CN212492880U - 一种连续可控制备单壁碳纳米管电弧放电设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种连续可控制备单壁碳纳米管电弧放电设备，包括腔室，与所述腔室连通的真空泵，转动设置在所述真空泵上部、且一段插入所述腔室内的阳极棒自动传送装置，设置在所述腔室内部的磁场诱导装置，设置在所述腔室下部的粉体收集装置，以及转动设置在所述腔室内的石墨阴极阵列旋转装置。通过在阴阳电极间施加一定电压，引起电弧放电，通过步进电机将阳极棒持续推进，与石墨阴极保持相对稳定的电极间隙。利用磁场诱导装置产生垂直于电流方向的磁场，并通过旋转机构控制磁场旋转的方向，从而实现电弧等离子体喷射方向和单壁碳纳米管直径分布的调控，从而实现半自动单壁碳纳米管生产。
Description
技术领域
本实用新型涉及碳纳米管制造技术领域，具体涉及一种连续可控制备单壁碳纳米管电弧放电设备。
背景技术
碳纳米管(Carbon nanotube；CNT)由于其具有优良的机械性能和可调制的电学性能，使得碳纳米管在纳电子器件、场发射技术、生物载药、储氢技术等等诸多领域具有显著的应用潜力。当前，单壁碳纳米管的制造设备通常原理是在充有一定惰性气体或含有活化气体的反应腔室中，在一定的电压下两石墨电极间发生电弧放电，碳原子在一定的温度和催化剂作用下重排形成中空管状产物，即单壁碳纳米管。
但是，目前的电弧放电设备存在单批次产率低、所制备的单壁碳纳米管直径不可控、无法满足批量生产需求，在一定程度上阻碍了单壁碳纳米管以上各领域的广泛应用。
实用新型内容
实用新型目的：提供一种连续可控制备单壁碳纳米管电弧放电设备，以解决现有技术存在的上述问题。
技术方案：一种连续可控制备单壁碳纳米管电弧放电设备，包括腔室，与所述腔室连通的真空泵，转动设置在所述真空泵上部、且一段插入所述腔室内的阳极棒自动传送装置，设置在所述腔室内部的磁场诱导装置，设置在所述腔室下部的粉体收集装置，以及转动设置在所述腔室内的石墨阴极阵列旋转装置。
在进一步的实施例中，所述阳极棒自动传送装置进一步包括螺旋杆支架，设置在所述螺旋杆支架内、且可自由转动的阳极棒本体，以及安装在所述螺旋杆支架一侧、且与所述阳极棒本体的一端同轴连接的步进电机，通过步进电机将纯石墨棒阳极传送到反应腔室中。
在进一步的实施例中，所述阳极棒本体包括棒体，所述棒体外围设有与所述螺旋杆支架内的螺纹匹配的外螺纹，棒体直径为60至120 mm，长度为400至1000mm；所述步进电机的输出轴与所述阳极棒本体同轴连接，并带动其沿着所述螺旋杆支架推进。
在进一步的实施例中，所述石墨阴极阵列旋转装置进一步包括转动设置在所述腔室内一端的石墨转盘，圆周阵列在所述石墨转盘上的多个石墨阴极，以及与所述石墨转盘连接的驱动电机，通过驱动电机带动石墨阴极转动与阳极棒对准放电。
在进一步的实施例中，所述石墨阴极嵌在石墨转盘表面，数量为6至10个；石墨转盘每转动完整一圈，每个石墨阴极都与所述阳极棒本体的一端对准并放电一次。
在进一步的实施例中，所述磁场诱导装置包括旋转机构和强磁体，所述磁场诱导装置在所述腔室内产生垂直于电流方向的磁场，所述旋转机构改变磁场方向，磁场诱导装置可手动或自动调节磁场方向。
在进一步的实施例中，所述腔室的一侧连通有通气阀门。所述粉体收集装置包括一个呈漏斗状的粉体收集盒，与所述腔室连通的一端为自由端，原理腔室的一端为收紧端，从收紧端到自由端逐渐扩张。真空泵将水冷电弧腔室内抽成真空状态，并根据阳极棒内的催化剂选择通入气体的种类，并从通气阀门通入腔室内。
有益效果：本实用新型涉及一种连续可控制备单壁碳纳米管电弧放电设备，主要由水冷腔室、真空泵、阳极棒自动传送装置、石墨阴极阵列旋转装置、磁场诱导装置和粉体收集装置组成。通过在阴阳电极间施加一定电压，引起电弧放电，通过步进电机将阳极棒持续推进，与石墨阴极保持相对稳定的电极间隙。利用磁场诱导装置产生垂直于电流方向的磁场，并通过旋转机构控制磁场旋转的方向，从而实现电弧等离子体喷射方向和单壁碳纳米管直径分布的调控，从而实现半自动单壁碳纳米管生产。
附图说明
图1是本实用新型的整体结构示意图。
图2是本实用新型的立体图。
图3是本实用新型中石墨阴极阵列旋转装置的结构示意图。
图中各附图标记为：阳极棒1、石墨阴极2、石墨转盘3、驱动电机4、步进电机5、磁场6、粉体收集盒7、通气阀门8、真空泵9、腔室10、螺旋杆支架11。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本实用新型更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本实用新型可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本实用新型发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
参照附图1至图3，本实用新型公开了一种连续可控制备单壁碳纳米管电弧放电设备，包括腔室10、真空泵9、自动传动装置、磁场6诱导装置、粉体收集装置、石墨阴极2阵列旋转装置。所述真空泵9与所述腔室10连通，所述阳极棒1自动传送装置转动设置在所述真空泵9的上部。阳极棒1自动传送装置包括螺旋杆支架11、阳极棒1本体、步进电机5，所述阳极棒1本体设置在螺旋杆支架11内，可自由转动，所述步进电机5安装在所述螺旋杆支架11的一侧，步进电机5的输出轴与阳极棒1本体的一端同轴连接。所述阳极棒1本体包括棒体，所述棒体外围设有与所述螺旋杆支架11内的螺纹匹配的外螺纹，棒体直径为60至120 mm，长度为400至1000mm；所述步进电机5的输出轴与所述阳极棒1本体同轴连接，并带动其沿着所述螺旋杆支架11推进，其推进速率为2mm/min～30mm/min。
所述磁场6诱导装置设置在所述腔室10内部。所述磁场6诱导装置包括旋转机构和强磁体，所述磁场6诱导装置在所述腔室10内产生垂直于电流方向的磁场6，电极狭缝处的磁场6强度为10-1000高斯。所述旋转机构改变磁场6方向，磁场6诱导装置可手动或自动调节磁场6方向。
所述粉体收集装置设置在所述腔室10的下部。所述腔室10的一侧连通有通气阀门8。所述粉体收集装置包括一个呈漏斗状的粉体收集盒7，与所述腔室10连通的一端为自由端，原理腔室10的一端为收紧端，从收紧端到自由端逐渐扩张。真空泵9将水冷电弧腔室10内抽成真空状态，并根据阳极棒1内的催化剂选择通入气体的种类，并从通气阀门8通入腔室10内。
所述石墨阴极2阵列旋转装置转动设置在所述腔室10内。所述石墨阴极2阵列旋转装置包括石墨转盘3、石墨阴极2、驱动电机4。所述石墨转盘3转动设置在腔室10内的一端，所述石墨阴极2圆周阵列在石墨转盘3上，所述驱动电机4与所述石墨转盘3连接，通过驱动电机4带动石墨阴极2转动与阳极棒1对准放电。所述石墨阴极2嵌在石墨转盘3表面，数量为6至10个；石墨转盘3每转动完整一圈，每个石墨阴极2都与所述阳极棒1本体的一端对准并放电一次。所述的石墨阴极2阵列由纯度为99.9%以上的纯石墨组成，其直径为80〜160mm，长度为100〜200mm。所述的石墨转盘3直径为150～200mm。
本实用新型的工作过程如下：在电弧放电前，需要用真空泵9将水冷电弧腔室10内抽成真空状态，并根据阳极棒1内的催化剂选择通入气体的种类，并从通气阀门8通入电弧腔室10内。制备单壁碳纳米管过程中，利用步进电机5将含有催化剂的阳极棒1持续推进，以便与石墨阴极2棒维持一个相对稳定的放电间隙。随着阳极棒1的消耗，石墨阴极2棒表面会产生沉积物，影响阴极导电性，此时通过转动装置转动石墨转盘3切换下一根石墨阴极2棒，继续放电制备单壁碳纳米管，从而实现半自动单壁碳纳米管生产。并用根据实际情况调整步进电机5来控制阳极棒1持续推进速度。同时利用磁场6诱导装置产生垂直于电流方向的磁场6，并通过旋转机构控制磁场6旋转的方向，从而实现电弧等离子体喷射方向和单壁碳纳米管直径分布的调控。
先用真空泵9将水冷腔室10中的气体抽出直至腔室10内的气压为几个Pa，通过通气阀门8向腔室10内通入纯惰性气体(如氩气、氦气等)或者含有活化气体（氢气等）的混合气体。在阴阳电极间施加一定电压，引起电弧放电，通过步进电机5将阳极棒1持续推进，与石墨阴极2保持相对稳定的电极间隙。与此同时根据实际情况调控步进电机5的推进速度。此外，通过转动装置转动石墨转盘3切换下一根石墨阴极2棒，继续放电制备单壁碳纳米管。利用磁场6诱导装置产生垂直于电流方向的磁场6，并通过旋转机构控制磁场6旋转的方向，从而实现电弧等离子体喷射方向和单壁碳纳米管直径分布的调控，从而实现半自动单壁碳纳米管生产。所制备的单壁碳纳米管粉体，落入粉体收集盒7中。电弧放电结束后，通过真空泵9抽去腔室10内的废气，然后缓慢通入空气至腔室10内气压达到1个大气压，即可打开腔室10，打开粉体收集盒7的取出产物，即获得纯度较高的碳纳米管。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本实用新型，但其不得解释为对本实用新型自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本实用新型的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。
Claims (7)
1.一种连续可控制备单壁碳纳米管电弧放电设备，其特征是包括：腔室，与所述腔室连通的真空泵，转动设置在所述真空泵上部、且一段插入所述腔室内的阳极棒自动传送装置，设置在所述腔室内部的磁场诱导装置，设置在所述腔室下部的粉体收集装置，以及转动设置在所述腔室内的石墨阴极阵列旋转装置。
2.根据权利要求1所述的一种连续可控制备单壁碳纳米管电弧放电设备，其特征在于：所述阳极棒自动传送装置进一步包括螺旋杆支架，设置在所述螺旋杆支架内、且可自由转动的阳极棒本体，以及安装在所述螺旋杆支架一侧、且与所述阳极棒本体的一端同轴连接的步进电机。
3.根据权利要求2所述的一种连续可控制备单壁碳纳米管电弧放电设备，其特征在于：所述阳极棒本体包括棒体，所述棒体外围设有与所述螺旋杆支架内的螺纹匹配的外螺纹；所述步进电机的输出轴与所述阳极棒本体同轴连接，并带动其沿着所述螺旋杆支架推进。
4.根据权利要求2所述的一种连续可控制备单壁碳纳米管电弧放电设备，其特征在于：所述石墨阴极阵列旋转装置进一步包括转动设置在所述腔室内一端的石墨转盘，圆周阵列在所述石墨转盘上的多个石墨阴极，以及与所述石墨转盘连接的驱动电机。
5.根据权利要求4所述的一种连续可控制备单壁碳纳米管电弧放电设备，其特征在于：所述石墨阴极嵌在石墨转盘表面，数量为6至10个；石墨转盘每转动完整一圈，每个石墨阴极都与所述阳极棒本体的一端对准并放电一次。
6.根据权利要求1所述的一种连续可控制备单壁碳纳米管电弧放电设备，其特征在于：所述磁场诱导装置包括旋转机构和强磁体，所述磁场诱导装置在所述腔室内产生垂直于电流方向的磁场，所述旋转机构改变磁场方向。
7.根据权利要求1所述的一种连续可控制备单壁碳纳米管电弧放电设备，其特征在于：所述腔室的一侧连通有通气阀门，所述粉体收集装置包括一个呈漏斗状的粉体收集盒，与所述腔室连通的一端为自由端，原理腔室的一端为收紧端，从收紧端到自由端逐渐扩张。
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