专利名称：电极装置与应用该电极装置的反应气氛控制系统及方法
技术领域：
本发明涉及电弧法合成碳材料技术领域，尤其涉及一种用于电弧法合成碳材料时 的电极装置及应用该电极装置的一种反应气氛控制系统及一种反应气氛控制方法。
背景技术：
现有技术中，电弧放电法是目前制备富勒烯最普遍且产率最高的方法。通常是以 石墨棒为阴极，以石墨棒或金属复合石墨棒为阳极，在电弧放电的同时制备富勒烯和金属 富勒烯。电弧放电通常是在氦气气氛下进行的，氦气入口通常在进行放电合成的合成炉 (或称电弧炉)的炉体上。目前氦气多是国外进口，因而价格高昂，每瓶氦气价格在2000 元以上。按气氛的引入方式，电弧放电通常分为静态和动态两种，静态放电通常是将合成 炉抽真空，到一定真空度时，充入氩气，重复数次，将空气完全除去，之后再抽真空后充入氦 气，达到一定压力后，电弧放电合成富勒烯。动态方法是将空气除去后，充入氦气到一个大 气压，打开炉体上的出气口。保持一定的氦气流量，在氦气流动的同时电弧放电，制备富勒 火布。这两种方法都有其本身的缺陷。静态方法时，随着电弧放电反应的进行，合成炉中 的气氛变得越来越复杂，会生成大量的有机物或其它不明物质，气氛的改变严重降低了富 勒烯及金属富勒烯的产率。而动态法时，氦气一直处于流动状态，完成相同的放电量，所用 氦气量是静态方法的十倍以上，因此增加了富勒烯的制备成本。另外，在富勒烯的制备时，有时需要引入其它反应气氛，例如制备含氮金属富勒烯 时，可以引入氨气，所以需要在静态下进行，且需要控制氨气与惰性气体的比例。随着电弧 放电的进行，这种混合气氛必然发生变化，特别是电弧放电区，氨气量大幅度下降，而外围 的氨气无法及时供应于电弧放电区，因而降低了含氮金属富勒烯的产率。因此，需要开发一种反应气氛控制系统及控制方法，解决上述问题。另外，在需要对合成炉的反应气氛进行控制时，有时也需对合成炉内的压力进行 控制，本申请人的申请号为201020173910. 7的实用新型申请(以下简称申请1)，提出了一 种具有压力控制单元的真空压力控制器，其结构简单、便于制造、维护方便、成本低廉且具 有防爆功能的真空压力控制器。也为进行气氛控制提供了更好的条件。
发明内容
本发明的目的首先在于提供一种能够将反应气氛定向导入电弧放电区的电极装 置，以解决现有技术的电弧放电区附近气氛复杂、反应气氛得不到有效利用、生产成本高的 技术问题。本发明的目的还在于提供一种能够有效控制与调节电弧放电区的反应气氛、提高 碳材料产量并节约成本的反应气氛控制系统，以解决现有技术的电弧放电区附近气氛复 杂、反应气氛得不到有效利用、生产成本较高的技术问题。
本发明的目的也在于提供一种能够有效控制与调节电弧放电区的反应气氛、提高 碳材料产量并节约成本的反应气氛控制方法，以解决现有技术的电弧放电区附近气氛复 杂、反应气氛得不到有效利用、生产成本较高的技术问题。为实现上述目的，本发明的技术方案如下一种电极装置，用于碳材料的电弧法合成工艺，所述电极装置包括电极壳体， 所述壳体的中轴线上设置所述电极，所述壳体一侧具有开口以使所述电极前端与对电极进 行接触放电形成放电区；所述壳体与所述电极之间通过绝缘件电性绝缘；气路，在所述电 极与所述壳体外壁之间形成有环绕所述电极的气路，所述气路的出口位于所述壳体的出口 端，以使所述气路中的气体输送于所述放电区。本发明的电极装置，优选的，所述壳体为一侧开口的外圆筒，所述绝缘件为靠近所 述外圆筒筒底且与所述筒底平行设置的一绝缘片，所述气路的入口设置于所述绝缘片与所 述筒底之间，所述电极末端连接于所述绝缘片，所述电极前端伸出于所述圆筒的所述开口， 所述绝缘片围绕所述电极均勻设置有分配孔，所述电极与所述外圆筒之间形成所述气路。本发明的电极装置，优选的，所述壳体还包括一绝缘材质的内圆筒，所述电极设置 于所述内圆筒中，所述内圆筒与所述外圆筒之间形成所述气路。本发明的电极装置，优选的，所述内圆筒、所述外圆筒及所述绝缘片一体成型，且 所述内圆筒与所述外圆筒之间一体成型有与所述分配孔直径相同的圆柱状通气孔，以作为 所述气路。一种反应气氛控制系统，用于碳材料的电弧法合成工艺，所述反应气氛控制系统 包括气源；气体流量控制器，连接于所述气源，控制所述气源中气体的流量；本发明的电 极装置，设置于合成炉中，通过输气管连接于所述气体流量控制器，所述电极装置的所述气 路入口连接所述输气管的出端，使所述气体经过所述气路从所述气路出口向所述放电区输送。本发明的反应气氛控制系统，优选的，所述气源为多个，所述反应气氛控制系统还 包括设置于所述气体流量控制器与所述电极装置之间的气体混合器，从所述气体流量控制 器流出的各所述气源的气体经所述气体混合器混合均勻后经所述输气管输送于所述电极
直ο本发明的反应气氛控制系统，优选的，所述反应气氛控制系统还包括连接于所述 合成炉的用于控制所述合成炉内压力的压力控制器，以维持所述合成炉内的压力在设定的 范围内。一种反应气氛控制方法，用于碳材料的电弧法合成工艺，所述反应气氛控制方法 包括步骤SlO 通过气体流量控制器对气源的气体流量进行控制；步骤S20 通过输气管 将所述气体输送至合成炉中的权利要求1-4任一所述的电极装置；步骤S30 所述气体经气 路入口流入所述电极装置，经过所述电极装置的所述气路从所述气路出口向所述放电区输送。本发明的反应气氛控制方法，优选的，步骤SlO中，所述气源为多个，所述气体流 量控制器分别对各气源进行流量控制；在步骤SlO与步骤S20之间，还包括步骤S15，将从 所述气体流量控制器流出的各所述气源的气体送入一气体混合器混合均勻后再经所述输 气管输送于所述电极装置。
本发明的反应气氛控制方法，优选的，所述反应气氛控制方法还包括通过压力控 制器维持所述合成炉内压力在一设定的范围内的步骤。本发明的有益效果在于本发明的电极装置及应用该电极装置的反应气氛控制系统及反应气氛控制方法， 可以应用于制备富勒烯及金属富勒烯时惰性气氛及其它用电弧法合成碳材料时的反应气 氛控制。本发明利用电极装置的“双层电极”的层间空隙，将惰性气氛定时、定量、定向的导 入电弧反应放电区，并可以根据需要调节反应气氛，不仅可以节省惰性气体及其它反应气 体的用量，而且可以提高富勒烯与金属富勒烯的产率。
图1为本发明优选实施例的反应气氛控制系统的示意图。图2为本发明第一实施例的电极装置的纵向剖视示意图。图3为本发明第一实施例的电极装置的绝缘片的示意图。图4为本发明第二实施例的电极装置的纵向剖视示意图。图5为本发明第三实施例的电极装置的横截面图。附图标记说明如下20 电极21气路入口22 气路23气路出口24外圆筒25分配孔26分配腔27连接管28内圆筒29绝缘片31对电极32 转盘33 转轴4输气管5压力控制器6气体混合器7气体流量控制器11 气源12 气源13输气管14输气管
具体实施例方式体现本发明特征与优点的典型实施例将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本 发明能够在不同的实施例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及 附图在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。下面具体介绍本发明优选实施例的电极装置及反应气氛控制系统与反应气氛控 制方法。其中，本发明优选实施例的反应气氛控制方法，由本发明优选实施例的反应气氛 控制系统来实现。如图1所示，本发明优选实施例的反应气氛控制系统，用于碳材料的电弧法合成 工艺的合成炉中尤其是电弧放电区的反应气氛控制，碳材料包括但不限于为富勒烯、金属 富勒烯及碳纳米管等，本发明优选实施例的反应气氛控制系统包括气源11、气源12、气体 流量控制器7、气体混合器6、压力控制器5以及本发明优选实施例的电极装置。在具体介绍本发明优选实施例的反应气氛控制装置的各组成部分之前，先介绍本 发明具体实施例的电极装置。本发明各实施例的电极装置均可应用于本发明优选实施例的 反应气氛控制系统及本发明优选实施例的反应气氛控制方法。电极装置的第一实施例如图2所示，本发明第一实施例的电极装置主要包括电极20、作为壳体的外圆筒 24及将电极与外圆筒M电性绝缘的绝缘片四。气路22形成于电极20与外圆筒M之间。其中，作为阴极的电极20设置在外圆筒M的中轴线位置，电极20优选的为石墨 棒，电极20的末端连接于绝缘片29，电极20的前端伸出外圆筒M之外，以与作为阳极的对 电极31接触进行电弧放电。电极20的轴心位置与连接管27相连接，可借助连接管27将 电极装置固定于合成炉，连接管27中也可穿设为电极20供电的缆线。对电极31设置在一 个圆形转盘32上，转盘32的圆周上可以均勻分布多个阳极碳棒，通过转轴33带动转盘32转 动而使得圆周上的阳极碳棒能够依次与电极20进行放电。但阳极的实现方式不以此为限。如图2所示，外圆筒M左侧封闭，右侧具有开口，外圆筒的材质可为不锈钢、石墨 等，优选的为能够耐高温的石墨。外圆筒M的作用是疏导气体定向进入放电区。绝缘片四靠近外圆筒M筒底且与筒底平行，绝缘片四的外圆表面与外圆筒M 的内壁相接触，绝缘片四既可以将电极20与外圆筒M电性绝缘，也可以使得外圆筒M不 会受到电极20放电的干扰。绝缘片四与所述筒底之间形成相对封闭的分配腔沈，气路22的气路入口 21设 置于绝缘片四与所述筒底之间，也即开设于分配腔沈上，如图3所示，绝缘片四围绕电极 20均勻设置有圆形的分配孔25，使得从气路入口 21进入分配腔沈的气体经过各分配孔25 进入气路22，分配孔25的作用在于使气流在电极20的周向上能够均勻分配，保证反应气氛 经气路22、气路出口 23而均勻、平稳的流向碳材料合成的主要区域电弧放电区(简称 放电区)，而电弧放电区的反应气氛是决定碳材料产率的关键。电极装置的第二实施例与第一实施例不同的是，如图4所示，外圆筒M内还包括一绝缘材质的内圆筒观， 内圆筒28与外圆筒M共同作为电极装置的壳体，电极20设置于两侧开口的内圆筒观中， 内圆筒观的左侧与绝缘片四相连接，内圆筒观外壁与外圆筒M内壁之间形成气路22。其他如电极20、气路入口 21、分配孔25、分配腔沈、连接管27及绝缘片四的设置均与第一 实施例相同，不再赘述。本实施例的优点在于，通过设置电绝缘材质的内圆筒观，进一步的将电极20与气 路22相分隔，保证气路22中的气体不受电极20的干扰而平稳、均勻的输送至电弧放电区。电极装置的第三实施例与前两实施例不同的是，如图5所示，图5所示的截面图的截面位置为图4中B-B 处，本实施例中，内圆筒、外圆筒及绝缘片一体成型，均为绝缘材质，且内圆筒观与外圆筒 24之间一体成型有与分配孔25直径相同的圆柱状通气孔，以各通气孔作为气路22。图3 和图5中，分配孔25的个数为六个。本实施例中，以多条单独的通气孔作为气路22，能够使气流更平稳、更均勻。下面介绍本发明优选实施例的反应气氛控制系统中的其他组成部分。气源11和气源12，例如为气瓶等气体储存装置所储存的气体可为惰性气体(如 氦气)或反应气体(如氨气)等，气源的数目可为一个或多个，并不受限制。气体流量控制器7，用于控制气源11、12的气体流量在合适的范围，既不浪费气 体，也使电弧区的气氛保持在能产生富勒烯的最适状态。当不需要供应某个气源的气体时， 相当于控制该气体的流量为0，因此气体流量控制器7既起到定量的作用，也起到定时的作 用。气体混合器6:如只是引入一个气源，例如只引进惰性气体，则气体混合器6只是 起到缓冲的作用，如果除惰性气体外，还需引入反应气体，则气体混合器6起到混合均勻与 缓冲的双重作用。如图1所示，气源12的气体经输气管13、气源11的气体经输气管14进 入气体混合器6，混合均勻后经输气管4送入电极装置。压力控制器5，随着惰性气体或反应气体进入合成炉，合成炉内的压力升高，且合 成炉在进行一段时间的电弧放电之后，也会产生大量的有机物或其他不明杂质，这些杂质 也需要排出，以保证合成炉内的反应气氛。因此，需用压力控制器5感知和控制合成炉内的 压力，使之维持在一个设定的范围内。本发明的反应气氛控制系统，可以使用常规的压力控制器，也可以使用常规的压 力感受器与泄压阀相配合的形式，即压力感受器感知合成炉内的压力超过一设定范围或设 定阈值时，打开泄压阀进行泄压；压力感受器感知合成炉内的压力已恢复至设定范围或小 于设定阈值时，关闭泄压阀。本发明优选实施例的反应气氛控制系统，还可以使用申请1的真空压力控制器中 进行压力控制。在申请1的真空压力控制器中，选择用于控制压力的电接点压力表作为压 力控制单元，所述真空压力控制器例如可为如下的构造与连接关系包括置于一密封盒中 的两个电接点压力表；第一个电接点压力表与抽气电磁阀相串联，第二个电接点压力表与 进气电磁阀相连接；抽气电磁阀与抽气管路相连，进气电磁阀与进气管路相连；第一个压 力控制单元、第二个压力控制单元、抽气电磁阀、进气电磁阀分别通过连通管路与需要控制 压力的合成炉相连接，以便控制合成炉内的压力。同时，本发明的反应气氛控制方法，需设定炉内压力达到一定压力下，例如 200ΤΟΠ·，压力控制器开启；炉中压力降至小于200Τοπ·时控制器关闭。在这样的设定下，压 力控制器中真正起作用的是其中一个控制抽气电磁阀开关的电接点压力表，当压力等于或大于设定值时，该表中的电接点是通电状态，抽气电磁阀打开，炉内压力下降；当压力小于 设定值时，该表中的电接点应该是断电状态，抽气电磁阀关闭，压力不再下降。另外，在气体混合器6与电极装置的气路入口 21之间的输气管4上，可以设置阀 门，通过阀门的关闭和开启以手动或者自动控制流量。以下再介绍本发明优选实施例的反应气氛控制方法。大致包含以下几个步骤通过气体流量控制器7对一个或多个气源的气体流量进 行控制；将从气体流量控制器7流出的各气源的气体送入气体混合器6混合均勻后再经输 气管4输送于电极装置。通过输气管4将气体输送至合成炉中的电极装置的气路入口 21 ； 经气路入口 21流入电极装置的气路22，经气路22从气路出口 23向所述放电区输送。在放 电合成开始后，通过压力控制器5维持合成炉内压力在一定范围内。下面以反应气氛的气体为2 1的氦气和氨气为例，介结本发明反应气氛控制方 法的一个具体实施例步骤1、设置合成炉内的压力为200Torr (托)，即压力的合理范围为小于200Torr。步骤2、开启气源11的氦气气瓶，通过气体流量调节器7调节氦气的流量到Iml/ min，通过输气管13向气体混合器6输送。步骤3、开启氦气气瓶的同时开启气源12的氨气气瓶，通过气体流量调节器7调 节氨气的流量到0.5ml/min，即两气体的流量比为2 1，通过输气管14向气体混合器6输送。步骤4、在气体混合器6中，氦气与氨气得到充分的混合而混合均勻，通过输气管4 而进入合成炉中的电极装置，由气路入口 21进入电极装置中的气路22。步骤5、进入电极装置后，经气路22、气路出口 23而将按1 2混合的氨气与氦气 直接送入电弧放电区。步骤6、具备了相应的反应气氛后，电弧放电开始，在电弧放电的过程中，通照反应 的要求，控制氨气与氦气的实时流量，保证电弧放电区的反应气氛。步骤7、在反应进行的过程中，通过压力感受器对合成炉内的压力进行实时感测， 当合成炉内的压力大于200ΤΟΠ·时，开启泄压阀门以进行泄压，同时能够排出相应的杂质， 此时合成炉内的压力降低，当压力感受器感测到压力小于200ΤΟΠ·时泄压阀门关闭。步骤8、重复步骤7，直至合成炉内的电弧放电结束。综上，本发明的优点在于1、本发明可将惰性气氛定时、定量、定向的导入电弧反应放电区。2、本发明通过控制电弧放电区的反应气氛，使其在整个放电过程中保持稳定，避 免由于放电产生的杂质对反应气氛的污染。3、本发明可根据需要调节反应气氛，或者调节反应气氛中惰性气氛和其它气氛的 比例。4、提高富勒烯及金属富勒烯的产率。5、节约成本，在反应气氛的气体得到有效利用以后，氦气的使用量必然减少，因此 可以节约成本。虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人 员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的为准。
权利要求
1.一种电极装置，用于碳材料的电弧法合成工艺，其特征在于，所述电极装置包括电极；壳体，所述壳体的中轴线上设置所述电极，所述壳体一侧具有开口以使所述电极前端 与对电极进行接触放电形成放电区；所述壳体与所述电极之间通过绝缘件电性绝缘；气路，在所述电极与所述壳体外壁之间形成有环绕所述电极的气路，所述气路的出口 位于所述壳体的出口端，以使所述气路中的气体输送于所述放电区。
2.如权利要求1所述的电极装置，其特征在于，所述壳体为一侧开口的外圆筒，所述绝 缘件为靠近所述外圆筒筒底且与所述筒底平行设置的一绝缘片，所述气路的入口设置于所 述绝缘片与所述筒底之间，所述电极末端连接于所述绝缘片，所述电极前端伸出于所述圆 筒的所述开口，所述绝缘片围绕所述电极均勻设置有分配孔，所述电极与所述外圆筒之间 形成所述气路。
3.如权利要求2所述的电极装置，其特征在于，所述壳体还包括一绝缘材质的内圆筒， 所述电极设置于所述内圆筒中，所述内圆筒与所述外圆筒之间形成所述气路。
4.如权利要求3所述的电极装置，其特征在于，所述内圆筒、所述外圆筒及所述绝缘片 一体成型，且所述内圆筒与所述外圆筒之间一体成型有与所述分配孔直径相同的圆柱状通 气孔，以作为所述气路。
5.一种反应气氛控制系统，用于碳材料的电弧法合成工艺，其特征在于，所述反应气氛 控制系统包括气源；气体流量控制器，连接于所述气源，控制所述气源中气体的流量；权利要求1-4任一所述的电极装置，设置于合成炉中，通过输气管连接于所述气体流 量控制器，所述电极装置的所述气路入口连接所述输气管的出端，使所述气体经过所述气 路从所述气路出口向所述放电区输送。
6.如权利要求5所述的反应气氛控制系统，其特征在于，所述气源为多个，所述反应气 氛控制系统还包括设置于所述气体流量控制器与所述电极装置之间的气体混合器，从所述 气体流量控制器流出的各所述气源的气体经所述气体混合器混合均勻后经所述输气管输 送于所述电极装置。
7.如权利要求5或6所述的反应气氛控制系统，其特征在于，所述反应气氛控制系统还 包括连接于所述合成炉的用于控制所述合成炉内压力的压力控制器，以维持所述合成炉内 的压力在设定的范围内。
8.一种反应气氛控制方法，用于碳材料的电弧法合成工艺，其特征在于，所述反应气氛 控制方法包括步骤SlO 通过气体流量控制器对气源的气体流量进行控制；步骤S20 通过输气管将所述气体输送至合成炉中的权利要求1-4任一所述的电极装置；步骤S30 所述气体经气路入口流入所述电极装置，经过所述电极装置的所述气路从 所述气路出口向所述放电区输送。
9.如权利要求8所述的反应气氛控制方法，其特征在于，步骤SlO中，所述气源为多个， 所述气体流量控制器分别对各气源进行流量控制；在步骤SlO与步骤S20之间，还包括步骤S15，将从所述气体流量控制器流出的各所述气源的气体送入一气体混合器混合 均匀后再经所述输气管输送于所述电极装置。
10.如权利要求8或9所述的反应气氛控制方法，其特征在于，所述反应气氛控制方法 还包括通过压力控制器维持所述合成炉内压力在一设定的范围内的步骤。
全文摘要
本发明公开了一种电极装置及具有该电极装置的反应气氛控制系统及控制方法，用于电弧法合成碳纳米材料，所述电极装置包括电极；壳体，所述壳体的中轴线上设置所述电极，所述壳体一侧具有开口以使所述电极前端与对电极进行接触放电形成放电区；所述壳体与所述电极之间通过绝缘件电性绝缘；气路，在所述电极与所述壳体外壁之间形成有环绕所述电极的气路，所述气路的出口位于所述壳体的出口端，以使所述气路中的气体输送于所述放电区。本发明可以根据需要调节反应气氛，不仅可以节省惰性气体及其它反应气体的用量，而且可以提高产率。
文档编号C01B31/02GK102098821SQ20101059218
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月16日 优先权日2010年12月16日
发明者孙宝云, 董金泉, 赵宇亮 申请人:中国科学院高能物理研究所