专利名称：纳米碳制造装置和纳米碳制造方法
技术领域：
本发明涉及纳米碳制造装置和纳米碳制造方法。
背景技术：
近来，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。这当中，碳纳米突(carbon nanohorn)具有管形结构，其中由轧制为圆筒形的石墨片制成的碳纳米管的一端具有圆锥形状。由其特异性质可预期其对各技术领域的应用。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。
已有报道由激光蒸发方法制造碳纳米突集合体，在该方法中，以激光束在惰性气氛中对原料的碳物质(下文中某些情况下称为石墨靶)进行照射(专利文献1)。
专利文献1日本专利公开第2001-64004号公报。
发明公开本发明人对通过激光蒸发方法稳定大量生产纳米碳的技术作了大量研究。研究的结果，得到了如下一些认识。
采用激光蒸发方法，照射一次激光束的石墨靶的表面变得粗糙。对此可通过以激光束照射圆筒形石墨靶的侧面的情况为例加以说明。图3是采用圆筒形石墨靶的情况下，例示照射方式的图。图3(c)是首先以激光束103照射石墨棒101时，与其长度方向垂直的横截面视图，图3(a)是激光束103照射部分的放大视图。
如图3(a)和图3(c)中所示，由于首次被激光束103照射的侧面是平面，因而在特定方向产生烟羽(plume)109。另一方面，图3(d)是表示以图3(c)中的激光束103照射一次或多次之后，再次以激光束103照射的方式的视图。图3(b)是激光束103照射部分的放大视图。如图3(b)和3(d)所示，用激光束103照射一次时，石墨棒101的侧面变得粗糙。当以激光束103再次照射面粗糙化位置时，照射位置处产生功率密度的波动，同时在烟羽109的方向上也产生扰动。
还发现，被激光束103照射一次的表面变得粗糙，从而当以激光束103再次照射面时，激光束的照射角度会产生变化，石墨棒101侧面上被激光照射的面积会产生变化，并且石墨棒101侧面上激光束103的功率密度会产生变化。因此，难以稳定大量制造碳纳米突集合体。
如上所述，以往尚未发现连续稳定制造碳纳米突集合体的方法，因而开发大量制造技术是将碳纳米突集合体投入实际应用的关键问题。
本发明是鉴于上述情况而进行的，本发明的目的是提供用于稳定大量制造碳纳米突集合体的制造方法和制造装置。本发明的另一目的是提供用于稳定大量制造纳米碳的制造方法和制造装置。
根据本发明，提供纳米碳制造方法，其包含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，根据本发明，提供纳米碳制造装置，其包含用于光照射石墨靶表面的光源；用于将被光照射的石墨靶表面平滑化的表面处理单元；以及收集由光照射从石墨靶蒸发的碳蒸气作为纳米碳的收集单元。
在本发明中，“平滑化”是指与处理前相比相对减少石墨靶表面的凹凸程度的处理。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，但是将其平滑化并再次光照射平滑化后的位置。因而，被光照射的石墨靶表面总能保持在平滑状态。因而，石墨靶表面照射部位的功率密度保持恒定，从而可以稳定地大量合成纳米碳。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，石墨靶表面光照射部位的功率密度。
根据本发明，提供纳米碳制造方法，其包含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，并将光照射的石墨靶表面平滑化；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，提供纳米碳制造装置，其包含保持圆筒形石墨靶并使之绕中心轴旋转的靶保持单元；用于光照射石墨靶表面的光源；用于平滑化被光照射的石墨靶表面的表面处理单元；以及收集由光照射从石墨靶蒸发的碳蒸气作为纳米碳的收集单元。
根据本发明，圆筒形石墨靶绕中心轴旋转，从而使例如被光照射变粗糙的侧面得以平滑化。然后再次光照射被平滑化的侧面。由此，通过使圆筒形石墨靶旋转的同时进行光照射和平滑化，可连续并有效地大量制造纳米碳。
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，例如可采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。只要其具有棒状，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表面优选为圆筒形石墨靶的侧面。此处，“圆筒形石墨靶的侧面”是指与圆筒的长度方向平行的曲面(圆筒面)。
根据本发明，提供纳米碳制造装置，其包含保持平板形石墨靶并使该石墨靶在表面的法线方向上旋转180°的靶保持单元；用于光照射石墨靶表面的光源；用于平滑化被光照射的所述石墨靶表面的表面处理单元；以及收集由光照射从石墨靶蒸发的碳蒸气作为纳米碳的收集单元。
另外，根据本发明，提供纳米碳的制造方法，其包含光照射平板形石墨靶的表面，并收集从石墨靶蒸发的碳蒸气作为纳米碳；使被光照射的石墨靶在表面的法线方向上旋转180°之后，平滑化被光照射的石墨靶表面；再次光照射平滑化后的表面，并收集从石墨靶蒸发的碳蒸气作为纳米碳。
在本发明中，在平板形石墨靶的一个面被光照射之后，将该面反转并光照射另一面。然后在光照射另一面的同时可将一个面进行平滑化。将石墨靶再次反转之后，将平滑化后的一个面进行第二次光照射。在第二次光照射过程中，对另一面进行平滑化。由此，本发明的构成方式为在反转平板形石墨靶的光照射面的同时进行光照射，当光照射一个面时，可对另一面进行平滑化。因此，通过使用平板形的石墨靶，可有效并稳定地制造出具有期望性质的高纯度纳米碳。
在本发明的纳米碳制造方法中，可在光照射石墨靶表面及再次光照射石墨靶表面的过程中，在移动光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进一步含有移动石墨靶相对于光源的相对位置的移动单元。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。
通过移动照射位置，可更有效并连续地实施光照射、平滑化和再次光照射的步骤，从而可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，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；在移动照射位置的同时再次光照射平滑化后的石墨靶表面，而不将石墨靶从腔室取出，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包含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，表面处理单元可在与光照射位置不同的位置除去石墨靶表面的一部分。
通过这样作，由于光照射而变粗糙的石墨靶表面可更有效地被平滑化。对除去石墨靶表面一部分的方法并无特别限制，只要石墨靶表面可以被平滑化即可；然而，可以列举切削、研磨、抛光等作为例子。
本发明的纳米碳制造装置可进一步含有碎屑收集单元，用于收集表面处理单元中产生的石墨靶的碎屑。通过这样，可将切削石墨靶表面产生的切削碎屑与生成的纳米碳有效分离并收集。
在本发明的纳米碳制造方法中，光照射可包含以激光束照射。通过这样，可使光的波长和方向保持恒定，从而可以以好的精度控制光照射石墨靶表面的条件，由此可选择性地制造所期望的纳米碳。
在本发明的纳米碳制造方法中，纳米碳的收集可包含收集碳纳米突集合体。
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集合体。
通过这样作，可以有效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，也可以是多层碳纳米突。
另外，可以收集碳纳米管作为纳米碳。
如上所述，根据本发明，通过平滑化被光照射的石墨靶表面，再次光照射平滑化后的石墨靶表面，并收集从石墨靶蒸发的碳蒸气作为纳米碳，可稳定地大量制造纳米碳。另外，根据本发明，可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如下与其相关的附图，可更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是表示激光束照射次数与碳纳米突集合体收率之间的关系的图。
图5是表示本发明纳米碳制造装置的结构的一例的图。
图6是表示本发明纳米碳制造装置的结构的一例的图。
图7是说明本发明纳米碳制造方法的一例的图。
发明详述下文将以纳米碳为碳纳米突集合体的情况为例，说明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1是表示纳米碳制造装置的结构的一例的图。图1的制造装置包含制造腔室107、纳米碳收集腔室119和切削石墨收集腔室121这三个腔室，以及通过激光束窗113将激光束103施加到制造腔室107中的激光源111、和使激光束103聚光的透镜123。
作为充当激光束103照射的靶的固体碳元素物质，采用石墨棒101。将石墨棒101固定至旋转装置115，并可绕作为轴的中心轴旋转。另外，石墨棒101还能够位置移动。以来自激光源111的激光束103照射石墨棒101的侧面。在图1中，以激光束103照射比石墨棒101侧面的顶部稍靠下的位置，并在照射面的法线方向上产生烟羽(109)。在图1装置中，由于纳米碳收集腔室119置于烟羽109产生方向基本正上方的方向上，因此所产生的碳纳米突集合体117被收集入纳米碳收集腔119。
由于石墨棒101通过旋转装置115而旋转，从而将被激光束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的切削碎屑被收集入切削石墨收集腔室121，并和产生的碳纳米突集合体117分离。
在图1的装置中，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，因而被激光束103照射的位置快速移动至与切削工具105接触的位置，并通过切削工具105而被平滑化。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。切削工具105的切削位置也根据照射位置的改变而改变。
该方式如图2所示。图2是表示图1纳米碳制造装置中的激光束103、切削工具105和石墨棒101之间的位置关系的图。如图2所示，施加激光束103，使得由水平面与连接照射位置和与石墨棒101长度方向垂直的横截面中心的线段所形成的角度、即该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长度方向上滑动石墨棒101，可连续地以恒定功率密度在石墨棒101的长度方向上施加激光束。
此时，照射角度优选为30°以上及60°以下。此处，如上所述，在本说明书中，照射角度是指由激光束103与在激光束103的照射位置垂直于石墨靶表面的线所形成的角度。采用圆筒形石墨靶时，照射角度是由在与石墨棒101的长度方向垂直的横截面中连接照射位置和圆的中心的线段与水平面所形成的角度，如图2，图3(c)和图(3d)所示。
通过使该照射角度为30°以上，可抑制由施加的激光束103的反射所产生的反光。还可防止所产生的烟羽(109)穿过激光束窗113直接击中透镜123。因此，这可以有效保护透镜123并防止碳纳米突集合体117附着至激光束窗113上。从而，可使施加于石墨棒101的光的功率密度稳定化，并可以高收率稳定制造碳纳米突集合体117。
另外，通过以60°以下的角度施加激光束103，可抑制无定形碳的产生，并可提高产品中碳纳米突集合体117的比率，即可以提高碳纳米突集合体117的收率。另外，特别优选的是将照射角度设定在45°。通过在45°进行光束照射，可将产品中碳纳米突集合体117的比率提高到更高程度。
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，因而在透镜123的位置被固定的状态下，可通过改变侧面的照射角度而容易地进行变化。因此，可以使功率密度是可变的，并且确实可以进行调节。例如，在透镜123的位置固定的情况下，如果照射角度设定为例如30°，则可提高功率密度。另外，通过将照射角度设定为60°，可将功率密度控制为低。
另外，如采用图3所描述，石墨棒101的侧面被激光束103照射一次即变得粗糙。当以激光束103再次照射面变粗糙位置时，照射位置处的功率密度产生波动，烟羽109的产生方向也产生扰动。这样，当被激光束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，从而导致碳纳米突集合体117收率的降低。
因而，在图1装置中，切削工具105置于石墨棒101的下部，如图2中所示。当将切削工具105置于激光束103的照射位置之下时，经激光束103照射的石墨棒101的侧面被依次旋转，从而移动至切削工具105的位置处而被切削，使得照射位置可连续被平滑化。因此，被激光束103照射的表面始终都是平滑表面。因此，即使不将石墨棒101取出制造腔室107以进行平滑化处理，激光束103照射位置处的功率密度仍可保持恒定。因而，在保持石墨棒101置于制造腔室107内的同时，可连续施加激光束103，从而可有效大量制造碳纳米突集合体117。
另外，当如图2所示施加激光束103时，在上方产生烟羽109，从而使碳纳米突集合体117向上方生成。因而，将切削工具105置于石墨棒101的下部时，所产生的碳纳米突集合体117可与作为切削工具105切削原材料的石墨棒101的切削碎屑有效分离。
此处，如图2中所示，切削工具105的放置位置优选在与纵轴平行的石墨棒101移动方向上等于激光束103照射位置或比其稍偏后的位置。通过这样，可以确实地防止石墨棒101的侧面在被激光束103照射之前被切削的缺陷。
如上所述，在图1的纳米碳制造装置中，在圆筒形石墨棒101侧面上照射的激光束103的位置连续变化，并且照射位置旋转从而被切削工具105平滑化，由此可实现碳纳米突集合体117的连续制造。另外，由于可对充当石墨靶的石墨棒101重复进行激光束103照射，因而石墨棒101可被有效使用。
下面将具体说明采用图1制造装置制造碳纳米突集合体117的方法。
在图1的制造装置中，可采用高纯石墨，例如圆棒形烧结碳或压缩成型碳等等作为石墨棒101。
另外，可采用诸如高输出功率CO2激光束的激光束作为激光束103。此处，可根据所使用激光束103的类型适当选择激光束窗113和透镜123的材料。例如，当采用CO2激光束时，用于激光束窗113和透镜123的材料可以是ZnSe。
激光束103对石墨棒101的照射可在惰性气氛中在例如103Pa以上及105Pa以下的气氛中进行，所述惰性气氛例如Ar、He等的稀有气体。另外，优选在预先将制造腔室107内的气体预先排放将压力减至例如10-2Pa以下之后，作成惰性气体气氛。
另外，优选调节激光束103的输出功率、光点直径和照射角度，使得石墨棒101的侧面上激光束103的功率密度接近恒定。
另外，优选调节激光束103的输出功率、光点直径和照射角度，使得石墨棒101的侧面上激光束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，优选为0.5sec以上，更优选为0.75sec以上。通过这样，可充分确保施加于石墨棒101表面上的激光束103的累积能。因此，可有效制造碳纳米突集合体117。另外，激光束103的脉冲宽度还可设定为例如1.5sec以下，优选为1.25sec以下。通过这样，可抑制由石墨棒101表面的过热而引起的表面能量密度变化，可以抑制碳纳米突集合体收率的下降。激光束103的脉冲宽度更优选设定为0.75sec以上及1sec以下。通过这样，可同时提高碳纳米突集合体117的产生比率和收率。
另外，激光束103照射中的休止宽度可设定为例如0.1sec以上，更优选设定为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，照射时，石墨棒101侧面上激光束103的光点直径可设定为例如0.5mm以上及5mm以下。另外，优选的照射角度使用图2如上所述。
在激光束103照射时，石墨棒101通过旋转装置115以恒定速度在圆周方向旋转。旋转数设定为例如1rpm以上及20rpm以下。
另外，优选以例如0.01mm/sec以上及55mm/sec以下的速度(圆周速度)移动激光束103的光点。例如，在将激光束103施加于直径100mm的石墨靶表面上的情况下，可通过采用旋转装置115在圆周方向上以恒定速度旋转直径100mm的石墨棒101，并将旋转数设定为例如0.01rpm以上及10rpm以下。此处，石墨棒101的旋转方向并无特别限制；然而优选在远离激光束103的方向上旋转石墨棒101。通过这样，可以更确实地收集碳纳米突集合体117。
置于石墨棒101下部的切削工具105并无特别限制，只要其具有能够平滑化石墨棒101侧面的结构即可，因而可采用具有各种形状和性质的切削工具。另外，尽管切削工具105是用于图1的制造装置中，但可以采用各种切削部件，例如诸如锉刀的研磨部件，或者例如上表面设置有抛光纸(砂纸)的辊。此时，可采用具有如下结构的部件设置有抛光纸的辊的上表面绕垂直于表面的中心轴旋转，从而平滑化石墨棒101的圆筒形表面。可以采用部件等。另外，切削石墨收集腔室121的放置位置并无特别限制，只要其为由切削工具105产生的切削碎屑可与碳纳米突集合体117分离并被收集的位置即可。
图1装置具有的结构是通过激光束103照射所得的煤烟状物质被收集入纳米碳收集腔室119；然而，煤烟状物质可通过沉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。
通过采用图1装置而得到的煤烟状物质主要含有碳纳米突集合体117，并且作为含有90wt％以上碳纳米突集合体的物质被收集。
图5是表示根据该实施方案的纳米碳制造装置的另一结构的图。图5的纳米碳制造装置的基本结构与图1装置相同；然而，激光束在石墨棒101侧面上的照射位置不同。这使得烟羽109的产生方向不同，从而使输送管141的延伸方向不同。另外，该纳米碳制造装置333具有惰性气体供应单元127，流量计129，真空泵143和压力计145。
当施加激光束103时，在与激光束103照射位置处的石墨棒101的切线垂直的方向上产生烟羽109。在该纳米碳制造装置333中，石墨棒101的侧面被激光束103照射，并且照射角度设定为45°。另外，输送管141设置在与烟羽线成45°角的方向上。因此，该装置的结构是输送管141设置在与石墨棒101的切线垂直的方向上。因而，碳蒸气可有效导向纳米碳收集腔室119，从而收集碳纳米突集合体117。另外，由于照射角度设定为45°，因而如上所述抑制了反光的产生，从而可稳定地大量制造碳纳米突集合体117。
(第二实施方案)在第一实施方案中，采用了圆筒形的石墨靶；但也可采用平板形的石墨靶。图6是表示根据该实施方案的纳米碳制造装置341的横截图。
该纳米碳制造装置341的基本结构与图1和图5装置相同；然而，该装置的不同之处在于其带有旋转装置337和铣刀339。
旋转装置337保持石墨板335。另外，旋转装置337包括使石墨板335在表面方向上移动并且使照射面反转的旋转机构。
铣刀339在预定位置处绕纵轴旋转，并切削石墨板335的表面。将铣刀339置于石墨板335下部时，可使所产生的碳纳米突集合体117与被铣刀339切掉的切削碎屑有效分离。
此处，铣刀339的设置位置可以设置在石墨板335在表面方向移动的方向上等于激光束103的照射位置或稍靠后的位置处。通过这样，可在施加激光束103的同时确保石墨板335的背面被平滑化。
石墨板335可以提供两个表面作为激光束103的照射面就足够了，并且例如可采用平板形或片形石墨。石墨板335的形状可以是其表面宽度大于其厚度。通过这样，其表面可被激光束103有效照射，从而可以有效制造碳纳米突集合体117。
另外，石墨板335可具有矩形形状。通过这样，可容易进行对石墨板335的移动方向的调节。例如，通过在使石墨板335沿与矩形长边平行的方向上的直线移动的同时施加激光束103，可以有效制造碳纳米突集合体117。
图7(a)至图7(c)是说明采用纳米碳制造装置341制造碳纳米突集合体117的方法的图。首先，在使石墨板335在与表面水平的方向上移动的同时施加激光束103(图7(a))。例如，在使石墨板335纵向移动的同时照射第一表面343。此时，由于激光束被施加到了制造腔室107内的预定位置，因而可以在通过水平移动石墨板335而使激光束103的照射位置移动的同时在第一表面343上照射激光束103。第一表面343被激光束103照射而变粗糙。
然后，经旋转装置337使石墨板335旋转180°(图7(b))。通过这样，激光束103的照射面反转，提供作为激光束103的照射面的平滑的第二表面345。此时，激光束103的照射休止。
然后用激光束103照射第二表面345。同时，铣刀339也被旋转以将第一表面343平滑化。由于铣刀339在制造腔室107内的预定位置处旋转，因而通过在使石墨板335在第二表面345的面方向上移动的同时照射激光束103，可以在通过铣刀339移动切削位置的同时切削第一表面343。由铣刀339所产生的石墨板335的切削碎屑被收集入切削石墨收集腔室121，并与所产生的收集入纳米碳收集腔室119的碳纳米突集合体117分离。
在此实施方案中，激光束103的照射条件可与第一实施方案中同样。另外，对石墨板335表面施加激光束103的同时，石墨板335的直移移动速度可设定为例如0.4mm/min以上及4.8mm/min以下。通过将移动速度设定为4.8mm/min以下，可以确实地在石墨板335的表面照射激光束103。另外，通过将移动速度设定为0.4mm/min以上，可有效制造碳纳米突集合体117。
在纳米碳制造装置341中，可将激光束103的照射面反转，从而石墨板335的两个表面可交替照射激光束103。另外，激光束103照射之后，通过铣刀339将表面平滑化然后再次进行照射。由此，可使照射面上激光束103的功率密度波动被抑制。从而可以高收率稳定制造具有预定性质的碳纳米突集合体117。
通过采用根据上述实施方案的纳米碳制造装置，可使被激光束103照射的石墨棒101侧面平滑化并再次进行激光束103照射，从而在碳纳米管的制造中，可以稳定地大量制造碳纳米管。
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、尖端部形状、碳分子或碳纳米突之间的间隔等等，可通过激光束103的照射条件等以各种方式进行控制。
如上所示，基于实施方案对本发明作了说明。这些实施方案是示例性的，本领域人员应当理解可对其作各种更改，此类更改也在本发明范围之内。
例如，上述实施方案中所述的碳纳米突制造装置可带有控制单元，用于控制激光束103的照射，石墨靶的移动或旋转，或者切削工具或铣刀的驱动。
另外，以上是以制造碳纳米突集合体作为纳米碳的情况为例进行说明的；然而，采用根据上述实施方案的制造装置制造的纳米碳并不限于碳纳米突集合体。
例如，采用图1制造装置也可制造出碳纳米管。在制造碳纳米管情况下，优选调节激光束103的输出功率，光点直径和照射角度，使得石墨棒101侧面上激光束103的功率密度接近恒定，例如为50±10kW/cm2。
另外，在石墨棒101中添加例如0.0001wt％以上及5％以下的催化剂金属。例如可以采用诸如Ni或Co的金属作为金属催化剂。
(实施例)在本实施例中，采用具有图1所示结构的纳米碳制造装置制造碳纳米突集合体117。
将直径100mm、长度250mm的烧结圆棒碳用作石墨棒101，并将该棒固定至制造腔室117中的旋转装置115。将制造腔室107内的空气排出以使压力降至10-3Pa以后，导入Ar气体以达到105Pa的气压。随后，在室温下使石墨棒101以6rpm的旋转数旋转，在使其以0.3mm/sec水平移动的同时用激光束103对其侧面进行照射。
采用高输出功率CO2激光束作为激光束103，进行输出功率为3至5kW、波长10.6μm和脉冲宽度5sec的连续振荡。另外，将由水平面与连接照射位置和与石墨棒101长度方向垂直的横截面中圆的中心的线段所形成的角度、即照射角度设定为45°，石墨棒101侧面上的功率密度设定为20kW/cm2±10kW/cm2。
将所得煤烟状物质进行TEM观测。同时通过Raman光谱法，比较1350cm-1和1590cm-1处的强度，计算碳纳米突集合体117的收率。
随后，将由切削工具105平滑化的石墨棒101侧面用激光束103进行第二次照射，并通过上述方法法确定碳纳米突集合体117的收率。另外，对进行了第二次照射的位置进一步进行第三次照射，同样地对生成物进行评价。
将所得的煤烟状物质进行透射式电子显微镜(TEM)观测，结果表明第一至第三次照射的任一次中主要生成碳纳米突集合体117，其粒子直径范围为80nm至120nm。经Raman光谱法，还确定了第一至第三次照射之后所得的全部物质中碳纳米突集合体117的收率，在所有情况下收率均为90％以上，如图4中所示。
因此，在本实施例中，通过采用切削工具105切削被激光束103照射的石墨棒侧面并再次施加激光束103，以高收率获得了碳纳米突集合体117。另外，可以明确的是，本方法是适于碳纳米突集合体的大量制造的连续方法。
(比较例)在图1装置中，不采用切削工具105而进行碳纳米突集合体117的制造。除不使用切削工具105切削石墨棒101的侧面以外，以与实施例相同的方式进行制造。
结果，对于同一石墨棒101上的激光束103的照射次数增加，碳纳米突集合体的收率明显减少，如图4中所示。因此，用激光束103第一次照射之后，肉眼观察侧面，发现在激光束103照射位置处形成了深度约3mm的凹部，并且凹部的侧面粗糙程度高于照射前的侧面。因此，考虑由于具有凹部的侧面被激光束103再次照射，激光束103的入射角度和功率密度发生了变化，因而导致了碳纳米突集合体117收率的降低。
权利要求
1.纳米碳制造装置，其包含光源，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所述石墨靶表面；和收集单元，用于收集经光照射从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，其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表面；表面处理单元，用于平滑化被光照射的所述石墨靶表面；和收集单元，用于收集经光照射从所述石墨靶蒸发的碳蒸气作为纳米碳。
3.纳米碳制造装置，其包含靶保持单元，其保持平板形石墨靶并使所述石墨靶在表面的法线方向上旋转180°；光源，用于光照射所述石墨靶的表面；表面处理单元，用于平滑化被光照射的所述石墨靶表面；和收集单元，用于收集经光照射从所述石墨靶蒸发的碳蒸气作为纳米碳。
4.根据权利要求1-3任一项的纳米碳制造装置，进一步含有移动单元，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。
5.根据权利要求1-4任一项的纳米碳制造装置，其中所述表面处理单元在与所述光照射位置不同的位置除去所述石墨靶的表面的一部分。
6.根据权利要求5的纳米碳制造装置，进一步含有碎屑收集单元，用于收集在所述表面处理单元中产生的所述石墨靶的碎屑。
7.根据权利要求1-6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.纳米碳制造方法，其包含光照射石墨靶的表面，收集从所述石墨靶蒸发的碳蒸气作为纳米碳，并将被光照射的所述石墨靶表面平滑化的步骤；和再次光照射被平滑化的所述表面，并收集从所述石墨靶蒸发的碳蒸气作为纳米碳的步骤。
9.纳米碳制造方法，其包含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表面，收集从所述石墨靶蒸发的碳蒸气作为纳米碳，并将被光照射的所述石墨靶表面平滑化的步骤；和在使所述石墨靶绕中心轴旋转的同时再次光照射被平滑化的所述表面，并收集从所述石墨靶蒸发的碳蒸气作为纳米碳的步骤。
10.纳米碳制造方法，其包含光照射平板形石墨靶的表面，并收集从所述石墨靶蒸发的碳蒸气作为纳米碳的步骤；将光照射的所述石墨靶在所述表面的法线方向上旋转180°之后，将被光照射的所述石墨靶的所述表面平滑化的步骤；和再次光照射被平滑化的所述表面，并收集从所述石墨靶蒸发的碳蒸气作为纳米碳的步骤。
11.根据权利要求8-10任一项的纳米碳制造方法，其中在光照射石墨靶表面的所述步骤及再次光照射石墨靶表面的所述步骤中，在移动光照射位置的同时进行光照射。
12.根据权利要求8-11任一项的纳米碳制造方法，其中将被光照射的表面平滑化的所述步骤包括除去所述石墨靶的表面的一部分。
13.根据权利要求8-12任一项的纳米碳制造方法，其中光照射所述石墨靶的表面的所述步骤包括用激光束照射。
14.根据权利要求8-13任一项的纳米碳制造方法，其中收集纳米碳的所述步骤包括收集碳纳米突集合体的步骤。
全文摘要
本发明提供用于稳定地大量制造纳米碳的制造方法和制造装置。在制造腔室(107)中，将圆筒形石墨棒(101)固定至旋转装置(115)上，并使得能够以石墨棒(101)的长度方向为轴进行旋转，且还可以在长度方向上左右移动。用来自激光源(111)的激光束(103)照射石墨棒(101)的侧面，并在烟羽(109)的产生方向上设置纳米碳收集腔室(119)。另一方面，通过旋转装置(115)将石墨棒(101)的侧面中被激光束(103)照射的侧面快速旋转，并通过切削工具(105)将该侧面平滑化。由切削工具(105)产生出的石墨棒(101)的切削碎屑被收集入切削石墨收集腔室(121)，并与所产生的碳纳米突集合体(117)分离。
文档编号B01J19/12GK1747895SQ200480003870
公开日2006年3月15日 申请日期2004年2月10日 优先权日2003年2月10日
发明者莇丈史, 真子隆志, 吉武务, 久保佳实, 饭岛澄男, 汤田坂雅子, 糟屋大介 申请人:日本电气株式会社