[发明专利]一种高导电顺排碳纳米管纺丝连续生产设备及制造方法

说明书

本发明涉及一种高导电顺排碳纳米管纺丝连续生产设备及制造方法，包括依次排列的进样系统、金属催化膜制备系统、碳纳米管生长系统以及拉膜镀膜纺丝卷绕系统，金属催化膜制备系统与碳纳米管生长系统之间设有纳米结构过渡系统，碳纳米管生长系统与拉膜镀膜纺丝卷绕系统之间设有转移过渡系统。本发明利用机械手传送硅片，将催化剂制备、顺排碳纳米管阵列的制备以及拉膜纺丝卷绕，串联起来实现连续化生产，反应腔室采用全真空平面结构和局部加热，气流方向、气体浓度梯度和温度梯度与顺排碳纳米管阵列的生长方向一致，有利于提高阵列生长质量，扩大工艺窗口。反应生长碳管的腔室材料不用石英管，采用金属材料，加工容易，腔室的直径也很容易做大。

技术领域

本发明涉及纳米材料制造装备技术领域，尤其是一种高导电顺排碳纳米管纺丝连续生产设备及制造方法。

背景技术

自1991年日本科学家发现碳纳米管以来，其独特的纳米结构、优异的电学、力学和光学性质，在柔性光电器件、储能器件、传感器等领域引起广泛的关注。碳纳米管的生产原料为甲烷、乙烯、乙炔等碳氢气体，不受稀有矿产资源的限制，生产过程不破坏环境。制备方法主要有电弧放电法、激光蒸发法和化学气相沉积法(CVD)。方法、工艺条件的不同所制备出的碳纳米管又分单壁和多壁，金属型和半导体型，表现出特性多样性。1996年有报道利用CVD方法生长出一种独特的碳纳米管阵列，阵列中碳纳米管垂直于平面基底并行排列【Science,1996,274(5293):1701-1703】。后续，科学家通过控制碳纳米管的生长速率，合成出超顺排碳纳米管阵列【Nature,2002,419(6909):801】。超顺排碳纳米管阵列的特点是：成核密度高，生长速率快，直径分布窄，平行排列的有序性更高。碳纳米管之间存在较强的范德瓦尔斯力。当从超顺排碳纳米管阵列中拔出一束碳纳米管时，碳纳米管可以自组织形成一条连续的长线。

国际专利WO2008/060665A2、US6350488B1、US6808746B1、US6863942B2、US7160531B1、US7854991B2、US8617650B2等公开了利用金属纳米颗粒催化作用，采用CVD方法生长超顺排碳纳米管阵列。国际专利EP2397441A1、EP2716 600A1、US7504078B1、US8709374B2等公开了利用金属催化剂和CVD方法再金属纳米颗粒催化下生长顺排碳纳米管薄膜的装置。

虽然世界范围内对超顺排碳纳米管的制备加大了研究和产业化的步伐，并随着研究的深入，这种新材料技术不断完善与成熟，逐步走向产业化应用。但CVD反应过程中牵涉到复杂的气相化学反应和固相反应，如何精确控制碳纳米管生长仍然是要解决的问题之一。另外，现有的超顺排电导率最高的为10⁵S/m，但作为光电、储能等器件的导电材料，其电学性能需进一步提高，而且现在制造超顺排碳纳米管阵列的方法主要是先在基底上制备好催化剂，然后再放入管式CVD腔室(通常是石英管)进行生长。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中之不足，本发明提供一种高导电顺排碳纳米管纺丝连续生产设备及制造方法，以克服现有顺排碳纳米管薄膜生产工艺不易控制、导电性较低、不利于连续生产等技术问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高导电顺排碳纳米管纺丝连续生产设备，包括依次排列的进样系统、金属催化膜制备系统、碳纳米管生长系统以及拉膜镀膜纺丝卷绕系统，金属催化膜制备系统与碳纳米管生长系统之间设有纳米结构过渡系统，碳纳米管生长系统与拉膜镀膜纺丝卷绕系统之间设有转移过渡系统。

进样系统：包括真空腔体，真空腔体内设有两边带卡槽用于夹持硅片的样品托，样品托上方设有可将夹持有硅片的样品托向后续系统传递的第一机械手。

金属催化膜制备系统：包括真空腔室，真空腔室内设有放置硅片的基片架，位于基片架下方设有电子束蒸发源，基片架上方设有基片加热器。位于电子束蒸发源与基片架之间设有防止杂质沉积于硅片表面的挡板，真空腔室四周缠绕有冷却真空腔室壁的冷凝水管。