碳纤维线圈的制造方法及制造装置的制作方法

专利名称：碳纤维线圈的制造方法及制造装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用吸收电磁波的材料、微传感及微机械元素的材料的碳纤维线圈的制造方法及其制造装置。
背景技术：
目前，呈螺旋状延伸的碳纤维(碳纤维线圈)正在被作为有用的新材料而加以研究。采用化学气相沉积(CVD)的方法制造碳纤维线圈。所谓CVD方法就是利用化学反应由气体原料合成薄膜状或颗粒状的固体的方法。CVD方法大多使用金属催化剂。
由超微粒子构成的金属催化剂被放置在基体材料的表面。基体材料被放置在圆筒型的反应容器内的规定位置。反应容器在两端具有开口，在其圆周面上具有多个流入口。原料气体与催化剂气体从相应的流入口流入反应容器内。并且，惰性气体也流入到反应容器内。反应容器的外面几乎全部用带有电加热线的加热器覆盖。
在制造碳纤维时，开口用密封材料堵塞。利用加热器对反应容器直接加热，从而使反应容器的温度达到规定值时，原料气体就被热分解。这样，由于金属催化剂粒子的作用，在基体材料表面上就形成了螺旋状的碳纤维。碳元素的迁移生成螺旋状的原因是金属催化剂的催化活性具有各向异性。也就是说，在催化剂活性大的地方碳纤维生长迅速，在催化剂活性小的地方碳纤维生长缓慢，所以碳纤维卷成螺旋状。
但是，在现有的碳纤维线圈制造方法中，反应容器利用带有电加热线的加热器直接加热。所以在反应容器内部产生因电加热线造成的电磁场，流入反应容器的原料气体和金属催化剂被暴露在电磁场中。其结果是，不能高效生成所期望的螺旋状的碳纤维，而且会生成直线状的纤维，或者粉末、硬块或者片状的碳。在电磁场下，即使生成碳纤维线圈，由于该种碳纤维多具有扁平状的截面，所以碳纤维也没有充分的强度(例如拉伸强度)。并且所得到的碳纤维线圈的线圈直径较大，线圈长度较短。
发明的概要本发明的第一个目的在于提供可以高效率生成碳纤维线圈的碳纤维线圈的制造方法及其装置。第二个目的在于提供生成具有充分的强度、较小的线圈直径以及较长的线圈长度的碳纤维线圈的制造方法及其装置。
为了达到上述目的，本发明提供了一种利用在反应容器中加热受热分解后生成固态碳的原料气体和加快该原料气体热分解的催化剂气体的制造碳纤维线圈的制造方法。该制造方法包括在上述反应容器内的规定位置放置固体催化剂的工序，向上述反应容器内供给上述原料气体和催化剂气体的工序以及为了利用上述原料气体生成碳纤维线圈而对上述反应容器内部进行加热的工序。在该加热工序中，不会产生因该加热工序造成的电磁场。所以，可以制造具有所期望尺寸的碳纤维线圈。
同时，本发明还提供了一种碳纤维线圈的制造装置。该制造装置包括供给原料气体和催化剂气体的反应容器，被放置在该反应容器内规定位置的固体催化剂，以及用于加热反应容器内部的加热装置。原料气体和催化剂气体通过流入口被供给到反应容器中。原料气体被热分解生成固态碳。催化剂气体加快原料气体的热分解。加热装置加热反应容器内部，就可以利用原料气体的热分解生成碳纤维线圈。加热时，加热装置在上述反应容器内实际上不会形成电磁场。
附图的简单说明可以认为，本发明的创新点的特征特地在附加的权利要求部分加以说明。根据以下对本发明所示的最佳实施方式的说明，以及参照附图，可以理解本发明的上述目的及优点。


图1是本发明的第一实施方式的碳纤维线圈的制造装置的截面图。
图2是第二实施方式的碳纤维线圈的制造装置的截面图。
本发明的最佳实施方式第一实施方式下面对本发明的第一实施方式进行详细说明。首先说明图1所示的碳纤维线圈的制造装置11。制造装置11包括具有圆筒状的反应容器12、基体材料15以及加热容器24。反应容器12是由石英、氧化铝、陶土材料、内面加有陶瓷衬里的金属管材料，还有象镍、钨、钛那样的耐热金属材料所制造的。石英是一种催化活性低、不会引起不希望发生的副反应的较好的材料。
反应容器12的内径在30～150mm的范围内比较好。为了使原料气体和催化剂气体高效流过基体材料15的表面，反应容器12的内径最好在30～60mm的范围内。在第一实施方式中，反应容器12的内径是60mm、全长是1000mm。在反应容器12的两端分别具有开口13。每个开口13分别用由能耐规定温度的耐热性材料制成的第一、第二密封部件14a、14b所堵塞。
方型平板状的基体板15是以镍为主要成分的烧结体，或者是由石墨制成的。在基体板15的表面涂上粉末状的金属催化剂。在金属催化剂的表面上生成碳纤维线圈。第一、第二连接线16a、16b分别连接在基体板15的两端。第一连接线16a穿过第一密封部件14a，连接到反应容器12外面的直流电源17上。第二连接线16b穿过第二密封部件14b，其前端解脱出来。利用第一、第二连接线16a、16b可以将基体板15支撑起来，呈不与反应容器12内壁接触的悬浮状态。
直流电源17的负极17a通过第一连接线16a与基体板15连接。正极17b被连接到反应容器12上。电源开关18配置在直流电源17的正极17b与反应容器12之间。当开关18打开时，直流电压从直流电源17加到基体板15上。此时，由于反应容器12内的基体板15的表面带有负电，所以在基体板15的周围形成负的电场。为了提高碳纤维线圈的生成率，直流电源17的电压可选在10～3000V的范围，但在100～1000V的范围比较好，最好是在100～750V的范围。
作为催化剂可以使用过渡金属及其化合物。过渡金属的化合物包括金属氧化物、金属碳化物、金属硫化物、金属磷化物、金属碳酸化物以及金属碳硫化物。希望使用镍、钛以及钨等过渡金属、或者这些金属与氧的固溶体、金属氧化物、金属碳化物、金属硫化物、金属磷化物、金属碳酸化物或者金属碳硫化物。其中最好的是使用镍。催化剂使用镍时，可以生成尺寸良好的碳纤维线圈。这可能与催化剂活性及形状有关，可能是因为镍的结晶面具有很好的各向异性。如果催化剂的形状具有催化活性的话，就无庸置疑。例如可以使用粉末状、板材状以及烧结粉末而得到的板材状的东西，也可以使用在特定条件下对金属粉末或者板材的表面进行氧化、炭化、磷化、碳酸化或者碳硫化处理后的东西。最好的催化剂形状是由平均颗粒直径为5μm左右的微小粉末或者由该微小粉末构成的烧结板。当金属催化剂是微小粉末时，可以分散或者涂在基体板15上。
碳纤维线圈的尺寸，即线圈直径、线圈节距以及线圈长度取决于金属催化剂的各结晶面的催化剂活性的各向异性和金属催化剂的颗粒直径。因此，如果催化剂活性的各向异性发生变化，碳纤维线圈的尺寸也发生变化。例如，金属催化剂的颗粒直径小，线圈直径也会变小。
在反应容器12的外圆周面上形成圆筒形的流入口19。在制造碳纤维线圈时，含有原料气体的混合气体从流入口19流入。混合气体包含有成为碳纤维线圈的碳元素源的原料气体、促进线圈成长的催化剂气体以及平衡气体。为了除去氧气等阻碍碳纤维线圈成长的因子，有必要适量使用平衡气体。
原料气体使用受热分解后可生成碳的气体，例如乙炔、甲烷、丙烷或者一氧化碳。为了使碳纤维生成具有所希望的尺寸的螺旋状，最好使用乙炔。
催化剂气体使用含有元素周期表中第15族及第16族元素的气体，例如使用硫磺、硫茂、甲硫醇、硫化氢、三氯化磷等。在这些催化剂中，从能够提高碳纤维线圈的生成率方面考虑，最好使用硫茂及硫化氢。
相对于流过流入口19的气体总量，平衡气体的混合比例可调整为容量的20～30％。
为了将从流入口19流入的原料气体、催化剂气体及平衡气体的流量和流速保持在规定范围，期望的流入口19的内径在5～50mm范围内，最好在5～20mm范围内。在第一实施方式中，流入口19的内径是10mm。
为了提高碳纤维线圈的生成率，原料气体、催化剂气体及平衡气体的流速必须适当进行调节。以一分钟流过流入口19的线速度表示各气体的流速时，在室温、大气压下期望的线速度合计值在100～3000cm/分的范围，比较好的线速度合计值在200～1500cm/分范围，最好是线速度合计值在300～1000cm/分范围。
为了提高碳纤维线圈的生成率，流入口19的出口和基体板15之间的距离必须保持在规定的范围内。流入口19的出口与基体板15的距离短，就可以提高碳纤维线圈的生成率。但是，如果流入口19的出口与基体板15的距离低于1mm或超过100mm时，就完全不能生成碳纤维线圈了，而只能得到碳粉末或者直线状的碳纤维。因此较好的距离在1～100mm范围内，最好的距离在10～25mm范围内。
为了提高碳纤维线圈的生成率，流入口19的出口和基体板15的距离与在室温、大气压下各气体流速的合计值存在着密切的关系。如果流入口19的出口与基体板15的距离大，各气体的期望流速的合计值就要变大。例如流入口19与基体板15的距离在1～20mm时，在室温、大气压下流过流入口19的各气体的线速度合计值被设定在400～800cm/分。上述距离在5～40mm时，线速度的合计值被设定在800～1200cm/分。该距离是10～100mm时，线速度的合计值被设定在1200～1500cm/分。
为了提高碳纤维线圈的生成率，流入口19与基体板15之间的距离(单位cm)与在室温、大气压下的原料气体的线速度(单位cm/分)的比率必须设定在1/10000～1/10，较好的比率范围是1/2000～1/10，最好的范围是1/500～1/100。
反应环境中，催化剂气体的浓度影响碳纤维线圈的生长。催化剂气体的浓度低于容量的0.01％或超过容量的5％时，碳纤维线圈就很难生长。较好的浓度在容量的0.01％～5％的范围内，最好的浓度在容量的0.1％～0.5％的范围内。
在反应容器12的两端附近的圆周面上形成～对圆筒型的注入口20。平衡气体通过圆筒型注入口20注入到反应容器12内。通过向反应容器12内注入平衡气体，置换象氧气那样在化学反应中不需要的化合物。从而防止多余的化学反应或者对碳纤维线圈的生成反应产生不希望的影响。作为平衡气体，使用象氮气、氦气那样的不与相关的物质发生反应的惰性气体或者氢气。
在反应容器12的中央的圆周面上，在流入口19的另一侧形成圆筒型的流出口21，在流出口21内安装了排气管22。由耐热材料制成的第三密封部件23堵塞在排气管22的外面与流出口21的内面之间。流入反应容器12内的原料气体、催化剂气体、平衡气体以及反应后的废气通过排气管22从反应容器12中流出。
加热容器24完全覆盖反应容器12。加热容器24具有导入管25及导出管26，导入管25成形在加热容器24的左端下部，导出管26成形在加热容器24的右端上部。热风从热源(图中未示出)通过导入管25送到加热容器24内。热风通过加热容器24时对反应容器12进行加热。然后，热风从导出管26被排除。这样，反应容器12内的温度就上升到所规定的值。也可以利用液化天然气(LPG)等燃烧气体或者具有规定温度的流体代替热风。作为热媒体，可以使用氮气、二氧化碳、氩气。利用加热使反应容器12内部上升到所规定的温度，从而反应气体被热分解、电离，成为带正电荷的反应种。
反应温度低于700℃或者高于830℃时，碳纤维线圈的生成率会急剧下降。因此，为了提高碳纤维线圈的生成率，反应时反应容器12内的希望温度可在700℃以上至830℃以下。最好的温度是在750℃以上至780℃以下。
下面对碳纤维线圈的制造步骤进行说明。
利用连接线16a、16b的支撑，将涂上了镍粉的基体板15配置在反应容器12内的规定位置。此时，基体板15按规定的距离离开流出口19的出口。第一、第二密封部件14a、14b分别堵塞着反应容器12相对应的开口13。
然后，作为原料气体的乙炔、作为催化剂的硫茂、作为平衡气体的氢气同时从流入口19流入到反应容器12中。这种混合气体一边与基体板15的表面接触一边移动。然后，混合气体通过排气管22从流出口21流到外部。并且，氢气作为平衡气体从一对注入口20被注入。各气体一直流动至反应终了。
打开电源开关18时，在基体板15上加上直流电的负电压，于是，在基体板15的周围产生负的电场。然后，热风从燃烧锅炉(图中未示出)被送到加热容器24。反应容器12的温度就上升，原料气体被激发，进行化学气相沉积(CVD)反应。于是，在基体板15的表面，更确切地说，是在金属催化剂表面的结晶成长点上，碳纤维线圈开始成长。在将反应容器12内的温度保持在750℃的状态下，持续进行2个小时的反应。
在用于产生化学气相沉积(CVD)反应的反应系中，存在着镍(金属催化剂)、碳(原料)、氢气、少量的硫磺或者磷(催化剂气体)、以及在反应容器12中残留的少量的氧。由这5种物质组成的反应系，由于加在基体板15上的负电压，而存在于负的电场内。因为由乙炔的激发而产生的反应种带有正电荷，所以被高效地诱导至基体板15的表面，即镍催化剂的表面。接触了催化剂表面的反应种在那里进行热分解，结果，形成带有少量杂质(少量的硫磺和微量的氧)的碳化镍(Ni3C)结晶体，这种碳化镍(Ni3C)结晶体的寿命较短，迅速分解成镍和碳，这种热分解反应在镍催化剂的表面上反复进行，从而碳发生扩散，碳纤维生长起来。
镍催化剂的催化剂活性具有各向异性。在催化剂活性大的地方碳纤维生长迅速，在催化剂活性小的地方碳纤维生长缓慢。从而碳纤维一边卷一边生长。此时所得到的碳纤维线圈都具有圆形的截面。
可以认为，碳纤维线圈的生长在相同的催化剂结晶体的相邻的结晶面上几乎是同时进行的。也就是说，碳纤维从邻接的结晶面向不同的方向螺旋状延伸。因此，从邻接的结晶面延伸的两个碳纤维线圈在催化剂结晶体的位置象被连接的二维螺旋线圈那样生长。由于碳纤维线圈具有与生物的脱氧核糖核酸(DNA)相类似的结构，所以可以称为超后变晶的碳纤维线圈(コスモミメテイツクカ一ボンマィクロコィル)。
因为反应容器12被气体燃烧锅炉产生的热风所加热，所以在反应容器12内不能形成电磁场。因此可以防止反应种因受电磁场的影响而产生的直线状碳纤维、碳粉末、坚硬的碳块或者碳片。其结果是增加了碳纤维线圈的产量。
因为负电荷作用于基体板15所载的金属催化剂，所以带有正电的反应种容易与催化剂表面接触。于是，通过催化剂活性的各向异性的有效作用，可以高效率地得到具有期望线圈直径的碳纤维线圈。从而可以降低被不期望的反应浪费的乙炔的量。因此可以降低为得到一定量的碳纤维线圈所需要的乙炔的量。未反应的乙炔还可以再利用。
第一实施方式可以发挥如下效果。
反应容器12通过供给到加热容器24的热风被加热。所以反应容器12不会暴露在外部的电磁场中，从而就抑制了电磁场产生的不良影响，也就是说，抑制了碳纤维直线成长，碳粉末状、硬块状及片状的成长。因此相对于被制造出的全碳物质，碳纤维线圈的比例增加。其结果是提高了碳纤维线圈的生成率。
碳纤维线圈按圆形状截面生长，因此与截面呈扁平状的碳纤维线圈相比，其机械强度，例如拉伸强度提高了。实际使用碳纤维线圈时，可以提高其制品的强度等性能。
反应容器12的加热是利用由气体燃烧锅炉产生的热风通过反应容器12的外周面的加热容器24而进行的。因此，反应容器12均匀地并且很容易地被加热。
在基体板15上加直流电压，在基体板15附近形成负的电场。因此由加热激发的带有正电的反应种被高效地诱导至催化剂表面。其结果是减少了未被诱导至催化剂表面而引起副反应的乙炔的量，降低了制造成本。并且因为以镍为催化剂，其表面上的催化剂活性的各向异性有效地发挥作用，可以生成线圈直径小、线圈长度长的碳纤维线圈。
在基体板15上加直流电压。所以，与在基体板15上加交流电压、也就是说基体板15交互带正电与负电时相比，可以更有效地将反应种诱导至催化剂表面。其结果是减少了未被诱导至催化剂表面而产生副反应的乙炔的量，更加降低了制造成本。其结果是提高了碳纤维线圈的整体生成率。
利用第一实施方式的碳纤维线圈的制造方法所得到的碳纤维线圈的截面呈圆形状，提高了强度，并且线圈直径小，线圈长度长，所以可以用于电磁波吸收材料、微小机器、微小仪器等方面。
将原料气体、催化剂气体以及平衡气体的流速的合计值设定在适当的范围，当以线速度加以表示时，在室温、大气压下设定在100～3000cm/分的范围。从而，碳纤维线圈可以高效地成长。
流入口19的出口与基体板15的距离相对于从流入口19流入的原料气体的流速设定为适当范围的比率。即当以cm为单位表示距离，以线速度(cm/分)表示原料气体的流速时，该距离设定在线速度的1/10000～1/10的范围。因此流入口19和基体板15的距离可相对应地调节气体的流速，从而可以高效地生成碳纤维线圈。第二实施方式下面，主要针对与第一实施方式的不同点对第二实施方式加以说明。
如图2所示，第二实施方式的碳纤维线圈的制造装置11与第一实施方式的大致相同。而在第二实施方式中，反应容器12的加热方法与第一实施方式的不相同。并且，在基体板15上不加直流电压。
耐热用的石棉27被安装在反应容器12的外周。5座丙烷燃烧器28被配置在反应容器12的下方。各丙烷燃烧器28沿反应容器12的纵向按规定的间隔位置配置。从而反应容器12整体被均匀地加热到规定的温度。
要制造碳纤维线圈，就要将与第一实施方式同样的混合气体原料导入到反应容器12，利用5座丙烷燃烧器28对反应容器12进行加热。并且在750℃下持续进行2个小时的反应。此时在基体板15上没有加电压，不能形成负的电场。其结果是碳纤维几乎都呈螺旋状生长。
根据以下的实施例及比较例，更具体地对上述的各实施方式进行说明。实施例1在实施例1中，利用与使用5座丙烷燃烧器28的第二实施方式的制造装置11同样的装置，合成碳纤维线圈。碳纤维线圈的制造按照上述同样的步骤进行。
使用横向放置的长度为1000mm、内径为60mm的透明石英制的反应容器12。将涂了镍催化剂粉末的基体板15配置在反应容器12内的规定位置。此时，基体板15与流入口19的出口的距离是20mm，利用第一密封部件14将反应容器12的两端开口13堵塞上。
使乙炔、硫茂以及氢气都从流入口19流入到反应容器12内。此时，各气体的流速分别是乙炔为80cm/分，硫茂为1cm/分，氢气为250cm/分，氮气为130cm/分。各气体流速的合计值是461cm/分。使氮气从一对注入口20流入到反应容器12内。然后，利用丙烷燃烧器28使反应容器12内的温度上升到750℃。将这种状态保持两个小时，制造出碳纤维线圈。
计算出碳纤维线圈的全部生成率、乙炔的反应率、长的(10mm以上)碳纤维线圈的生成率、以及短的(10mm以下)碳纤维线圈的生成率。还计算出假定回收了未反应的乙炔而使乙炔100％反应时，碳纤维线圈的理论生成率。然后，再测定所得到的碳纤维线圈的线圈直径、线圈的截面形状以及其拉伸强度。
碳纤维线圈的全部生成率是由碳纤维线圈的重量(g)除以导入的乙炔中碳的重量(g)计算出来的。长的碳纤维线圈的生成率是由长的碳纤维线圈的重量(g)除以导入的乙炔中碳的重量(g)而计算出来的。短的碳纤维线圈的生成率是由短的碳纤维线圈的重量(g)除以导入的乙炔中碳的重量(g)而计算出来的。利用气体色谱分析法求出被排出的气体中未反应的乙炔的量，利用公式(1)计算出乙炔的反应率。理论生成率按照公式(2)计算。有关实施例2～5以及比较例1～2中的各生成率也同样用此法计算。


所得的结果示于表1。
表1

如表1所示，有20％的乙炔发生反应。碳纤维线圈的生成率是17％。其中15％是长的碳纤维线圈，假定回收未反应的乙炔并让乙炔100％发生反应，碳纤维线圈的理论生成率是85％。因此，可以认为碳纤维线圈是以相当高的生成率获得的。
这样，所得到的碳纤维线圈是非常均匀地螺旋状卷。碳纤维线圈的线圈直径是2μm，其截面是圆形。如果沿长度的方向拉伸碳纤维线圈，弹性伸长大约可达到原来长度的五倍。碳纤维线圈的拉伸强度是120～150kg/mm2。比较例1在比较例1中，更换燃烧器28，使用具有镍铬电热丝的电加热器，将该电加热器配置在反应容器12的外周。其它的装置和步骤与实施例1的相同。计算出各生成率及反应率，其结果示于表2。
表2

<p>如表2所示，与实施例1相比较，虽然乙炔的反应率较高，但碳纤维线圈的合计生成率反而降低了。这可以认为是由于乙炔被不希望的副反应过多地消耗了。短的碳纤维线圈的生成率比长的碳纤维线圈的生成率高。假定回收未反应的乙炔，让乙炔100％发生反应时的碳纤维线圈的理论生成率为17％，比实施例1的更低。
所得到的碳纤维线圈的截面是扁平状的。如果沿长度的方向拉伸碳纤维线圈，拉伸到原长的大约三倍时就断裂了。其拉伸强度是45～60kg/mm2。实施例2在实施例2中，使用硫化氢作为催化剂气体。硫化氢以0.6cm/分的流速流入到反应容器12内。其它的装置及步骤均与实施例1的相同。其结果示于表3。
表3

如表3所示，在实施例2中，将催化剂气体从硫茂变为硫化氢，从而，与实施例1相比，长的碳纤维线圈的生成率及碳纤维线圈的合计生成率都提高了。假定回收未反应的乙炔，让乙炔100％发生反应时的碳纤维线圈的理论生成率是83％，虽然比实施例1稍微低些，但比起比较例1来还是高许多。实施例3在实施例3中，使用三氯化磷作为催化剂气体。三氯化磷以0.6cm/分的流速流入到反应容器12内。其它的装置及步骤均与实施例1的相同。其结果示于表4。
表4

如表4所示，在实施例3中，将催化剂气体从硫茂变为三氯化磷，从而，与实施例1相比，长的碳纤维线圈的生成率及碳纤维线圈的合计生成率都提高了。假定回收未反应的乙炔，让乙炔100％发生反应时的碳纤维线圈的理论生成率是80％，稍微低一些。但是，其理论生成率与比较例1的相比依然是较高的。实施例4在实施例4中，在基体板15上加500V的直流电压，在基体板15上形成负的电场。其它的装置和步骤均与实施例1的相同，其结果示于表5。
表5

如表5所示，在实施例4中，由于在基体板15上加直流电压，所以长的碳纤维线圈的生成率、碳纤维线圈的合计生成率以及假定回收未反应的乙炔而让乙炔100％发生反应时的生成率都分别比实施例1的提高了。实施例5在实施例5中，在基体板15上加7000V的交流电压，则在基体板15上形成交流电场。其它的装置和步骤均与实施例1的相同，其结果示于表6。
表6

如表6所示，在实施例5中，碳纤维线圈的合计生成率、乙炔的反应率、长的碳纤维线圈的生成率以及短的碳纤维线圈的生成率均与实施例1的大致相同。但是假定让未反应的乙炔100％发生反应时的生成率比实施例1的低。但是，其理论生成率与比较例1的相比依然是较高的。比较例2在比较例2中，使用带有镍铬电热线的电加热器作为加热手段。并且在基体板15上加交流电压。其它的装置和步骤均与实施例1的相同，其结果示于表7。
表7

如表7所示，在比较例2中，乙炔的反应率与各实施例的相比都提高了许多，但是碳纤维线圈的合计生成率与实施例1～实施例5的都大致相同，并且显示出长的碳纤维线圈所占的比例较低。回收未反应的乙炔而让乙炔100％发生反应时的碳纤维线圈的理论生成率相当低。也就是说，可以认为在比较例2中乙炔被不希望的副反应过多地消耗了。
第一及第二实施方式不局限于上面所述的内容，还可以做如下变更。
可以将反应容器12纵向放置。这时流入口19沿水平方向延伸，基体板15被垂直配置并将其与流入口19的出口之间的距离保持在规定的范围。也可以将反应容器12倾斜配置。这时流入口19斜向延伸，基体板15以倾斜的状态配置并使其与流入口19的出口之间的距离保持在规定的范围。碳纤维线圈在基体板15上的生成，与反应容器12的设置状态无关。
就象将横向放置的反应容器12多段堆积起来，原料气体及催化剂气体流入到各反应容器12内一样，也可以将流入口19设置在反应容器12的侧面。这时，基体板15的端部被配置成与流入口19相对并且与流入口19的出口间隔规定的距离。根据这种构成，就可以在一次制造过程中高效地制造出更多的碳纤维线圈。
在反应容器12的外圆周按规定的间隔设置多个流入口19，与此相对应，可以对着多个流入口19延长基体板15，这时碳纤维线圈可以一次高效率地大量地合成。
可以在基体板15上形成高电压的静电场。例如，通过连接线16a将高电压静电场的发生装置连接在基体板15上，连接线16b的前端呈开放状态，这时，因为在基体板15上形成静电场，则可提高碳纤维线圈的生成率。
可以交互使用第一实施方式中的用加热容器24的热风进行加热的形式与第二实施方式中的用丙烷燃烧器28进行加热的形式，也可以二者同时使用。这时，也因为没有来自反应容器外部的电磁场的影响，可提高碳纤维线圈的生成率。
在第一实施方式中，也可以在基体板15上不加直流电压而合成碳纤维线圈。这时，因为没有来自反应容器外部的电磁场的影响，可提高碳纤维线圈的生成率。
也可以在离开反应容器12的地方利用电加热器加热气体，将被加热的气体用于反应容器12的加热。这时，因为来自反应容器12外部的电磁场实际上不产生影响，所以乙炔的副反应被抑制，也可以高效地制造出碳纤维线圈。
如上所述，结合附图描述了本发明的各种实施例与实施方式，但是，本发明不仅限定于上面所述的内容，也可能在附加的权利要求中记载的及其等效物的范围内进行变化。
权利要求
1.一种通过在反应容器内加热经热分解生成固态碳的原料气体和促进原料气体热分解的催化剂气体而制造碳纤维线圈的碳纤维线圈的制造方法，该碳纤维线圈的制造方法包括下列工序在所述的反应容器内的规定位置配置固体催化剂的工序，向所述的反应容器内提供所述的原料气体及催化剂气体的工序，为让所述的原料气体生成碳纤维线圈而加热所述的反应容器的工序，并且实际上在反应容器内不产生基于该加热工序的电磁场。
2.按照权利要求1所述的碳纤维线圈的制造方法，其特征在于所述的催化剂气体包含有元素周期表中第15族和16族的元素。
3.按照权利要求2所述的碳纤维线圈的制造方法，其特征在于所述的原料气体及催化剂气体通过在所述的反应容器形成的流入口，分别以规定的流速被提供到所述的反应容器内。
4.按照权利要求3所述的碳纤维线圈的制造方法，其特征在于所述的原料气体的单位时间的供给量，以线速度(cm/分)表示时，在所述的流入口的出口与所述的固体催化剂之间距离(cm)的10～10000倍的范围内。
5.按照权利要求4所述的碳纤维线圈的制造方法，其特征在于它还包括有为使上述固体催化剂带电而从外部电源为该催化剂加电压的工序。
6.按照权利要求5所述的碳纤维线圈的制造方法，其特征在于所述的外部电源是直流电源，所述的电压是负电压，所述的固体催化剂带有负电。
7.按照权利要求4所述的碳纤维线圈的制造方法，其特征在于所述的反应容器被加热到700℃～830℃范围内的温度。
8.一种利用受热分解而生成固态碳的原料气体、以及促进所述的原料气体热分解的催化剂气体制造碳纤维线圈的制造装置，该制造装置包括供给所述的原料气体和催化剂气体的反应容器，所述的原料气体和催化剂气体通过流入口被供给到该反应容器内，被放置在所述的反应容器内规定位置的固体催化剂，为使所述的原料气体生长为碳纤维线圈而加热所述的反应容器内部的加热装置，该加热装置在加热时在所述的反应容器内实际上不会形成电磁场。
9.按照权利要求8所述的碳纤维线圈的制造装置，其特征在于所述的固体催化剂对应于所述的流入口的出口配置，此时该固体催化剂和所述的流入口的出口之间的距离(cm)与流过所述的流入口的所述的原料气体的流入速度(cm/分)的比值在1/10000～1/10的范围内。
10.按照权利要求9所述的碳纤维线圈的制造装置，其特征在于所述的原料气体包含有乙炔、甲烷、丙烷中的任何一种。
11.按照权利要求9所述的碳纤维线圈的制造装置，其特征在于所述的催化剂气体包含有元素周期表中第15族及第16族的元素。
12.按照权利要求11所述的碳纤维线圈的制造装置，其特征在于所述的催化剂气体包含有硫磺、硫茂、硫化氢、甲硫醇、磷及三氯化磷中的任何一种气体。
13.按照权利要求10所述的碳纤维线圈的制造装置，其特征在于所述的催化剂含有镍的微结晶体。
14.按照权利要求8所述的碳纤维线圈的制造装置，其特征在于所述的反应容器被加热到700℃～830℃的温度范围内。
15.按照权利要求14所述的碳纤维线圈的制造装置，其特征在于所述的加热装置是燃烧器。
16.按照权利要求14所述的碳纤维线圈的制造装置，其特征在于所述的加热装置包含有覆盖所述的反应容器的加热容器，以及在该加热容器和所述的反应容器之间流动的高温流体。
17.按照权利要求8所述的碳纤维线圈的制造装置，其特征在于它具有外部电源，该电源给上述固体催化剂加电压，使该国体催化剂带电。
18.按照权利要求17所述的碳纤维线圈的制造装置中，其特征在于所述的外部电源是直流电源，所述的电压是负电压，所述的固体催化剂带有负电。
全文摘要
将经热分解而生成固态碳的原料气体和促进该原料气体热分解的催化剂气体放在反应容器(12)中进行加热,从而制造碳纤维线圈的制造方法及制造装置。在反应容器(12)内的规定位置放置固体催化剂(15),向反应容器(12)内供给原料气体和催化剂气体。为从原料气体生成碳纤维线圈而对反应容器(12)内部加热。在加热时,在反应容器(12)中不会形成因为加热而产生的电磁场。
文档编号D01F9/127GK1256725SQ99800179
公开日2000年6月14日 申请日期1999年2月23日 优先权日1998年2月27日
发明者元岛栖二, 井户胜富, 丹羽祯辅 申请人:株式会社电子物性综合研究所, 元岛栖二