构的同时制造具有极好产品性质的碳纳米突集合体117。
另外，因为石墨棒101可以绕中心轴旋转并在纵向上移动，所以可以在通过调节旋转和移动的条件移动照射位置的同时施加激光束103。因此，可以容易地调节激光束103照射的条件。
制造腔室107和纳米碳收集腔室119通过输送管141相连。石墨棒101的侧面被来自激光源111的激光束103照射；纳米碳收集腔室119经由输送管141设置在此时的烟羽109的产生方向上；并且生成的碳纳米突集合体117被收集到纳米碳收集腔室119。
在被激光束103照射的位置处，在垂直于石墨棒101的切线的方向上产生烟羽109。因此，当在该方向上设置输送管141时，可以有效地将碳蒸气导入纳米碳收集腔室119以收集碳纳米突集合体117的粉末。例如：当照射角度为45°时，输送管141可以设置在与烟羽线成45°角的方向上。
纳米碳制造装置347具有的结构是：在石墨棒101在圆周方向被旋转的同时石墨棒101的侧面被激光束103照射。施加激光束103的位置关系为：激光束103的方向与产生烟羽109的方向不一致。通过这样，可以提前预测在石墨棒101的侧面产生烟羽109的角度，因此，可以精确地控制输送管141的位置和角度。因此，能够有效地制造并确实地收集碳纳米突集合体117。
接下来，将使用图5的纳米碳制造装置347具体说明制造碳纳米突集合体117的方法。
在纳米碳制造装置347中，使用高纯石墨作为石墨棒101，例如使用圆棒形状的烧结碳或者压缩成形碳。
另外，使用例如高输出功率CO2气体激光束的激光束作为激光束103。此处，激光束窗113和透镜123的材料依据所用激光束103的种类来合适地选择。例如，当使用CO2气体激光束时，激光束窗113和透镜123的材料可以是ZnSe。
用激光束103照射石墨棒101是在反应惰性气体氛围下、在例如103Pa以上及105Pa以下的氛围下进行的，所述惰性气体例如Ar，He等稀有气体。另外，优选提前将制造腔室107内的气体排出以将压力降低到例如10-2Pa以下，在此之后使之成为惰性气体气氛。
另外，优选调节激光束103的输出功率，光点直径和照射角度，以使石墨棒101侧面上激光束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的输出功率设定为例如1kW以上及50kW以下。另外，激光束103的脉冲宽度设定为例如0.02sec以上，优选0.5sec以上，更优选0.75sec以上。通过这样，能够充分地保证施加到石墨棒101表面的激光束103的积累能量。因此，可以有效地制造碳纳米突集合体117。另外，激光束103的脉冲宽度设定为例如1.5sec以下，优选1.25sec以下。通过这样，可以抑制由石墨棒101表面的过热引起的表面能量密度的波动，抑制碳纳米突集合体的产量降低。激光束103的脉冲宽度更优选地设定为0.75sec以上及1sec以下。通过这样，可以提高碳纳米突集合体117的生成比例和产量。
另外，激光束103照射的休止宽度可以设定为例如0.1sec以上，优选设定为0.25sec以上。通过这样，可以更确实地抑制石墨棒101表面的过热。
另外，在照射时，石墨棒101侧面上的激光束103的光点直径可以设定为例如0.5mm以上及5mm以下。
在激光束103照射时，石墨棒101通过旋转装置115在圆周方向上以恒定速率旋转。旋转数设定为例如1rpm以上及20rpm以下。
另外，移动激光束103光点的速度(圆周速度)优选为例如0.01mm/sec以上及55mm/sec以下。例如在将激光束103施加到直径为100mm的石墨靶表面的情况下，上述圆周速度可以这样来实现，即通过使用旋转装置115在圆周方向上以恒定速率旋转直径为100mm的石墨棒101，并设定旋转数为例如0.01rpm以上及10rpm以下。此处，石墨棒101的旋转方向并无特殊限制；优选在远离激光束103的方向上旋转石墨棒101。通过这样，可以将碳纳米突集合体117的粉末导入纳米碳收集腔室119并更加确实地收集。
被收集到纳米碳收集腔室119的煤烟状物质主要包含碳纳米突集合体117，并且作为例如包含90wt％以上的碳纳米突集合体117的物质被收集。
(第二实施方案)
在第一实施方案中，可以在平滑化石墨棒101的圆筒面的同时进行光照射。图4是表示本实施方案的纳米碳制造装置结构的一例的图。图4的纳米碳制造装置333的基本结构与第一实施方案的纳米碳制造装置347(图5)类似；然而，其不同之处在于提供切削工具105和切削石墨收集腔室121。
另外在本实施方案中，石墨棒101固定在旋转装置115上，并且可以绕作为轴的中心轴旋转。石墨棒101还可以位置移动。
此处，由于石墨棒101通过旋转装置115被旋转，因此使被激光束103照射的区域导向切削工具105与石墨棒101接触的位置，并且在该位置处被切削从而使侧面平滑化。由切削工具105产生的石墨棒101的切削碎屑被收集到切削石墨收集腔室121，并与产生的碳纳米突集合体117分离。
在纳米碳制造装置333中，激光源111和切削工具105的位置是固定的。由于石墨棒101绕其中心轴旋转，因此被激光束103照射的位置快速移动到与切削工具105接触的位置，并且被切削工具105平滑化。此时，石墨棒101在其纵向上移动从而改变被激光束103照射的位置。被切削工具105切削的位置也随着照射位置的改变而改变。
这种方式如图2所示。图2是说明图4的纳米碳制造装置333中激光束103，切削工具105和石墨棒101之间关系的图。如图2所示，施加激光束103以使由水平面与连接照射位置和与石墨棒101的长度方向垂直的横截面的中心的线段之间形成的角度，即本实施方案中的照射角度保持恒定。通过在保持激光束103的照射角度恒定的同时在其长度方向上滑动石墨棒101，可以在石墨棒101的长度方向上以恒定功率密度连续地施加激光束103。
另外，如用图3所示，照射激光束103一次，石墨棒101的侧面即变粗糙。当表面变粗糙的位置再次被激光束103照射时，在照射位置产生功率密度的波动，并且在产生烟羽109的方向上也产生扰动。这样，当曾经被激光束103照射的表面再次被激光束103照射时，照射位置处的功率密度不能保持恒定，因而导致碳纳米突集合体117收率的下降。
因此，在纳米碳制造装置333中，切削工具105设置在石墨棒101下部，如图2所示。当切削工具105设置在被激光束103照射的位置的下方时，被激光束103照射的石墨棒101的侧面可以依次地旋转从而移动切削工具105切削的位置以进行切削，使得照射位置可以连续地被平滑化。因此，被激光束103照射的表面总是平滑表面。通过这样，即使不进行将石墨棒101从制造腔室107中取出而进行平滑化处理，激光束103照射位置的功率密度也能保持恒定。因此，可以在保持石墨棒101放置在制造腔室107中的同时连续地施加激光束103，由此可以有效地大量制造碳纳米突集合体117。
另外，如图2所示，当施加激光束103时，在上方产生烟羽109，从而向上产生碳纳米突集合体117。因此，当切削工具105设置在石墨棒101下部时，可以有效地将生成的碳纳米突集合体117与石墨棒101的切削粉末分离，其中石墨棒101是被切削工具105切削的原材料。
此处，如图2所示，切削工具105设置的位置优选为等于激光束103在石墨棒101移动的方向上的照射位置，或者在此位置稍后一点的位置。通过这样，可以确实地防止石墨棒101的侧面在被激光束103照射之前就被切削的缺陷。
如上所述，在纳米碳制造装置333中，圆筒形石墨棒101的侧面上被激光束103照射的位置连续地改变，并且照射位置被旋转而被切削工具105平滑化，从而能够连续地制造碳纳米突集合体117。另外，由于作为石墨靶的石墨棒101能够重复地受激光束103照射，故可以有效地使用石墨棒101。
设置在石墨棒101下部的切削工具105并无特殊限制，只要它具有能够将石墨棒101的侧面平滑化的结构即可，从而可以使用不同形状和性质的石墨棒101。另外，尽管在图1的制造装置中使用了切削工具105，但也可以各种切削部件替代它使用，所述的切削部分例如诸如锉刀的研磨部件或者是抛光部件。例如，可以使用上表面带有抛光纸(砂纸)的辊。此时，可以使用这样一种结构，即带有抛光纸的辊的上表面例如绕垂直于该表面的中心轴旋转，从而平滑化石墨棒101的圆筒面。另外，切削石墨收集腔室121的位置并无特殊限制，只要它是能够将切削工具105产生的切削粉末与碳纳米突集合体117分离并收集的位置即可。
纳米碳制造装置333的装置具有的结构是：通过激光束103照射获得的煤烟状物质被收集到纳米碳收集腔室119；然而，煤烟状物质可通过堆积于合适基底上或者通过采用集尘袋的微粒收集方法而得以收集。另外，可使惰性气体在反应容器内通过，从而煤烟状物质可以通过惰性气流的使用而被收集。
通过使用纳米碳制造装置333的装置获得的煤烟状物质主要包含碳纳米突集合体117，并且作为例如包含90wt％以上的碳纳米突集合体117的物质被收集。另外，在被激光束103照射一次之后，表面被切削工具105平滑化，然后再次进行照射。因此，即使当石墨棒101侧面上的预定位置被照射多次，也可以高收率地制造碳纳米突集合体117。
图1是表示根据本实施方案的纳米碳制造装置的结构的另一例的图。图1的纳米碳制造装置的基本结构与图4的装置相同；但石墨棒101与激光束103的位置关系以及输送管141的放置方向是不同的。在图1中，比石墨棒101侧面顶部稍低的位置被激光束103照射，并且在照射面的法线方向上产生烟羽109。在图1的装置中，纳米碳收集腔室119设置在产生烟羽109方向的基本正上方的方向上，从而将碳纳米突集合体117收集到纳米碳收集腔室119。此处，虽然在图1中未示出，此装置也包括惰性气体供给单元127，流量计129，真空泵143和压力表145。
另外在图1的装置中，在旋转石墨棒101的同时石墨棒101的侧面被激光束103照射。在图1中，比石墨棒101侧面顶部稍低的位置被激光束103照射，并且在照射面的法线方向上产生烟羽109。因此，可以有效地制造碳纳米突集合体117。
另外，被激光束103照射一次之后，表面被切削工具105平滑化，然后再次进行照射。因此，即使当石墨棒101侧面上的预定位置被照射多次，也可以稳定地以高收率制造碳纳米突集合体117。
通过使用根据上述实施方式的纳米碳制造装置，被激光束103照射的石墨棒101的侧面可以被平滑化，并再次被激光束103照射，这样可以稳定大量地制造，在碳纳米管的制造中也一样。
此处，构成碳纳米突集合体117的碳纳米突的形状、直径大小、长度、顶端部的形状、碳分子或碳纳米突之间的间距等可以通过激光束103照射的条件等以各种方式控制。
如上所示，基于实施方案说明了本发明。这些实施方案只是举例，本领域的技术人员应能理解可对其作各种改进，并且这些改进也在本
发明的范围之内。
例如，以上的说明是以制造碳纳米突集合体作为纳米碳的情况为例进行的；然而根据以上实施方案使用制造装置制造的纳米碳不限于碳纳米突集合体。
例如，用图1的制造装置也可以制造碳纳米管。在制造碳纳米管的情况下，优选调节激光束103的输出功率、光点直径和照射角度，以使石墨棒101侧面上的激光束103的功率密度接近恒定，例如为50±10kW/cm2。
另外，将例如0.0001wt％以上及5wt％以下的催化剂金属加入到石墨棒101中。作为金属催化剂，例如，可以使用如Ni或Co的金属。
(实施例)
在本实施例中，用图5所示的装置制造碳纳米突集合体117。直径为100mm且长度为250mm的圆棒状的烧结碳用作石墨棒101，将它固定于制造腔室107中的旋转装置115上。排出制造腔室107中的气体以将压力减小至10-3Pa，在此之后导入Ar气，达到气压为105Pa，接着，在室温下将石墨棒101以旋转数为6rpm旋转，并且在将其以0.3mm/sec水平移动的同时其侧面被激光束103照射。
高输出功率CO2激光束被用作激光束103，并进行输出功率为3～5kW、波长为10.6μm、脉冲宽度为5sec的连续振动。另外，水平面与连接照射位置和与石墨棒101的长度方向垂直的横截面中圆的中心的线段之间形成的角度即照射角度被设定为45°，石墨棒101侧面上的功率密度被设定为20kW/cm2±10kW/cm2。
所得的煤烟状物质用TEM观察。另外，通过Raman光谱法，比较在1350cm-1和1590cm-1处的强度，以计算碳纳米突集合体117收率。
所得的煤烟状物质用透射电子显微镜(TEM)观察，结果表明主要生成了碳纳米突集合体117，并且其粒径在80nm至120nm的范围内。另外，通过Raman光谱法来测定在所得全部煤烟状物质中碳纳米突集合体117的收率，结果为90％以上的高收率。
在此实施例中，通过在将被激光束103照射的石墨棒101绕中心轴旋转的同时用激光束103再次照射石墨棒101的侧面，以高收率获得碳纳米突集合体117。另外，明确的是，此方法是适合大量制造碳纳米突集合体的连续方法。

Claims (13)

1.纳米碳制造装置，其包含：
靶保持单元，保持圆筒形石墨靶；
光源，用于光照射所述石墨靶的圆筒面；
移动单元，用于将被所述靶保持单元保持的所述石墨靶和光源中的一方相对于另一方移动，以移动所述光在所述圆筒面上的照射位置；和
收集单元，用于收集从被所述光照射的所述石墨靶蒸发的碳蒸气作为纳米碳。
2.纳米碳制造装置，其包含：
靶保持单元，保持圆筒形石墨靶并使所述石墨靶绕中心轴旋转；
光源，用于光照射所述石墨靶的圆筒面；和
收集单元，用于收集从被所述光照射的所述石墨靶蒸发的碳蒸气作为纳米碳。
3.根据权利要求2的纳米碳制造装置，进一步包含移动单元，所述移动单元移动所述石墨靶相对于所述光源的相对位置。
4.根据权利要求1至3任一项的纳米碳制造装置，其中所述移动单元形成在使所述石墨靶上的所述光照射位置处所述光的照射角度接近恒定的同时移动所述光的照射位置的结构。
5.根据权利要求1至4任一项的纳米碳制造装置，其中所述收集单元包括收集腔室，所述收集腔室收集通过所述光照射产生的所述纳米碳的粉末。
6.根据权利要求5的纳米碳制造装置，其包含引导单元，所述引导单元在通过所述光照射从所述光的照射位置处产生烟羽的方向上延伸，并与所述收集腔室连通，从而将所述纳米碳引导至所述收集腔室。
7.根据权利要求1至6任一项的纳米碳制造装置，其中所述纳米碳是碳纳米突集合体。
8.纳米碳的制造方法，其中在移动光的照射位置的同时光照射圆筒形石墨靶的圆筒面，并收集从所述石墨靶蒸发的碳蒸气作为纳米碳。
9.纳米碳的制造方法，其中在使所述石墨靶绕中心轴旋转的同时光照射圆筒形石墨靶的圆筒面，并收集从所述石墨靶蒸发的碳蒸气作为纳米碳。
10.根据权利要求9的纳米碳制造方法，其中在移动光的照射位置的同时进行光照射。
11.根据权利要求8至10任一项的纳米碳制造方法，其包括照射所述光，以使所述圆筒面上所述光的照射角度接近恒定的步骤。
12.根据权利要求8至11任一项的纳米碳制造方法，其中所述光照射是激光束照射。
13.根据权利要求8至12任一项的纳米碳制造方法，其中收集碳纳米突集合体作为所述纳米碳。
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