[发明专利]一种开放式连续生长碳纳米材料的设备及制备方法

说明书

本发明公开一种开放式连续生长碳纳米材料的设备及制备方法，其中设备包括金属箔带进料系统、CVD系统和收集系统。方法是将经过预处理或者未经任何预处理的金属箔带通过金属箔带进料系统连续输送进入化学气相沉积系统，在该系统中经化学气相沉积方法在金属箔带表面沉积所需的碳纳米材料，然后通过收集系统直接收集或者通过集成到后处理系统中，直接对碳纳米材料进行后处理，甚至直接生产碳纳米材料终端产品。本发明中的所有系统均置于开放的大气中，而非隔绝空气的密封空间内。可实现每天24小时连续不间断运行，极大提高碳纳米材料的生长效率。

技术领域

本发明涉及碳纳米材料(例如石墨烯或碳纳米管等)生长的化学气相沉积(CVD)设备领域，尤其涉及一种在微正压或者正压条件下，从大气往设备中连续输入金属箔带，经过CVD过程后连续输出该金属箔带，且输出的箔带表面已经生长了所需产品的开放式连续生长碳纳米材料的设备及制备方法。

背景技术

石墨烯、碳纳米管与金刚石、石墨一样，都是由碳的同素异形体。石墨烯可以形象地理解成从单晶石墨晶体中抽出来的一层仅有一个原子厚度的二维晶体。在不严格的情况下，由少数几层石墨烯组成的纳米材料也称为石墨烯。碳纳米管分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。单壁碳纳米管可以理解为由单层石墨烯按一定方向卷绕而成的具有纳米直径尺度的无缝管。多壁碳纳米管则可理解成像俄罗斯套娃一样由两根或多根不同直径单壁碳纳米管相互套嵌而成的碳纳米管，层与层之间的间距与石墨的层间距接近。由于碳纳米材料具有极其优异的化学和物理性能，因此其在力学、光学、电学、热学等诸多领域都具有极其广阔的应用前景。

碳纳米材料的制备方法有多种，目前CVD法被认为是制备高质量碳纳米材料最具前景的方法，CVD是Chemical Vapor Deposition(化学气相沉积)的简称，是指高温下的气相反应，例如，金属卤化物、有机金属、碳氢化合物等的热分解，氢还原或使它的混合气体在高温下发生化学反应以析出金属、氧化物、碳化物等无机材料的方法，目前广泛应用于高纯度金属的精制、粉末合成、半导体薄膜等，是一个颇具特征的技术领域。虽然CVD法优于其他方法，但是快速、连续、大规模地制备高质量碳纳米材料的设备和工艺一直没有取得突破。传统的CVD方法是将衬底材料放置到密闭的腔体内，在真空、低压或者常压下加热样品，然后引入被载体气体稀释或未经载体气体稀释的氢气和含碳气体，通过CVD在衬底表面生长出所需的碳纳米材料，最后冷却并取出样品。由于有限的衬底尺寸、长时间的加热及冷却过程，因此生产效率极低，这也使得碳纳米材料的应用受到了严重制约。

为提高生产效率，尤其是石墨烯的生产效率，近几年来，有人尝试一次加热一卷或多卷金属箔带，每层金属箔带之间用特殊夹具隔开，例如专利CN94477898B；也有少数机构和个人开始研发卷对卷石墨烯的CVD设备和工艺，但是其质量或效率还是远没达到应用的要求。后者比较典型的有日本索尼公司开发的卷对卷石墨烯制备设备，采用电加热衬底的方法制备石墨烯。因加热方式及均匀性问题等原因，只能制备不连续的石墨烯。美国麻省理工学院开发的卷对卷设备通过将金属箔带缠绕在石英管上来提高加热效率，从而实现快速生长，但是石墨烯的质量依然很不理想。国内也有类似专利，例如97201405A、CN92976318B、CN93305806B等。更为突出的是，在石墨烯的生长过程中，氢气和含碳气体的浓度往往远高于爆炸限。因此这类卷对卷设备仍然必须是一个工作在低压和常压下的封闭系统，生产完一卷后必须停工换卷，生产效率依旧有限，无法实现大气下开放式的石墨烯连续生产，更不要说与石墨烯终端产品生产线集成。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所述的缺陷，从而提供一种开放式连续生长碳纳米材料的设备及方法，该设备不仅可以连续大规模地生长高质量大面积的碳纳米材料，实现真正每天24小时连续不间断生长，极大地提高生产效率，而且还能集成到应用产品的生产线上，减少中间过程对碳纳米材料的破坏，提高成品率；该方法将碳纳米材料从生长到加工直至终端产品制备形成连续的生产线，无需在密封的空间即可连续生产，生产效率高。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：