[发明专利]一种基于化学气相沉积法的纳米材料打印机

说明书

本发明涉及一种基于化学气相沉积法的纳米材料打印机，包括催化剂衬底、喷头和驱动装置，喷头设有加热装置，喷头一端通入有反应气体、还原气体和惰性气体，喷头另一端与催化剂衬底对应设置，驱动装置设于喷头一侧，驱动喷头和催化剂衬底相对三维移动。喷头加热后成为高温的喷头。还原气体通过高温的喷头后成为高温还原气体，对催化剂衬底进行清洗，能够更有效去除催化剂衬底表面残余的氧化物杂质。高温反应气体喷射在催化剂衬底上，在催化剂衬底上发生还原反应生成纳米材料。通过驱动装置的驱动，使喷头和催化剂衬底按照设定轨迹相对三维移动，可以得到所需图案的纳米材料产品，提升了纳米材料打印的可操作性。

技术领域

本发明涉及纳米增材制造技术领域，特别是涉及一种基于化学气相沉积法的纳米材料打印机。

背景技术

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围超精细颗粒材料的总称。纳米材料按照尺度分为：二维纳米材料、一维纳米材料和零维纳米材料。常见的二维纳米材料有石墨烯等，常见的一维纳米材料有碳纳米管等，常见的零维纳米材料有碳微球等。由于晶体结构特异，纳米材料在众多领域具有独特优势。以石墨烯为例，其因力学、电学和光学特性优异而受到广泛关注。

化学气相沉积法是利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物或单质，在衬底表面上进行化学反应生成薄膜的方法，可用于制备多种纳米材料，如石墨烯、碳纳米管等。该方法制备工艺简单、成本较低，且能生产出高透光率、高质量、高纯度的纳米材料，所需设备一般为管式炉。该方法通过管式炉提供高温，使反应气体(如CH₄)在还原气体(如H₂)作用下裂解，在惰性气体保护和催化剂衬底作用下生成纳米材料。但传统化学气相沉积法制备纳米材料存在反应缓慢、耗时长、能耗高、生成产物不均匀等缺点，且无法直接生成所需图案的纳米材料产品。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种基于化学气相沉积法的纳米材料打印机，其能够快速生成所需图案的纳米材料产品，保留了纳米材料高质量、高纯度的优异特性，提升了纳米材料的均匀性和可操作性。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于化学气相沉积法的纳米材料打印机，包括催化剂衬底、喷头和驱动装置，喷头设有加热装置，喷头一端通入有反应气体、还原气体和惰性气体，喷头另一端与催化剂衬底对应设置，驱动装置设于喷头一侧，驱动喷头和催化剂衬底相对三维移动。

进一步，喷头设有陶瓷气体喷管，陶瓷气体喷管一端连接反应气体、还原气体和惰性气体，陶瓷气体喷管另一端对准催化剂衬底，加热装置包括石墨加热件和加热电源，石墨加热件套接于陶瓷气体喷管外，石墨加热件连接加热电源。

进一步，陶瓷气体喷管和石墨加热件间隙配合。

进一步，石墨加热件外套接有隔热层，石墨加热件与隔热层之间充有惰性气体。

进一步，石墨加热件上紧密贴合有热电偶，热电偶连接有温度控制器，温度控制器与加热电源连接。

进一步，还包括气体流量控制器；气体流量控制器一端连接于陶瓷气体喷管一端，气体流量控制器另一端分别连接有惰性气体气源、反应气体气源和还原气体气源。

进一步，喷头另一端与催化剂衬底之间距离为0.01～2mm。

进一步，喷头一侧设有底座，驱动装置包括X轴移动模块、Y轴移动模块和Z轴移动模块，Y轴移动模块和X轴移动模块分别固接于底座，Z轴移动模块在X轴移动模块上沿Z轴方向滑动，喷头在Z轴移动模块上沿X轴方向滑动，催化剂衬底在Y轴移动模块上沿Y轴方向滑动。

进一步，Y轴移动模块固接有基板，基板与喷头另一端对应设置，催化剂衬底设于基板上。

进一步，还包括气体保护箱，气体保护箱设有密封内腔，喷头、催化剂衬底和驱动装置均设于密封内腔内。