专利名称：电极间距微调系统和使用该系统的电弧放电设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电极间距微调系统和使用该系统的电弧放电设备。
背景技术：
碳纳米管是一种新型碳材料，由日本研究人员Iijima于1991年发现，请参见″Helical microtubules of graphitic carbon″，S Iijima，Nature，Vol.354，P56(1991)。碳纳米管以其优良的导电性能，完美的晶格结构，纳米尺度的尖端等特性而成为极具希望的场发射阴极材料，于场发射平面显示器件、电真空器件、大功率微波器件等应用领域有着广阔的前景。
碳纳米管的制备方法主要包括脉冲激光蒸发法、化学气相沉积法和电弧放电法。脉冲激光蒸发法是利用脉冲激光的高能量蒸发含有金属催化剂的石墨靶获得碳纳米管；化学气相沉积法是用纳米尺度的过渡金属或其氧化物作为催化剂，在相对低的温度下热解含碳的源气体来制备碳纳米管；电弧放电法是利用纯石墨或掺有金属催化剂的石墨电极电弧放电获得碳纳米管。其中，电弧放电法是制备碳纳米管材料的一种重要方法，因这种方法制备的碳纳米管石墨化程度高，物理特性最好。
目前，电弧放电设备包括至少两对应的碳棒电极，以及用于控制两碳棒电极间隙的位移调节装置。电弧放电过程中，阳极顶端一部分碳原子在高温(4000℃以上)下被蒸发汽化以及在阴极产生大量电子的轰击下，产生大量活性碳粒子和中性碳粒子并进入电弧放电区域，各种粒子之间重复发生碰撞进一步生成碳离子和活性碳粒子，并在阳极、阴极和电弧放电设备内壁上沉积一层烟灰，其包括碳纳米管或富勒烯等。所以，阳极的碳棒在电弧放电过程中将不断消耗，两电极的间隙将不断变化。
在电弧放电制备碳纳米管的实验中，电压和气体压力是最重要的两项制程参数，其中影响电压的最大因素是两电极顶端的距离。为使电弧放电的电压保持于一定范围内，需通过位移调节装置于电弧放电过程中调节两电极的间隙。
请参阅图1，2003年2月12日公告的第02224490.5号中国专利中揭露一种电弧放电设备10，其包括一真空室1，设置在该真空室1内的一阳极4和一盘状的阴极5。其中，该阳极4由一阳极支架2和与该阳极支架2相连的一阳极移动臂3所支撑；该阴极5由一阴极支架6支撑，该阳极4设在该阴极5的上方，且该阳极4的下端与盘状的阴极5相对应。阳极支架2和阴极支架6的下端分别设置有阳极转动手柄9和阴极转动手柄8。该设备通过手动调节阳极转动手柄9或阴极转动手柄8来控制该阳极4与该阴极5的间距，使电弧放电保持一定的电压。但是，该阳极4与该阴极5的间距会不断变化，因此必须由人工监视电压表，并不断以手动微调碳棒间距，有时实验时间长达数十分钟，所以，该设备不利于操作人员的实际操作，且容易出现碳纳米管生长不均匀的问题。
另外，现有的电弧放电设备还有采用在两碳棒电极任一端连接手动的位移调节设备，用于控制两电极之间的电压。该设备同样出现需长时间手动操作，且容易出现碳纳米管生长不均匀的问题。
有鉴于此，提供一种可以自动准确控制电极间距，使电弧放电的电压保持稳定的电极间距微调系统和使用该系统的电弧放电设备实为必要。
发明内容以下，将以若干实施例说明一种可以自动准确控制电极间距，使电弧放电的电压保持稳定的电极间距微调系统。
以及通过这些实施例说明一种可以自动准确控制电极间距，使电弧放电的电压保持稳定的电弧放电设备。
为实现上述内容，提供一种电极间距微调系统，其包括两相对应的电极，其中至少一电极可移动；一用于测量该两电极间隙电压差值的电压感测器；一与该电压感测器相连接的控制器，用于将电压讯号转换成距离讯号；至少一与该控制器相连接的驱动装置，其与该可移动电极相连接，用于控制该可移动电极根据该距离讯号移动相应的距离。
该驱动装置包括一伺服马达和一与该伺服马达的齿轮机构连接的螺杆，该螺杆与该可移动电极相连接。
以及，提供一种电弧放电设备，其包括一反应器；两设于该反应器内部侧壁的电极，其顶端相互对应，且其中至少一电极可移动；一电源连接该两电极，用于使该两电极之间产生电弧放电；一用于测量该两电极间隙电压差值的电压感测器；一与该电压感测器相连接的控制器，用于将电压讯号转换成距离讯号；至少一与该控制器相连接的驱动装置，其与该可移动电极相连接，用于控制该可移动电极根据该距离讯号移动相应的距离。
与现有技术相比较，本技术方案的电极间距微调系统通过即时监控该两电极间隙电压(制程电压)值，回馈于控制器，然后下指令给驱动装置(伺服马达和螺杆)进行两电极间距的微调，用于控制该间隙电压于一定值。所以，本技术方案的电极间距微调系统能即时控制两电极间隙电压于一定值，使两电极的电弧放电稳定。采用该系统的电弧放电设备自动化程度高，有利于提高其碳纳米管产品品质。
图1是第02224490.5号中国专利的电弧放电设备结构示意图。
图2是第一实施例的电极间距微调系统示意图。
图3是第一实施例的电极间距微调系统中伺服马达、螺杆与两电极的连接结构示意图。
图4是第一实施例的电极间距微调系统的工作流程示意图。
图5是第二实施例的电弧放电设备示意图。
具体实施方式下面将结合附图和实施例对本技术方案作进一步的详细说明。
请参阅图2，第一实施例的电极间距微调系统20，其主要包括两相对应的阳极23和阴极24，一电压感测器27，一控制器28，一驱动装置(未标示)，本实施例该驱动装置包括一伺服马达(Servo Motor)29和一滚珠螺杆(BallScrew)(图未示)。
该阳极23和阴极24设于一反应器21内部，该阳极23与位于反应器21底部的支撑体25相连接，该阴极24与设于该反应器21顶部的支撑体26相连接。该两电极23、24分别与支撑体25、26电绝缘。本实施例中该阴极24和支撑体26可移动，该阳极23和支撑体25固定于反应器21。该两电极23、24都为碳棒电极，其间距保持适当距离。
该阴极24与阳极23外接一电源(图未示)，用于提供一固定电流使该两电极23、24产生电弧放电，本实施例该电源的工作电流为70A。
该电压感测器27与该阴极24和阳极23相连接，其用于测量该两电极23、24间隙的电压，该电压即该两电极23、24在产生电弧放电形成通路时在该两电极23、24之间产生的电压差，也称制程电压。该电压感测器27还具有发出所测电压差值的功能。
该控制器28与该电压感测器27相连接，其用于将电压感测器27发出的电压讯号转换成距离讯号。
该伺服马达29与该控制器28相连接，其用于将控制器28发出的距离讯号进行处理，最后通过该伺服马达内部的齿轮机构(图未示)输出距离。该伺服马达29除该齿轮机构外还包括一直流马达(图未示)、一反馈可调电位器(图未示)和一电子控制板(图未示)。
该滚珠螺杆(图未示)与该伺服马达29的齿轮机构相连接，该滚珠螺杆(图未示)与该支撑体26相连接，用于移动与该支撑体26连接的该阴极24，使其与阳极23保持适当距离。
电极间距微调系统20的工作原理是通过电压感测器27即时监控制程电压值，回馈于控制器28，然后下指令给伺服马达29进行该两电极23、24间距的微调，使该两电极23、24间隙的电压保持一定值。
下面结合图3和图4进一步详细说明伺服马达29和滚珠螺杆(图未示)的连接结构和整个电极间距微调系统20的工作流程。
如图3所示，该伺服马达(图未示)内部的直流马达291与齿轮机构292相连接。该滚珠螺杆包括一螺杆本体301、一固定于螺杆本体301的第二齿轮302和一与螺杆本体301配套的螺母303，其可以于螺杆本体301上移动。该第二齿轮302与该齿轮机构292相齿合。该螺母303与该支撑体26相连接。在该齿轮机构292的带动下该第二齿轮302发生转动，同时该螺杆本体301亦发生转动，该螺杆30的转动能使该螺母303向该阳极23方向转动，并带动该支撑体26和该阴极24向该阳极23方向移动，使阴极24与阳极23的间距保持适当距离。
如图4所示，该电极间距微调系统20的工作流程为流程100，测量该两电极23、24间隙的电压变化差值。当电弧放电进行到一定时间，两电极23、24的间距随着电极消耗而变大，两电极23、24的电压亦随着改变。通过电压感测装置27测量电压变化差值Δv。电压感测装置27将测得的电压变化差值Δv传送给该控制器28。
流程200，将电压变化差值Δv转换成电极移动值Δd。此流程主要由该控制器28完成。该控制器28内设置有一实验数据库，用于存储Δv与Δd之间的换算关系。该控制器28将所得的Δd值传送给该伺服马达29。
流程300，由伺服马达29和滚珠螺杆将电极移动Δd。由于伺服马达29是通过齿轮机构292与滚珠螺杆来移动电极，因此直流马达291的输出与实际电极移动的距离存在一固定比例，所以需先算出马达实际旋转的角度，再经由齿轮比(Gear Ratio)和滚珠螺杆比(Ball Screw Scale)来进行换算，最后实现实际电极移动的距离为Δd。
上述三工作流程，在整个电弧放电过程中，可以自动循环完成。
可以理解的是，本实施例的控制器28和伺服马达29必须进行实验前的各种参数设定。本实施例的滚珠螺杆亦可以采用一般的螺杆。该电极间距微调系统20的驱动装置除伺服马达和螺杆外，还可以采用其它设备，只要其能满足将距离讯号转换成实际电极位移的条件。
另外，根据本技术方案的精神，该电极间距微调系统除两电极中一电极需固定，另一电极可移动的情况外，当然可以采用该两电极皆具有移动功能，据此电极间距微调系统需相应作适当改变，如通过两驱动装置与该两电极相连接，控制器发送的距离讯号可以同时分两份传送给该两驱动装置或将一份距离讯号轮流传送给其中一驱动装置。
请参阅图5，第二实施例提供一种使用该电极间距微调系统的电弧放电设备50，包括一密闭反应器51，一位于该反应器51内的阴极53和一与阴极53对应的阳极54，该两电极53、54分别通过支撑体55、52固定于该反应器51两内侧壁，其中，该支撑体55和阴极53能于反应器51内移动。该两电极53、54皆为石墨棒电极。一电源59设置于该反应器51外部，用于在该两电极53、54之间提供一固定电流(70A)，使该两电极53、54之间产生稳定电弧放电。
该电弧放电设备50还包括一电极间距微调系统，其包括一用于测量该两电极间隙电压差值的电压感测器57，其分别连接该两电极53、54；一与该电压感测器57相连接的控制器58，其用于将电压讯号转换成距离讯号；一与该控制器58相连接的驱动装置56，其与该支撑体55相连接，用于推进该阴极53。该驱动装置56可以采用伺服马达和螺杆结构，其具体连接方式可以参考上述实施例的电极间距微调系统20。
另外，该电弧放电设备50还包括一真空泵64，其与该反应器51相连接，用于降低反应器51内的气体压强；一供气系统，用于提供工作气体(惰性气体)，其包括一气罐61，多个导气管63和一阀门62，该多个导气管63依次连接该气罐61、阀门62和反应器51，该阀门62可以开启或关闭导气管63向该反应器51供气。
使用时，需先由真空泵64将反应器51抽真空；通入工作气体；启动电源59使该两电极53、54间隙产生电弧放电；当电弧放电放应进行一定时间，制程电压值发生变化，电压感测器57即时监控该制程电压值，回馈于控制器58，然后下指令给驱动装置56的伺服马达和螺杆结构进行微调，使制程电压值保持一定值。
可以理解的是，该电弧放电设备采用的两相对应的电极都具有移动功能，据此电极间距微调系统需相应作适当改变，如通过两驱动装置与该两电极相连接，控制器发送的距离讯号可以同时分两份传送给该两驱动装置或将一份距离讯号轮流传送给其中一驱动装置。
本技术方案的电极间距微调系统通过即时监控该两电极间隙电压(制程电压)值，回馈于控制器，然后下指令给驱动装置(伺服马达和螺杆)进行两电极间距的微调，用于控制该间隙电压于一定值。所以，本技术方案的电极间距微调系统能即时控制两电极间隙电压于一定值，使两电极的电弧放电稳定。采用该系统的电弧放电设备自动化程度高，有利于提高碳纳米管产品品质。
权利要求
1.一种电极间距微调系统，其包括两相对应的电极，其中至少一电极可移动；一用于测量该两电极间隙电压差值的电压感测器；一与该电压感测器相连接的控制器，用于将电压讯号转换成距离讯号；至少一与该控制器相连接的驱动装置，其与该可移动电极相连接，用于控制该可移动电极根据该距离讯号移动相应的距离。
2.如权利要求1所述的电极间距微调系统，其特征在于该两电极皆为碳棒电极。
3.如权利要求1所述的电极间距微调系统，其特征在于该电极间距微调系统进一步包括一电源，用于提供一固定电流使该两电极之间产生电弧放电。
4.如权利要求1所述的电极间距微调系统，其特征在于该驱动装置包括一伺服马达以及一与该伺服马达的齿轮机构连接的螺杆，该螺杆用于连接该可移动电极。
5.如权利要求4所述的电极间距微调系统，其特征在于该伺服马达包括一直流马达、一反馈可调电位器、一电子控制板和一齿轮机构。
6.如权利要求4所述的电极间距微调系统，其特征在于该螺杆包括滚珠螺杆。
7.如权利要求6所述的电极间距微调系统，其特征在于该滚珠螺杆包括一螺杆本体、一固定于螺杆本体的第二齿轮和一与螺杆本体配套的螺母，该螺母与该可移动电极相连接。
8.如权利要求7所述的电极间距微调系统，其特征在于该第二齿轮与该伺服马达的齿轮机构相齿合。
9.一种电弧放电设备，其包括一反应器；两设于该反应器内部侧壁的电极，其顶端相互对应，且其中至少一电极可移动；一电源连接该两电极，用于使该两电极之间产生电弧放电；其特征在于还包括一用于测量该两电极间隙电压差值的电压感测器，一与该电压感测器相连接的控制器，用于将电压讯号转换成距离讯号，至少一与该控制器相连接的驱动装置，其与该可移动电极相连接，用于控制该可移动电极完成该距离讯号的移动值。
10.如权利要求9所述的电弧放电设备，其特征在于该两电极皆为碳棒电极。
11.如权利要求9所述的电弧放电设备，其特征在于该驱动装置包括一伺服马达以及一与该伺服马达的齿轮机构连接的螺杆，该螺杆用于连接该可移动电极。
12.如权利要求11所述的电弧放电设备，其特征在于该伺服马达包括直流马达、反馈可调电位器、电子控制板和齿轮机构。
13.如权利要求11所述的电弧放电设备，其特征在于该螺杆包括滚珠螺杆。
14.如权利要求13所述的电弧放电设备，其特征在于该滚珠螺杆包括一螺杆本体、一固定于螺杆本体的第二齿轮和一与螺杆本体配套的螺母，该螺母与该可移动电极相连接。
15.如权利要求14所述的电弧放电设备，其特征在于该第二齿轮与该伺服马达的齿轮机构相齿合。
16.如权利要求9所述的电弧放电设备，其特征在于该电弧放电设备进一步包括一连接于该反应器的真空泵。
17.如权利要求9所述的电弧放电设备，其特征在于该电弧放电设备进一步包括一连接于该反应器的供气系统，其包括一气罐，多个连接于该气罐和该反应器的导气管和一连接该多个导气管的阀门。
全文摘要
本发明提供一种电极间距微调系统和使用该系统的用于制备碳纳米管的电弧放电设备。该系统包括两相对应的电极，其中至少一电极可移动；一用于测量该两电极间隙电压差值的电压感测器；一与该电压感测器相连接的控制器，用于将电压讯号转换成距离讯号；至少一与该控制器相连接的驱动装置，其与该可移动电极相连接，用于控制该可移动电极根据该距离讯号移动相应的距离。该驱动装置包括一伺服马达和一螺杆。该系统能即时控制两电极电压于一定值，使两电极的电弧放电稳定。
文档编号H01T19/00GK1821066SQ200510033258
公开日2006年8月23日 申请日期2005年2月18日 优先权日2005年2月18日
发明者张俊毅 申请人:鸿富锦精密工业(深圳)有限公司, 鸿海精密工业股份有限公司