[发明专利]使用气体预热法的低温CNT生长

说明书

相关申请声明

本申请要求2009年2月27日提交的美国临时申请号61/155,935的优先权，通过引用以其整体并入本文。

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

不适用。

发明领域

本发明一般地涉及连续合成碳纳米管的系统、方法和设备。

背景

碳纳米管(CNT)显示出令人印象深刻的物理性质。最强的CNT具有高碳钢的大约八倍的强度、六倍的韧性(即杨氏模量)，和六分之一的密度。因此，研发具有这些期望性质的复合材料内的CNT具有重要意义。

复合材料是宏观尺度上形式或组成不同的两种或更多种成分的多相组合。复合材料的两种成分包括增强剂和树脂基体。在纤维基复合材料中，纤维用作增强剂。树脂基体将纤维保持在期望的位置和方向，同时也用作复合材料内纤维之间的负荷转移介质(load-transfer medium)。由于其优越的机械性质，CNT被用于进一步增强复合材料中的纤维。

为实现复合材料纤维性能的益处，纤维和基体之间应当存在良好的界面。这可以通过使用表面涂布——通常称为“上浆”来实现。上浆提供纤维和树脂基体之间的物理-化学连接，并对复合材料的机械性能和化学性能具有很大的影响。可以在纤维的制造期间实施上浆至纤维。一般而言，传统的CNT合成要求700℃至1500℃范围内的高温。但是，其上要形成CNT的许多纤维和上浆剂受到传统方法中CNT合成通常所要求的高温的不利影响。期望的是用于提供低温流线(in-line)CNT合成的可选方法和系统。

发明概述

根据本发明的一个方面，用于合成碳纳米管(CNT)的方法包括以下步骤：提供生长室，所述生长室被加热至足够高以促进碳纳米管生长的第一温度；使基底通过所述生长室；和将原料气引入所述生长室，所述生长室被预热至足以将所述原料气的至少一些分解为至少游离碳自由基的第二温度，从而在所述基底上引发碳纳米管的形成。

根据本发明的另一方面，合成碳纳米管(CNT)的方法包括以下步骤：提供生长室，所述生长室被加热至第一温度；使基底通过所述生长室；提供预热至第二温度的原料气；和将预热的原料气引入所述生长室，其中选择所述第二温度以达到期望的所述生长室内的温度分布型以在所述基底上形成碳纳米管。

根据本发明的又一方面，用于合成碳纳米管(CNT)的系统包括：生长室，所述生长室接收其上放置有催化剂的基底；加热器，用于加热所述生长室至第一温度，所述第一温度足够高以促进碳纳米管在所述基底上生长；和气体预热器，其将原料气加热至第二温度并将所述原料气引入所述生长室以在所述基底上合成碳纳米管。

附图简述

图1是根据本发明的一个实施方式使用气体预热用于低温CNT生长的系统的示意图；

图2是根据本发明的另一实施方式使用气体预热用于低温CNT生长的系统的示意图；

图3图解根据本发明的一个实施方式的图2的系统的示例性组件；

图4图解根据本发明的一个实施方式的图3的生长室的示意性透视图；

图5图解根据本发明的一个实施方式的图3的生长室的横截面图；

图6A是根据本发明的一个实施方式使用气体预热在低温下生长CNT的方法的工艺流程图；

图6B是根据本发明的一个实施方式使用气体预热在低温下生长CNT的方法的另一工艺流程图；

图7是根据本发明的又一实施方式使用气体预热用于低温CNT生长的系统的示意图；

图8图解根据本发明的一个实施方式的气体预热器设计(layout)示意图；

图9图解根据本发明的另一实施方式的气体预热器设计的示意图；

图10图解根据本发明的又一实施方式的气体预热器设计的示意图；

图11图解根据本发明的又一实施方式的气体预热器设计的示意图；

图12图解根据本发明的又一实施方式的气体预热器设计的示意图；和

图13图解根据本发明的一个实施方式用于生产并入CNT的纤维(CNT infused fiber)的系统的流程图。

详述