Способ получения углеродных нанотрубок и устройство его осуществления

Способ получения углеродных нанотрубок и устройство его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области нанотехнологий, в частности к процессу электродугового синтеза углеродных нанотрубок.

Известно устройство непрерывного производства углеродных нанотрубок и углеродного наноматериала, реализующее способ дугового разряда (патент Японии JP 2004-224636, А], предусматривающее охлаждение анода с помощью проточного газа, обтекающего боковую поверхность анода.

Недостатком данного аналога является то, что охлаждение боковой поверхности анода приводит к уменьшению зоны, в которой формируются углеродные нанотрубки.

Известно устройство для получения углеродных нанотрубок методом дугового разряда [патент RU №2220905, 2004], состоящее из двух электродов, расположенных соосно и перемещаемых навстречу друг другу водоохлаждаемыми штоками, изолированными от электродов керамическими гайками, имеющее два скользящих токоподвода, выполненных из неподвижно закрепленных графитовых втулок, реализующее способ, заключающийся в подаче разности потенциалов между катодом и анодом, замыкании электрической цепи накоротко перемещением электродов навстречу друг другу с последующим их размыканием и возникновением электрической дуги в зазоре между катодом и анодом.

Недостатком данного аналога является то, что получаемый катодный осадок имеет низкое содержание углеродных нанотрубок.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения углеродных нанотрубок и устройство его осуществления [патент Японии JP 2004-189501, А], заключающийся в создании дугового разряда между углеродосодержащими полым анодом и катодом, причем полый анод перемещают, а дуговой разряд проводят на воздухе или в окислительной среде.

Недостатком данного способа является то, что он не позволяет создать оптимальное распределение температуры по всей торцевой поверхности анода, что приводит к снижению концентрации однозарядных ионов углерода в плазме и, следовательно, к снижению содержания углеродных нанотрубок в катодном депозите.

Недостатком данного устройства является то, что оно не задействует всю торцевую поверхность анода для образования однозарядных ионов углерода, что приводит к снижению содержания углеродных нанотрубок в катодном депозите.

Технической задачей изобретения является расширение и регулирование зоны действия температур, характерных для первой ионизации углерода, на торцевой рабочей поверхности цилиндрического графитового анода, а также обеспечение устройства элементами конструкции, позволяющими создать распределение температур, характерных первой ионизации углерода, на свободном торце анода по всей его поверхности.

Техническая задача достигается тем, что в способе получения углеродных нанотрубок в дуговом разряде между размещенными в камере катодом и анодом, имеющим выполненный по оси симметрии полый продольный канал, по которому пропускают инертный газ, новым является то, что ведут нагрев части цилиндрической поверхности анода токами высокой частоты, одновременно отбирают инертный газ из камеры в охлаждающее устройство, подают его обратно в продольный канал анода для охлаждения его другой части.

В устройстве для получения углеродных нанотрубок в дуговом разряде, включающем камеру, заполненную инертным газом, углеродосодержащие катод и анод, расположенные осесимметрично с возможностью перемещения относительно друг друга в продольном направлении, причем анод выполнен с полым продольным каналом для пропускания инертного газа, новым является то, что анод разделен на рабочий и подводящий участки, причем подводящий участок выполнен с осесимметричным несквозным канал, соединенным с камерой со стороны рабочего участка несколькими радиальными отверстиями для истечения инертного газа в камеру, расположенными у окончания продольного канала, а с другой стороны соединен трубопроводом с устройством охлаждения инертного газа, а рабочий участок анода расположен с зазором внутри нагревательного элемента, выполненного в виде кольцевого индуктора токов высокой частоты.

Технический результат заключается в повышении концентрации однозарядных ионов на торцевой рабочей поверхности цилиндрического углеродосодержащего анода и, следовательно, увеличении содержания углеродных нанотрубок в катодном депозите.

На фиг.1 изображено распределение образовавшихся фракций в катодном депозите по участкам: А - фуллерены, В - нанотрубки, С - аморфный углерод.

На фиг.2 представлена фотография катода после проведения эксперимента с расположенным на его конце катодным депозитом, на торцевой поверхности которого явно выражены участки, имеющие разный цвет.

На фиг.3 представлена фотография анода после проведения эксперимента с выраженным чашевидным углублением с торцевой стороны.

На фиг.4 представлен вид устройства получения углеродных нанотрубок методом дугового разряда, в котором катод 1 и анод 2 расположены соосно, причем анод с зазором помещен в нагревательный элемент 3. Продольный канал анода 6 соединен трубопроводом 4 с устройством охлаждения инертного газа, заполняющего камеру 5.

На фиг.5 представлен вид графитового анода, где стрелками показано направление движения инертного газа во время проведения процесса получения углеродных нанотрубок. Анод условно разделен на два участка: подводящий участок, который имеет продольный канал, предназначенный для пропускания инертного газа, и рабочий участок, который расходуется в процессе получения углеродных нанотрубок методом дугового разряда.

Устройство состоит из камеры 5 (фиг.4), заполненной инертным газом, катода 1 (фиг.4) и анода 2 (фиг.4), с обеспечением возможности перемещения относительно друг друга в продольном направлении, и нагревательного элемента 3 (фиг.4), выполненного в виде кольцевого индуктора токов высокой частоты, в котором находится анод. Анод состоит из двух участков, как это показано на фиг.5: рабочего, который в процессе получения углеродных нанотрубок полностью расходуется, и подводящего, который служит для подвода инертного газа. В центре подводящего участка анода выполнен продольный канал 6 (фиг.5), обеспечивающий возможность пропускания инертного газа с истечением его в камеру через несколько радиальных отверстий 7 (фиг.5), расположенных у окончания продольного канала, причем с другой стороны он связан трубопроводом 4 (фиг.4) с устройством охлаждения инертного газа.

Способ получения углеродных нанотрубок в установке осуществляется следующем образом.

Предварительно рабочий участок анода (фиг.5) нагревают токами высокой частоты до температуры 800-2000°С. В рабочей атмосфере инертного газа между катодом 1 (фиг.4) и анодом 2 (фиг.4) подают разность потенциалов, после чего электрическая цепь замыкается накоротко перемещением электродов навстречу друг другу с последующим размыканием. В результате возникает электрическая дуга в межэлектродном зазоре. Затем начинают охлаждение центра рабочего участка анода пропусканием через продольный канал в аноде по его оси симметрии инертного газа, при этом одновременно отбирают инертный газ из камеры в охлаждающее устройство, подавая его обратно по трубопроводу 4 (фиг.4) в продольный канал, тем самым осуществляя циркуляцию инертного газа. Вследствие высокой температуры дугового разряда анод 2 (фиг.4) испаряется и углеродный пар конденсируется непосредственно на катоде в виде твердого осадка в форме цилиндрического стержня.

Известно, что на поверхности катода осаждается депозит в форме цилиндра, состоящего из серого стержня, покрытого черным кольцом, окруженным серой оболочкой [Dravid V.P. et al. // Science. 1993. Vol.259. P.1601]. Черное кольцо содержит множество углеродных нанотрубок различного диаметра длиной в десятки микрометров. Переходная область между черным кольцом и внешней оболочкой содержала частицы углерода, заключенные в графитовую оболочку. Наличие областей различного цвета на торце катода также подтверждается фотографией (сделанной после экспериментов) одного из полученных катодных депозитов, представленной на фиг.2.

При этом надо отметить неоднородность условий испарения графита с анода, так как температура плазмы увеличивается с уменьшением ее радиуса, то электрод в центре испаряется более интенсивно, об этом можно судить по профилю выгоревшего электрода, показанного на фиг.3. В работе авторов [Иванов А.И., Попов Г.В. Магнитная гидродинамика как инструмент описания механизма образования углеродных нанотрубок. // "Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И.Вернадского". - Тамбов: ТамГТУ. - №4, 2006] было показано движение однозарядных ионов в плазме и зоны осаждения на катодной торцевой поверхности. Исходя из совпадения зоны преимущественного нахождения углеродных нанотрубок и зоны осаждения на катоде однозарядных ионов углерода был сделан вывод, что углеродные нанотрубки образуются в зоне осаждения однозарядных ионов углерода. Поставив в соответствие условия разложения анода с составом получаемого катодного депозита (фиг.1), можно сделать вывод о том, что при температурах первой ионизации углерода, испаряемого с торцевой поверхности анода, будет формироваться депозит черного цвета, содержащий углеродные нанотрубки.

Таким образом, при реализации предлагаемого способа получения углеродных нанотрубок и устройства его осуществления температура графитового анода в центре торцевой поверхности, с которой происходит испарение, снижается до температур, характерных для первой ионизации углерода, а на боковой цилиндрической поверхности она повышается до этих температур. Тем самым на торцевой поверхности анода создается профиль температур, характерных для первой ионизации углерода, что позволит расширить на катоде зону, в которой образуются углеродные нанотрубки.

По мере испарения рабочего участка анода осуществляют соответствующее продольное перемещение нагревательного элемента в направлении смещения торца анода. После полного расходования рабочего участка анода процесс прерывают: снимают разность потенциалов между катодом 1 (фиг.4) и анодом 2 (фиг.4), заканчивают нагревание анода токами высокой частоты, прекращают процесс охлаждения центра анода, завершая подачу инертного газа в продольный канал анода. Углеродные панотрубки содержатся в черной области сердцевины стержня.

Предлагаемый способ получения углеродных нанотрубок и устройство его осуществления позволяет:

- увеличить зону температуры, характерной для первой ионизации углерода, на торцевой рабочей поверхности цилиндрического графитового анода;

- осуществить регулирование зоны температуры, характерной для первой ионизации углерода, на торцевой рабочей поверхности цилиндрического графитового анода в процессе получения углеродных нанотрубок;

- повысить содержание углеродных нанотрубок в получаемом катодном депозите.

1. Способ получения углеродных нанотрубок в дуговом разряде между размещенными в камере катодом и анодом, имеющим выполненный по оси симметрии полый продольный канал, по которому пропускают инертный газ, отличающийся тем, что ведут нагрев части цилиндрической поверхности анода токами высокой частоты, одновременно отбирают инертный газ из камеры в охлаждающее устройство, подают его обратно в продольный канал анода для охлаждения его другой части.

2. Устройство для получения углеродных нанотрубок в дуговом разряде, включающее камеру, заполненную инертным газом, углеродсодержащие катод и анод, расположенные осесимметрично с возможностью перемещения относительно друг друга в продольном направлении, причем анод выполнен с полым продольным каналом для пропускания инертного газа, отличающийся тем, что анод разделен на рабочий и подводящий участки, причем подводящий участок выполнен с осесимметричным несквозным каналом, соединенным с камерой со стороны рабочего участка несколькими радиальными отверстиями для истечения инертного газа в камеру, расположенными у окончания продольного канала, а с другой стороны соединен трубопроводом с устройством охлаждения инертного газа, а рабочий участок анода расположен с зазором внутри нагревательного элемента, выполненного в виде кольцевого индуктора токов высокой частоты.