CN1305760C

CN1305760C - 碳纳米管的制造设备和方法

Info

Publication number: CN1305760C
Application number: CNB028184548A
Authority: CN
Inventors: 穴泽一则; 渡边浩之; 岸健太郎; 平方昌记; 清水正昭
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2002-10-30
Filing date: 2002-10-30
Publication date: 2007-03-21
Anticipated expiration: 2022-10-30
Also published as: KR20040068098A; US7364709B2; US20040241339A1; WO2004039723A1; KR100606949B1; JPWO2004039723A1; CN1556773A; EP1577261A4; JP3714364B2; EP1577261A1; AU2002344610A1

Abstract

本发明的一个目的是提供一种碳纳米管的制造设备和方法，在工业上通过这设备和方法可有效合成高纯度碳纳米管。也就是说，本发明提供：一种制造设备，包括：两个其最前端部分彼此相对的电极；一个为了在电极之间的放电区里生成放电等离子体而在电极之间施加电压的电源；和多个磁铁，通过这些多个磁铁的每一磁铁的磁极表面形成磁场在该放电等离子体生成区里形成磁场，特征在于：这些多个磁铁被配置成使它们的磁极表面与一空间内的一个假想轴相对；并且这两个电极中的一个电极的至少一部分位于由以下部分围绕成的区域：一个通过连接在假想轴方向一边的多个磁铁的磁极表面的末端部分形成的假想平面、一个通过连接另一边的末端部分形成的假想平面、和这些多个磁铁的磁极表面，并且另一个电极的最前端部分位于两个假想平面和磁极表面围绕成的区域以外的区域；和一种使用该设备的制造方法。

Description

碳纳米管的制造设备和方法

技术领域

本发明涉及近年来其工业可用性已引起注意的碳纳米管的制造设备和方法。

背景技术

比碳纤维更细的，直径为1微米或更小的材料通常被称为碳纳米管，碳纳米管与碳纤维不同。然而，它们之间没有特别明确的界限。根据一种狭义的定义：碳面的六角形网格基本上平行于一轴的材料被称为碳纳米管，其周围存在无定形碳的碳纳米管的一种变型也包含在碳纳米管中(注意，根据本发明碳纳米管适用该狭义的定义)。

通常，该狭义定义的碳纳米管进一步分成两类：具有单个六角形网格管道(石墨层(graphene sheet))的结构的碳纳米管被称为单壁纳米管(在下文中，有时候简称为“SWNT”)；另一方面，由多层石墨层构成的碳纳米管被称为多壁纳米管(在下文中，有时候简称为“MWNT”)。这些类型的碳纳米管具有比碳纤维更细的直径，具有高的杨氏模量，和高的导电性，从而作为一种新的工业材料引起了注意。

这样，碳纳米管是一种结构元素仅仅是碳、并且机械强度极强，杨氏模量超过1Tpa的新材料。此外，流过碳纳米管的电子容易经历弹道输运(ballistic transport)，因此有可能流过大电流。进一步，碳纳米管具有高的纵横比，因此其正被应用于电子发射源领域，用于开发具有高亮度的光发射元件和显示器。而且，一些单壁碳纳米管表现出半导体的特性，因而被用于二极管和晶体管的试验制造。因此，它在功能材料领域中和在电子工业领域中的应用是特别理想的。

通常，已知富勒烯和碳纳米管能通过包括电阻加热、等离子放电如用碳棒作为原材料的电弧放电、激光烧蚀、和使用乙炔气的化学气相沉积(CVD)的方法来制造。然而，利用这些方法生成碳纳米管的机理在许多方面是有争论的，并且详细的生长机理甚至到现在还没有被公开。

对于碳纳米管的制造，为了大批量合成，已经研究了许多种方法和改进。早期设计的电阻加热法是一种通过使两片石墨的前端在惰性气体中彼此接触，然后施加几十到数百安培的电流加热并且蒸发石墨的方法。然而，用这方法获得几克的样品也是极难的，因此，现在这种方法很少使用。

电弧放电是一种用石墨棒作为阳极和阴极的同时，在惰性气体如He和Ar中产生电弧放电的合成富勒烯和碳纳米管的方法。阳极的前端部分通过电弧放电所产生的电弧等离子体达到4000℃或更高的高温，然后阳极前端部分被蒸发，并且产生大量碳原子团(carbon radical)和中性粒子。碳原子团和中性粒子在等离子体里反复碰撞，进一步产生碳原子团和离子，并且变成含富勒烯和碳纳米管的煤烟沉积到阳极和阴极周围以及设备内壁上。当阳极包含作为催化剂的镍化合物、亚铁化合物、或稀土化合物时，能有效地合成出单壁碳纳米管。

激光烧蚀法是一种用脉冲YAG激光束在石墨靶上照射，在石墨靶表面上产生高密度等离子体，并产生富勒烯和碳纳米管的方法。该方法的特征是，即使在生长温度超过1000℃时，也可获得具有相对较高纯度的碳纳米管。

A.Thess等人在“自然”(Nature)杂志第273卷，第483-487页中公开了一种为了在激光烧蚀法中增加纯度的用于更高纯度SWNT合成的技术。然而，激光烧蚀法仅提供少量的碳纳米管，并且效率低下，导致碳纳米管的成本更高。此外，纯度保持在约70％到90％，并不够高。

化学气相沉积法是一种使用包含碳作为原材料的乙炔气、甲烷气等，通过原材料气的化学分解反应生成碳纳米管的方法。化学气相沉积法依赖于在甲烷气等气体作为原材料的热解过程中发生的化学反应，从而能制造高纯度的碳纳米管。

然而，在化学气相沉积法中，碳纳米管的生长速率极低，因此效率低下，并且工业应用困难。此外，制造出的碳纳米管的结构具有更多的缺陷，并且与在电弧放电或激光烧蚀法中所合成的相比较是不完整的。

采用一种井式炉(vertical furnace)能实现连续生长，从而实现具有高生产能力的生长设备。然而，这种情况下获得的碳纳米管的纯度仍然很低。

在通过电弧放电产生的电弧等离子体中，电子、碳离子、原子团和中性粒子反复碰撞，从而产生复杂的化学反应，因此难以稳定地控制碳离子的密度和动能。这样，大量无定形碳颗粒和石墨颗粒与富勒烯和碳纳米管一起同时生成，所有的这些均以混合状态作为煤烟存在。

因此，当富勒烯和碳纳米管用于工业应用时，必须从煤烟中提纯和分离富勒烯和碳纳米管。特别是，碳纳米管不溶于溶剂，因此其提纯通过离心、氧化作用、过滤等的组合而进行。然而，碳纳米管的物理性质和化学性质，和作为主要杂质的无定形碳颗粒和石墨颗粒的物理性质和化学性质是大致相同的，因而难以完全除去杂质。这样，高纯度碳纳米管是通过反复提纯获得的。同时已知的是，在提纯过程中，由于作为分散剂的表面活性剂的影响碱金属可能残留，并且机械损伤的影响在提纯过程中同样是广泛的，从而导致在碳纳米管中的大量缺陷。

为了解决该问题，在碳纳米管的合成阶段，希望用于高纯度碳纳米管的合成技术包含尽可能少的杂质，也就是说，甚至是不包含无定形碳颗粒，也不包含石墨颗粒的碳纳米管。

因此，本发明的一个目的是为了解决上述传统技术中的问题。具体地说，本发明的一目的是提供一种在工业上可有效合成具有极低浓度的杂质诸如无定形碳和石墨颗粒的高纯度碳纳米管的制造设备和方法。

发明内容

通常，当在磁场中生成放电等离子体时，由于在放电等离子体和磁场之间的相互作用，带电粒子被限制在磁场中，从而增加带电粒子的平均自由行程长度。因此，增加了带电粒子相互之间的或带电粒子与共存于等离子体中的中性粒子之间的碰撞概率，从而提高反应效率。

本发明人发现，在碳纳米管的制造中，通过应用这一现象，可在工业基础上，有效地提供一种具有极低浓度的杂质诸如无定形碳颗粒和石墨颗粒的高纯度碳纳米管，由此得到本发明。也就是说，本发明提供一种碳纳米管的制造设备，至少包含：两个其最前端部分彼此相对的电极；一个为了在电极之间的放电区里生成放电等离子体而在电极之间施加电压的电源；和多个在该放电等离子体生成区里形成磁场的磁铁，上述磁场通过由这些多个磁铁的每一磁铁的磁极表面产生磁场而形成，特征在于：

这些多个磁铁被安排成在一空间内其磁极表面与一假想轴相对，并且

这两个电极中一个电极的至少一部分位于由以下部分围绕成的区域：通过连接在假想轴方向的一边的多个磁铁的磁极表面的末端部分形成的一假想平面、通过连接其在另一边的末端部分形成的一假想平面、和这些多个磁铁的磁极表面，并且另一个电极的最前端部分位于两个假想平面之间区域以外的区域。

根据本发明的碳纳米管的制造设备，有可能在工业的基础上有效合成高纯度的碳纳米管。设想，这是因为通过在预定磁场中生成放电等离子体，包含诸如C⁺、C和C₂等原子团的放电等离子体可被限制在该磁场中，由此，在放电等离子体中，带电粒子的碰撞概率增加，从而有可能增加生成碳纳米管的效率。另外，设想通过使这两个电极位于如上所述的相对于磁铁的这样一预定位置，具有适合于限制放电等离子体的向量分量(vector component)的磁场的磁通密度大大地增强，从而进一步增加被制造的碳纳米管的纯度。

此时，该一个电极最好是阳极。通过将该电极配置为阳极，作为阴极的另一个电极位于在通过连接假想轴方向的一边上的多个磁铁磁极表面的末端部分形成的假想平面，和通过连接其另一边的末端部分形成的假想平面之间的区域以外的区域。碳纳米管在阴极上生长并且沉积，因此，被制造的碳纳米管位于夹在这些多个磁铁的磁极表面之间的或由这些多个磁铁的磁极表面围绕成的区域以外的位置。因此，在收集制造的碳纳米管或替换电极的过程中，无需从夹在这些多个磁铁的磁极表面之间的或由这些多个磁铁的磁极表面围绕成的区域中取出另一个电极。也就是说，可在不必移动另一个电极的情况下收集制造的碳纳米管，并且电极可通过在垂直于取出操作的方向上滑动电极来进行更换。相应地，如果碳纳米管位于夹在这些多个磁铁的磁极表面之间的或由这些多个磁铁的磁极表面围绕成的区域以外的位置，则处理该碳纳米管变得容易，从而实现增加该碳纳米管的高生产率。

为了序列地替换这些电极，可以给出一种形式，其中提供多个棒状电极，这些多个棒状电极以竖起的方式平行放置，并且任何一个棒状电极具有与上述一个电极的最前端部分相对的最前端部分，并且能移到一位置以便用作为所述另一个电极。

进一步，优选的是提供用于收集在两个电极之间通过生成放电等离子体而制造出的并且仍然粘附于另一个电极最前端部分的碳纳米管的收集装置。收集装置的实施例包括，一个具有用于刮去粘附于另一个电极的最前端部分的碳纳米管的机构的实施例、和一个具有用于吸取(drawing)粘附于另一个电极的最前端部分的碳纳米管的机构的实施例。

根据本发明的碳纳米管的制造设备，在放电区中生成的放电等离子体优选地是电弧等离子体。

根据本发明的碳纳米管的制造设备，这些多个磁铁的排列包括一种形式，其中这些多个磁铁被安排以围绕该一个电极，以使所有的相同磁极的磁极表面与该假想轴相对；和一种形式，其中等于或大于四个的偶数个磁铁，被排列成围绕该一个电极以使与该假想轴相对的每一磁极表面均具有交替地与相邻的磁极表面的磁极相反的磁极。

根据本发明的碳纳米管的制造设备，两个电极中，在生成放电等离子体的电极的最前端部分边缘的磁通密度优选地是大于等于10^-5T且小于等于1T，并且对于生成放电等离子体的电极最前端部分的区域，生成放电等离子体时的放电电流密度优选的是大于等于0.05A/mm²且小于等于15A/mm²。另外，由电源施加到电极上的电压优选的是大于等于1V且小于等于30V。

根据本发明的碳纳米管的制造设备，两个电极中的阴极的最前端部分的面积优选的是等于或小于其阳极的最前端部分的面积。

根据本发明的碳纳米管的制造设备，至少放电区和两个电极可被容纳在一密封容器中。在这种情况下，优选的是提供能够调整密封容器内气氛的气氛调节装置。

根据本发明的碳纳米管的制造设备，电极的材料优选的是碳或含碳并且电阻率大于或等于0.01Ω·cm且小于或等于10Ω·cm的物质。

另一方面，根据本发明的一种用于碳纳米管的制造方法，特征在于：使用上述本发明的碳纳米管的制造设备；并通过在该制造设备内的两个电极之间施加电压，在电极之间的放电区中生成放电等离子体，以便制造碳纳米管。此时，这两个电极之间施加的电压优选的是直流电压，以使在本发明的碳纳米管的制造设备中，一个电极是阳极。另外，在放电区里生成的放电等离子体优选的是电弧等离子体。

根据本发明的用于碳纳米管的制造方法，该放电区的气压优选的是大于等于0.01Pa且小于等于510kPa，该放电区的气氛优选的是含选自空气、氦气、氩气、氙气、氖气、氮气、和氢气的至少一种气体。另外，该放电区的气氛优选的是，进一步包括一种由含碳物质组成的气体。

附图说明

图1是表示根据本发明实施例1的碳纳米管的制造设备的横剖面示意图；

图2是沿图1中线A-A的横剖面视图(仅仅是永磁体和电极的横剖面视图)；

图3是表示一磁铁排列的例子的平面图；

图4是表示一磁铁排列的例子的平面图；

图5是表示一磁铁排列的例子的平面图；

图6是表示一磁铁排列的例子的平面图；

图7是表示一磁铁排列的例子的平面图；

图8是表示一磁铁排列的例子的平面图；

图9是表示一磁铁排列的例子的平面图；

图10是表示一磁铁排列的例子的平面图；

图11是表示一磁铁排列和磁极方向的例子的平面图；

图12是表示一磁铁排列和磁极方向的例子的平面图；

图13是表示一磁铁排列和磁极方向的例子的平面图；

图14是表示一磁铁排列和磁极方向的例子的平面图；

图15是表示一磁铁排列和磁极方向的例子的平面图；

图16是表示一磁铁排列和磁极方向的例子的平面图；

图17是表示一磁铁排列和磁极方向的例子的平面图；

图18是表示一磁铁排列和磁极方向的例子的平面图；

图19是一表示在图1的制造设备中，永磁体被排列为使得所有的相同磁极的磁极表面与假想轴相对的情况下的磁力线状态的示意图；

图20是一表示在图1的制造设备中，永磁体被如此排列为使得与假想轴相对的每一个磁极表面具有交替地与相邻的磁极表面相反的N或S极的情况下的磁力线状态的示意图；

图21是表示可用作本发明的磁铁的电磁体的一个例子的透视图；

图22是表示可用作本发明的磁铁的电磁体的另一个例子的透视图；

图23是表示在图1的制造设备中的电极的排列的横剖面示意图；

图24是表示能在本发明中采用的电极的排列的一个例子的横剖面示意图；

图25是表示能在本发明中采用的电极的排列的另一个例子的横剖面示意图；

图26是表示能在本发明中采用的电极的排列的又一个例子的横剖面示意图；

图27-a是表示通过在永磁体上附加热量释放部件形成的冷却装置的一个实施例的横剖面示意图；

图27-b是从图27-a的右边(与上述假想轴相对的表面的一侧)观察的前视图；

图28-a是永磁体和沿其侧面方向的电极周边的横剖面视图，显示通过在每一个永磁体上附加热量释放部件形成的冷却装置并且进一步使其水冷的例子；

图28-b是沿图28-a的线B-B的横剖面视图；

图29是表示根据本发明实施例2的碳纳米管的制造设备的横剖面示意图；

图30是沿图29的线C-C的横剖面视图(仅仅是永磁体、电极、和固定部件的横剖面视图)；

图31是表示根据本发明实施例3的碳纳米管的制造设备的横剖面示意图；

图32是仅显示从图31中取出的旋转部件和在其周边的收集装置的放大透视图；

图33是表示在一个例子中基于“另一个电极”最前端部分的位置(距假想平面X和假想平面Y之间中点的距离h)的相关纯度的转变的图；

图34是当h＝9mm时，“另一个电极”的最前端部分的扫描电子显微镜相片(放大率20000)；和

图35是当h＝15mm时，“另一个电极”的最前端部分的扫描电子显微镜相片(放大率20000)。

具体实施方式

下文引用优选实施例详细描述本发明。

<实施例1>

图1是表示根据本发明实施例1的碳纳米管的制造设备的横剖面示意图，并且图2是沿图1的线A-A的横剖面示意图(仅仅是永磁体和电极的横剖面视图)。根据在图1和2中所示的该实施例的碳纳米管的制造设备是通过在使用放电等离子体的传统的碳纳米管的制造设备中，另外配置永磁体20到23构成。传统的碳纳米管的制造设备由以下部分组成：两个其最前端部分彼此相对的电极(在一边作为阳极的电极12、和在另一边作为阴极的电极11)，它们被布置在用作密封容器的反应容器(室)10内；一种能使电极12以可以调整电极11和电极12之间的间距的方式滑动的移动设备13；一个用于在电极11和电极12之间施加电压的电源18；一个能够降低反应容器10中的气压的真空泵14；一个用于储存所需要气体的贮气瓶17；一个在贮气瓶17和反应容器10之间连接的入口管15；和一个包括能够在开启和关闭状态之间转换上述连接的阀门19的气氛调节单元。也就是说，通过永磁体20到23在电极11和电极12之间的放电区中生成预定的磁场，在该放电区中，当在电极11和电极12之间施加电压时，生成放电等离子体。

永磁体20到23围绕电极12排列。这里，永磁体20到23被配置为使得它们的磁极表面(在本发明中，术语“磁极表面”是指具有S或N极并且可产生磁场的磁铁表面)与电极12相对。

同样，区域F由以下部分围绕成：通过连接在电极12的轴线方向一边的永磁体20到23的磁极表面末端部分形成的假想平面X；通过连接另一边的末端部分形成的假想平面Y，和永磁体20到23的磁极表面。电极12位于区域F中，并且电极11的最前端部分位于区域F以外的区域。

这样，通过在电极11和电极12之间，并在永磁体20到23形成的预定磁场里生成放电等离子体，包括诸如C⁺、C和C₂等原子团的放电等离子体被限制在磁场里。因此，设想在放电等离子体里，带电粒子的碰撞概率增加，从而有可能增加生成碳纳米管的效率。结果是，根据该实施例，减少所包含的导致杂质的无定形碳和石墨颗粒成为可能。

另外，在该实施例中，调整在电极11和电极12之间的放电区，使得其位于远离由永磁体20到23围绕成的区域的中心位置(在假想平面X和假想平面Y之间沿着电极12的轴的中间位置)的一位置。在由永磁体20到23围绕成的区域的中心位置，所形成的磁场的方向，在大多数情况下，垂直于电极12的轴线方向，或由于磁场分量被抵消几乎不形成磁场。当生成区远离中心位置时，磁场的强度被增强，或具有有利于限制放电等离子体的向量分量的磁场的磁通密度进一步被增强。因此，在该实施例中，设想中心位置的偏移更进一步增加被制造的碳纳米管的纯度。

这里，对本发明各个磁铁和各个电极的配置进行说明。

根据本发明，磁铁的数目不局限于该实施例中的四个，而是可以是两个或更多。然而，如在该实施例中，这种围绕一个电极(电极12)的配置对于限制放电等离子体来说是有效的，因此磁铁的数目优选的是三个或更多。当然，即使在使用两个磁铁的情况下，也可以将分别具有弧形形状的磁铁配置成围绕上述一个电极，这同样是优选的形式。对磁铁的数目没有限制。

根据本发明，这些多个磁铁可以被配置成使得它们各自的磁极表面与一空间内的一假想轴相对。在该实施例中，该假想轴与上述一个电极的轴重合(也就是说，永磁体20到23的磁极表面与电极12相对)。然而，这种重合并不总是必需的。当然，两轴的重合对于限制放电等离子体是有效的，因此被制造的碳纳米管的纯度被进一步增加，这是优选的。

图3到10显示了磁铁排列的例子。在每一张图中，在中心的黑点表示垂直于该图所在的纸面的假想轴，并且被标以斜阴影线的区域表示磁铁。这些磁铁均具有与该黑点相对的一个磁极表面和作为其背面的另一个磁极表面。

图3和4显示了分别具有平面形状的三个磁铁被排列围绕成一空间的形式。在这种情况下，假想轴位于由该三个磁铁所围绕的位置。在图3所示的例子中，该三个磁铁分别具有相同的长度并且形成一个等边三角形(作为由磁极表面形成的区域)。然而，如在图4所示的例子中，这三个磁铁可以具有不同的长度或形成除等边三角形以外的三角形。

图5和6显示了分别具有平面形状的四个磁铁排列围绕成一空间的形式。在这种情况下，假想轴位于由该四个磁铁所围绕的位置。在图5所示的例子中，该四个磁铁均具有相同的长度并且形成正方形(作为由磁极表面形成的区域)。然而，如在图6所示的例子中，这四个磁铁可以具有不同的长度或形成除正方形以外的四边形形状。

磁铁的数目可以是两个或超过两个的任何数目。当然，图3到6所示的三个或四个磁铁可以变成五个或更多磁铁。图7表示分别具有平面形状的八个磁铁被排列围绕成一空间的形式。在这种情况下，假想轴位于由该八个磁铁所围绕的位置。在图7所示的例子中，这八个磁铁均具有相同的长度并且形成正多边形(作为由磁极表面形成的区域)。然而，这八个磁铁可以形成除正多边形以外的具有五个或更多顶点的多边形。也就是说，当然，如图8的形式，分别具有平面的形状的五个磁铁可以排列围绕成一空间并且形成略扁平状的五边形。

图9和10显示了分别具有弧形形状的两个磁铁彼此相对地排列的形式。在这种情况下，假想轴位于夹在彼此相对的弧形磁铁之间的位置。在图9所示的例子中，该两个磁铁分别具有相同的弧长。然而，如在图10所示的例子中，这两个磁铁可以有不同的弧长。

上面举例说明的磁铁排列中，如图3到10的例子中的磁铁围绕假想轴的排列是优选的。

上文中已经给出了一些磁铁排列的例子。然而，根据本发明，磁铁的排列并不局限于上述例子。

磁铁可被配置成使得每一磁铁的一个磁极表面与假想轴相对。此时，具有S极的磁极表面之一和具有N极的磁极表面可以与假想轴相对。图13到18显示了磁极表面方向的例子。在每一张图中，在中心的黑点表示垂直于该图所在的纸面的假想轴，并且被标以斜阴影线的区域表示S极，空心的区域表示N极。其每一侧的平面(或曲面)表示相应的磁极的磁极表面。

图11和12显示了在图3的排列中磁极表面的方向的例子。在图11中，所有的三个磁铁的S极均朝向假想轴，而在图12中，两个S极和一个N极朝向假想轴。可替换地，尽管没有显示，但所有的三个磁铁的N极也可以朝向假想轴。更进一步，尽管没有显示，但也可以是一个S极和两个N极朝向假想轴。

图13和14显示了在图5的排列中磁极表面的方向的例子。在图13中，所有四个磁铁的S极均朝向假想轴，而在图14中，两个S极和两个N极朝向假想轴，使得与假想轴相对的每一磁极表面的磁极交替地与相邻的磁极表面的磁极相反。可替换地，尽管没有显示，但也可以是所有四个磁铁的N极均朝向假想轴。

图15和16显示了在图7的排列中磁极表面的方向的例子。在图15中，所有八个磁铁的S极均朝向假想轴，而在图16中，四个S极和四个N极朝向假想轴，使得与假想轴相对的每一磁极表面的磁极交替地与相邻的磁极表面的磁极相反。可替换地，尽管没有显示，但也可以是所有八个磁铁的N极均朝向假想轴。

图17和18显示了在图9的排列中磁极表面的方向的例子。在图17中，这两个磁铁的S极均朝向假想轴，然而在图18中，一个磁铁的S极朝向假想轴而另一个的N极朝向假想轴。可替换地，尽管没有显示，但也可以是这两个磁铁的N极均朝向假想轴。

在上述由图13到18给出的磁极表面的方向的例子之中，下列两种结构之一对于限制放电等离子体是有效的：

(A)如图11、13、15和17举例说明的结构，其中多个磁铁排列围绕假想轴(也就是说，上述一个电极)使得所有的相同磁极的磁极表面与假想轴相对；和

(B)如图14和16举例说明的结构，其中等于或大于四个的偶数个磁铁排列围绕上述一个电极使得与假想轴相对的每一磁极表面的磁极交替地与相邻的磁极表面的磁极相反。相应地，被制造的碳纳米管的纯度进一步增加，这是优选的。

根据图1和2所示的该实施例，在磁极表面分别具有以上结构(A)和(B)中所描述的方向的情况下，对磁场的状态进行说明。图19是显示在以上结构(A)中，即，在永磁体20到23排列成所有的相同磁极的磁极表面与假想轴相对的情况下的磁力线状态的示意图。图20是表示在以上结构(B)中，也就是说，在永磁体20到23排列成与假想轴相对的每一电极磁极表面的N或S极交替地与相邻的磁极表面的磁极相反的情况下的磁力线状态的示意图。

在图19的结构中，分别从永磁体20到23向放电区发出的磁力线相互排斥，并且由F’表示的区域变成由多方向磁力线围绕的状态。

在图20的结构中，分别从永磁体20到23向放电区发出的磁力线向相邻的永磁体上会聚，并且由F”表示的区域变成由多方向磁力线围绕的状态。

如上所述，根据图19和20所示的形式，多方向磁场对由F’或F”表示的区域产生作用。这样，如果在F’或F”区域生成放电等离子体，可以设想在放电等离子体中的带电粒子的运动被限制在电极11和电极12之间的空间中。如果这样制造碳纳米管，则有可能在工业基础上以低成本有效地合成具有较小杂质浓度的高纯度碳纳米管。

注意，在该实施例中，永磁体20到23被用作磁铁。然而，根据本发明，这种磁铁不局限于永磁体，并且可以是分别形成简单的线圈形状或通过增加磁芯形成的电磁体。图21是显示具有简单的线圈形状的电磁体的一个例子的透视图。图22是显示通过在线圈内增加磁芯形成的电磁体的另一个例子的透视图。

在图21中，参考数字24表示一个非磁性物质形成的圆柱体，并且电磁体是通过围绕圆柱体24缠绕线圈26构成的。另一方面，在图22中，磁芯28被安装并且插入圆柱体24内。从增强磁通密度的观点看，图22所示的具有安装并且插入磁芯28的形式是优选的，当然图21的形式也是可以的。

在图21所示的电磁体中，磁力线在图中垂直方向上穿过电磁体，因此由线圈26形成的在左端和右端的圆盘状表面是磁极表面，也就是说，是生成N极和S极的磁力线的表面。圆柱体24的存在根本不影响关于磁极表面的讨论。如果以图21中的左侧为代表，则平面P是磁极表面。因此，在这种情况下，在磁铁中，磁极表面不形成物理的表面，而是通过在一空间中虚构形成的。

另一方面，在图22所示的电磁体中，在图中磁芯28的左端和右端的表面均是磁极表面，也就是说，是生成N极和S极磁力线的表面。如果以图22中的左侧为代表，则平面Q是磁极表面。

根据本发明，两个电极被配置的前提是它们的最前端彼此相对，以便生成放电等离子体，以及，通过由多个磁铁的磁极表面产生的磁场，在这两个电极之间的放电等离子体的生成区域中产生磁场(换句话说，在这两个电极之间的放电等离子体生成区域是位于由这些多个磁铁引起的磁场起作用的位置)。更进一步，这两个电极被排列的必要条件为：在这两个电极中，至少一个电极的一部分位于由以下部分围绕成的区域：通过连接在假想轴方向的一边的这些多个磁铁的磁极表面末端部分而形成的一个假想平面；通过连接另一边的末端部分形成的一个假想平面；和这些多个磁铁的磁极表面，并且另一个电极的最前端部分位于由这两个假想平面和磁极表面围绕成的区域以外的区域。

如果用图1来解释，根据本发明，该假想轴与电极12重合，因此这两个假想平面对应于通过连接在图中电极12的轴线方向的永磁体20到23的上端形成的假想平面X，和通过类似地连接在图中永磁体的下端形成的假想平面Y。这两个电极11和12在以由这两个假想平面X和Y以及永磁体20到23围绕成的区域F为参考的基础上来排列。

注意，在使用电磁体作为磁铁的情况下，对于“在假想轴方向的末端部分”，如图21所示的没有磁芯的电磁体的末端部分在以构成电磁体的主要部分的线圈作为参考的基础上来确定。如果用图21的例子来解释，并且假设图中的垂直方向为假想轴方向，则由箭头G和H表示的位置是“在假想轴方向中的末端”。注意，在图21中，为了便于制图，圆柱体24和线圈26没有厚度。然而，严格来说，将作为两个末端部分的那些位置与圆柱体24没有关系，并且落在线圈26的导线(当缠绕两次或两次以上时，是其最里面的导线)的中心。

另一方面，如图22所示的具有磁芯的电磁体的末端部分在以磁芯作为参考的基础上确定，因为磁芯的末端部分本身是磁极表面。如果图用22的例子来解释，并且假设图中的垂直方向为假想轴方向，则由箭头I和J表示的位置是“在假想轴方向中的末端部分”。

根据本发明，在两个电极中，至少上述一个电极(在该实施例中，电极12)的一部分位于区域F中，并且另一个电极(在该实施例中，电极11)的最前端部分位于区域F以外的区域。

图23到26显示了适用于本发明的电极排列的形式的例子。图23的形式代表该实施例的形式，而其它图则对应于该实施例的改进的例子的形式。在图1和23中，电极12的最前端部分位于区域F中，并且电极11的最前端部分位于区域F以外以便与电极12相对。

相反地，电极在假想轴(电极12的轴)方向滑动的形式对应于图24到26的改进的例子。

在图24中，电极12a的最前端部分位于区域F中，并且电极11a位于与电极12a相对，并处于用于定义区域F的假想平面Y与电极11a的最前端部分相重合的状态。这样，根据本发明，对应于“另一个电极”的电极11a与区域F接触的状态，同样包括在“位于由两个假想平面和磁极表面所围绕的区域以外的区域中”的情况内。换句话说，措词“区域以外”表示包括该区域的边界线的概念。

在图25中，假想平面Y和电极12b的最前端部分处于彼此重合，并且电极11b的最前端部分位于区域F以外，与电极12b相对。更进一步，在图26中，电极12c穿过区域F，其最前端部分位于区域F以外，并且电极11c的最前端部分当然位于区域F以外，与电极12c相对。这样，根据本发明，即使对应于“上述一个电极”的电极12b和12c的最前端部分位于区域F以外，只要这些电极的各自的至少一部分包括在区域F内，就没有问题。

设想通过使这两个电极如上所述排列，具有适合于在磁场中限制放电等离子体的向量分量的磁通密度大大增强，从而进一步增加被制造的碳纳米管的纯度。另外，如果对应于“上述一个电极”的“至少一部分位于区域F内的电极”被排列作为该实施例中的电极12，则碳纳米管生长并且沉积在对应于“另一个电极”的电极11的末端部分上，因此制造出的碳纳米管位于由永磁体20到23的磁极表面围绕成的区域以外的位置。因此，在收集制造的碳纳米管或替换电极11的过程中，不需要从由永磁体20到23的磁极表面围绕成的区域中取出电极11。也就是说，在不移动电极11的情况下，制造的碳纳米管可被收集(如使用刮刀刮削或使用吸取设备吸取)，并且通过在垂直于取出操作的方向(图1中的垂直方向)上滑动电极11，电极11能够被替换。相应地，如果碳纳米管位于由永磁体20到23的磁极表面围绕成的区域以外的位置，则处理碳纳米管变得容易，从而实现提高该碳纳米管的高生产能力。

在电极11(a到c)的前端部分和电极12(a到c)的前端部分之间各自的间隙的长度范围，选自足够生成放电等离子体的范围，并且由其本身根据电压下降决定。通常，从约0.1到5mm之间的范围选出。

另外，还存在电极11(a到c)和电极12(a到c)之间的各自的放电等离子体生成区域，位于由永磁体20到23形成的磁场起作用的位置中的条件，因此在电极12(a到c)和假想平面Y之间的距离同样也由其本身根据永磁体20到23的磁力线等决定。具体地说，优选的是设定该距离在满足后文中将要描述的“在放电区中的磁通密度”的范围内。

下面，对使用该实施例的用于碳纳米管制造设备来制造碳纳米管的例子进行说明。

反应容器(室)10是一个圆柱状(被放置为使得两个底面分别在图中是向上和向下)密封容器，并且该容器理想的是由金属、特别是不锈钢制成的，并且由铝合金、石英等制成也可以是适合的。另外，形状不局限于圆柱状，也可以使用所希望的形状诸如盒子形状。更进一步，在放电区气氛为大气压下的空气气氛，并且碳纳米管将被粘附于电极11的最前端部分的周围的情况下，反应容器10不是不可缺少的，或容器10不必要是密封容器。

最前端部分彼此相对的两个电极11和12被布置在反应容器10中。此时，当该反应容器10的原料是一种具有导电性诸如金属的材料时，该反应容器10和电极11和电极12被固定，同时它们在电学上是彼此绝缘的。注意，对于两个电极11和12的排列，除了图1所示的两个轴彼此重合以便彼此完全相对之外，其状态可以是这两个电极11和12的轴具有某种角度并且使它们的最前端部分彼此接近。在本发明中，措词“最前端部分彼此相对”，表示包括上述的后一种情况的概念。当然，如图1所示的前一种形式是理想的。

关于电极11和12的排列，当电极11和电极12的相对的表面平行排列时，能够实现稳定的放电诸如电弧放电，并且能够有效合成碳纳米管。

作为两个电极11和12的原料，碳是理想的，但是含碳的并且具有电阻率为大于等于0.01Ω·cm且小于等于10Ω·cm(优选的是大于等于0.01Ω·cm且小于等于1Ω·cm)的物质也适合使用。

这两个电极11和12的形状没有限制，并且其形状的例子可包括圆柱状、矩形柱状、和斜截锥状，但圆柱状是理想的。此外，两个电极11和12的最前端部分的直径(最前端部分不是圆形的情况下，与最前端部分具有相同面积的圆的直径)没有特别限制，但是优选的是大于等于1mm且小于等于100mm或以下。

关于相对的两个电极11和12，充当阴极的电极11的最前端部分的面积理想的是等于或小于充当阳极的电极12的最前端部分的面积。当阴极的最前端部分的面积等于或小于阳极的最前端部分的面积时，获得的碳纳米管的纯度进一步增加。它们之间的面积比例(阴极的最前端部分的面积/阳极的最前端部分的面积)优选的是0.1到0.9，并且更优选的是0.2到0.5。

为了使放电稳定，优选的是用水冷却电极11和12以便借此抑制电极温度的增加。如果用水冷却电极11和12，理想的是使用高导热性的金属，特别是铜，用于电极11和12支撑部分。

通过使用包括真空泵14、贮气瓶17、入口管15和阀门19的气氛调节装置以适当调节反应容器10内的气氛，在放电区中的气氛被设置到希望的状态。具体地说，真空泵14能够使反应容器10内降压或增压。在反应容器10的内部通过真空泵14被降压后，阀门19被打开，并且一种储存于贮气瓶17的所需的气体通过入口管15引入反应容器10内，因此可获得所要求气氛。当然，当气氛是在大气压下的空气气氛时，用于调节气氛的操作是不必要的。

真空泵14的例子包括旋转式泵、扩散泵、和涡轮分子泵。

反应容器10内的气氛压力(也就是说，在放电区中的气氛，在下文中有相同的意义)可以是大于等于0.01Pa且小于等于510kPa；优选的是大于等于0.1Pa且小于等于105kPa，并且更优选的是大于等于13Pa且小于等于70kPa。在这样的压力下，能够制造高纯度碳纳米管。

反应容器10中的气氛没有特别限制，空气、氦气、氩气、氙气、氖气、氮气、氢气和其混合气体是理想的。在引入所需要的气体的情况下，在反应容器10的内部通过真空泵14被排空后，所需要的气体从贮气瓶17被引入直到预定压力。

根据本发明，该反应容器10内的气氛能够进一步储存一种包括含碳物质的气体。在这种情况下，该气氛可以仅包括包含含碳物质的气体，或包括含碳物质的气体可以被引入上述的不同类型的气体气氛中。通过向该气氛中添加包括含碳物质的气体，有可能制造具有反常结构的碳纳米管。这种碳纳米管具有一种在作为中心轴的碳纳米管周围生长碳的结构。

可应用的含碳物质没有限制，并且烃类诸如乙烷、甲烷、丙烷和己烷；醇类诸如乙醇、甲醇和丙醇；酮类诸如丙酮；石油；汽油；无机物诸如一氧化碳和二氧化碳等，均可使用。丙酮、乙醇、和己烷是特别优选的。

在设置了上述条件的根据该实施例的碳纳米管的制造设备中，通过由电源18在电极11和12之间施加电压，在电极11和12之间生成放电等离子体。这种放电等离子体的类型包括电弧等离子体和辉光等离子体。电弧等离子体对于有效制造碳纳米管是优选的。

当产生电弧放电时，在电弧放电生成以前可以进行接触弧处理。接触弧处理是在电极11和12彼此接触的同时施加电压之后，移动设备13将电极11和12分开到某一电极间距离，并且生成放电等离子体的过程。通过该处理，稳定的放电等离子体可容易并且迅速地产生。

施加在电极11和12之间的电压可以是直流电或交流电，但是直流电由于增加获得的碳纳米管的纯度因此是优选的。注意，在施加交流电的情况下，在极性方面，电极11和12之间没有区别。

对于生成放电等离子体的电极的最前端部分的区域，生成放电等离子体时的放电电流密度优选的是大于等于0.05A/mm²且小于等于15A/mm²，并且更优选的是大于等于1A/mm²且小于等于5A/mm²。当施加的电压是直流电时“生成放电等离子体的电极”是指阴极，而当施加的电压是交流电时是指具有较小的最前端部分面积的电极(这在本发明的整个说明书中均适用)。

由电源18施加在电极11和12之间的电压优选的是大于等于1V或且小于等于30V，并且更优选的是大于等于15V且小于等于25V。作为放电的结果，电极12的前端部分被消耗，因此在电极11和12之间的间隔在放电过程中变化。优选的是通过使用移动设备13适当调节电极11和12之间的间隔，来控制在电极11和12之间的电压成为恒定。

施加电压的时间优选的是被设置为大于等于3秒且小于等于180秒，并且更优选的是大于等于5秒且小于等于60秒。当时间小于3秒时，施加的电压不稳定的，因此获得的碳纳米管的纯度可能降低。当时间超过180秒时，由放电等离子体引起的辐射热可能降低永磁体20到23的磁通密度，或作为超过居里温度的结果，磁场强度可能消失。这样，这两种情况均不是可取的。

为了除去由永磁体20到23的温度增加引起的缺陷，为永磁体20到23提供冷却装置的形式同样是优选的。通过提供冷却装置，施加电压的时间可设置为更长。冷却装置的例子包括通过将热量释放部件附于永磁体20到23形成的装置和用水冷却永磁体20到23的装置。

图27-a和27-b是以永磁体20作为代表，显示通过将热量释放部件附于每一个永磁体20到23形成的冷却装置的例子的示意图。图27-a是一附有热量释放部件的永磁体周围的侧视图，并且图27-b是一从图27-a的右侧(与上述的假想轴相对的表面的一侧)观察的前视图。在图27-a和27-b中，用虚线表示的永磁体20被嵌进一块状铜块32中，并且用铜盖34覆盖，以使完全被由铜块32和铜盖34组成的热量释放部件30围绕。

永磁体20的热通过热量释放部件30被释放，因此抑制了热量的累积。注意，在该例子种用作热量释放部件30的原料是铜，但是，此处没有限制。任何高导热性原料均可被采用，并且优选的是使用一种金属，特别是铜。

图28-a和28-b是显示通过将热量释放部件附于每一个永磁体20到23并更进一步使其经历水冷而形成的冷却装置的例子的示意图。图28-a是永磁体和电极的周边沿着其侧面方向的横剖面视图，并且图28-b是沿着图28-a的线B-B的横剖面视图。在图28-a和28-b中，用虚线表示的永磁体20到23为与图27-a和27-b所示的状态相同的形式，也就是说，完全被热量释放部件30围绕。此外，分别安装了穿过四个热量释放部件30的内部的管道36和围绕在该四个热量释放部件30外的管道38，并且水在这些管道中循环。

永磁体20到23的热量通过热量释放部件30被释放，并且该热量释放部件30被在管道36和38内循环的水进一步冷却，因此，永磁体20到23的热量被有效抑制。注意，在管道36和38中循环的冷却剂不局限于水，并且任何已知的常规冷却剂无论是液体或气体均能被使用。更进一步，作为管道36和38的原料，类似于热量释放部件30，优选的是任何高导热性的原料，并且优选的是使用金属，特别是铜。

顺便说明，当每一个永磁体20到23完全被热量释放部件30围绕时，当将要探讨磁铁的“在假想轴方向的末端部分”时，它们当然是由每一个嵌进去的永磁体20到23的位置决定，而不受热量释放部件30和管道36和38的位置的影响。因此，如图28-a所示，通过连接在假想轴方向一边的末端部分形成的假想平面和通过连接在另一边的末端部分形成的假想平面是位于由X’和Y’表示的位置。

在放电区中的磁通密度优选的是在两个相对电极11和12之中生成放电等离子体的电极的最前端部分中为大于等于10^-5T且小于等于1T。当磁通密度小于10^-5T时，难以形成有效的磁场，并且当磁通密度超过1T时，可能难以将在该设备中产生磁场的永磁体20到23，布置成接近放电等离子体生成区域。这样，这两种情况均不可取。当磁通密度为大于等于10^-4T且小于等于10^-2T时，产生稳定的放电，因此可能有效制造碳纳米管。

当如上所述在电极11和12之间生成放电等离子体时，碳从电极11的表面上被分离，然后反应产生碳纳米管。产生的碳纳米管主要沉积到电极11的最前端部分的表面上或其周边。

如上所述，根据该实施例，有可能容易地、低成本地使用放电等离子体方法诸如电弧放电，制造极高密度的碳纳米管。特别是，取决于条件，碳纳米管的纯度可能达95％或更高。

<实施例2>

下面，说明根据本发明实施例2的碳纳米管的制造设备，该设备在更高的水平获得大规模的碳纳米管生产能力。图29是表示根据本发明实施例2的碳纳米管的制造设备的横剖面示意图。该实施例的制造设备具有与实施例1的制造设备相同的结构，但是，在阴极的排列和其控制方法方面不同。两个设备除上述不同之外基本上是相同的。这样，在图29中，具有与实施例1中相同作用的部件用与图1中相同的参考编号来表示，并且其详细的说明在这里将被省略。

在该实施例中，以竖起方式排列在圆盘状固定部件42上的棒状电极组41中的任何一个构成对应于本发明中的“另一个电极”的阴极。图30是沿图29的线C-C的横剖面视图(仅仅显示永磁体、电极、和固定部件的横剖面视图)；如图29所示，该棒状电极组41具有12个以竖起方式与固定部件42同心地排列在该固定部件上的棒状电极41a到41m。每一棒状电极41a到41m通过固定部件42与电源18电连接。另外，该固定部件42布置成可沿箭头D方向旋转。

在图30所示的状态中，处于电极12正下方并且与其相对的棒状电极41a(在图30中用虚线表示)充当对应于本发明中的“另一个电极”的阴极。然而，通过固定部件42沿箭头D方向旋转，其他的棒状电极41b到41m均可处于电极12正下方并且与其相对，并且，这样可以充当对应于本发明中的“另一个电极”的阴极。此时，充当对应于本发明中的“另一个电极”的棒状电极41a到41m中的每一个均位于区域F以外的区域，也就是说，在永磁体20到23下方。因此，固定部件42无论如何旋转，其旋转均没有障碍。结果，该固定部件可自由旋转。

这里设想，由电源18在电极12和棒状电极41a之间施加电压，以便因此在两个电极之间生成放电等离子体，碳纳米管被生成并且沉积在棒状电极41a的最前端部分和其附近。在施加电压完成之后，固定部件42沿箭头D方向旋转，以便此时棒状电极41b处于电极12正下方。在该状态中，由电源18在电极12和棒状电极41b之间施加电压。以这种方式，碳纳米管生长并沉积在棒状电极41b的最前端部分和其附近。该操作同样在棒状电极41c到41m上重复进行。这样，碳纳米管连续地在12根棒状电极41a到41m中的每一电极的最前端部分和其附近生长并沉积。换句话说，根据该实施例的碳纳米管的制造设备，在保持产生的碳纳米管的极高的纯度同时，获得高生产能力。

其上沉积了碳纳米管的棒状电极41a到41m中的每一个在固定部件42的基础上可以分别被原样替换。可替换地，固定部件42旋转的同时，位于图中的棒状电极41d到41j的位置的电极被首先取出，并且重新放置新的电极。沉积在每一根被收集的棒状电极41a到41m最前端部分和其附近的碳纳米管视情况而定通过刮削或吸取碳纳米管来收集。这能有效地大规模生产具有高纯度的碳纳米管。

另外，可以并不收集棒状电极41a到41m，而是照原样旋转固定部件42的同时，首先视情况而定通过刮削或汲取碳纳米管来收集沉积到位于图中棒状电极41d到41j位置的每一个电极的最前端部分的碳纳米管。在这种情况下，在碳纳米管被收集之后，每一根棒状电极41a到41m能被再次用于生成放电等离子体。

注意，在该实施例中，已经描述了棒状电极的数目为12的形式。然而，其使用的数量没有特别的限制，并且从有效的大规模生产碳纳米管的观点看，凡所需数量的电极都可以使用。即使仅仅一根棒状电极被配置在固定部件42上，在诸如电极替换或碳纳米管的收集等各种操作之前，可将该电极移到永磁体20到23并不处于该电极上方的大空间中。这样，可能获得高的可操作性。

另外，在该实施例中，已经通过举例描述了使用圆盘状固定部件42的情况。然而，固定部件的形状没有特定的限制。该固定部件可以取，例如，长板形状，棒状电极排成直线竖在其上。或者，该固定部件可以取矩形形状，棒状电极成两维竖在其上，例如，平行地、以之字形方式、或随机排列。固定部件可以取其他形状或柔软的带状。

<实施例3>

下面，说明根据本发明实施例3的碳纳米管的制造设备，该设备包括具有用于刮削碳纳米管的机构的收集装置，并且在更高的水平上实现获得碳纳米管的大规模的生产能力。图31是表示根据本发明实施例3的碳纳米管的制造设备的横剖面示意图。该实施例的制造设备具有与实施例1的制造设备相同的结构，但是在阴极的排列和提供收集装置方面不同。这两个设备除上述不同之外基本上是相同的。这样，在图31中，具有与实施例1中相同作用的部件用与图1中相同的参考编号表示，并且其详细的说明在这里将被省略。

如图31所示，一个鼓状旋转部件51被配置为其周围表面与电极12相对。在该实施例中，旋转部件51构成对应于本发明中的“另一个电极”的阴极。如上所述，只要电极有助于放电等离子体的生成，具有除棒状以外的形状的电极也可作为本发明中的电极使用。在这种情况下，与电极12相对的旋转部件51的部分周围表面对应于本发明中的“最前端部分”。

旋转部件51通过未图示的旋转设备沿箭头E方向自由地旋转的同时，由支柱53围绕轴52可枢转地支承。此时，对应于本发明中的“另一个电极”的旋转部件51位于区域F以外的区域，也就是说，在永磁体20到23下方。因此，对其旋转没有障碍，因此，该旋转部件51可自由地旋转。

注意，旋转部件51与电源18通过支柱53和轴52电连接在一起。

图32是一仅仅选取对应于在该实施例中的阴极的旋转部件和其附近的收集装置的放大透视图。如图31和图32所示，在与电极12相对的旋转部件51以其旋转方向(箭头E的方向)的下游位置，刮刀54以一锐角布置并且紧靠旋转部件51的周围表面。另外，在上述紧靠部分下方布置有一个碳纳米管容器55。

这里设想，由电源18在电极12和旋转部件51之间施加电压以便因此在两个电极之间生成放电等离子体，碳纳米管生长并且沉积在旋转部件51的周围表面上。在施加电压完成之后，旋转部件51沿箭头E方向旋转直到碳纳米管的沉积处紧靠刮刀54的位置。在该位置处，碳纳米管通过刮刀54被刮削下来。刮削的碳纳米管由于重力落下以便被碳纳米管容器55接收。

另外，在施加电压完成之后，碳纳米管生长/沉积在旋转部件51的周围表面的预定部分。此后，旋转部件51稍微旋转以便使旋转部件的周围表面的另一个部分与电极12相对，然后，电源18在电极12和旋转部件51之间施加电压，因此碳纳米管同样生长并且沉积在重新调整的旋转部件51的周围表面部分。该操作重复进行，因此使碳纳米管连续产生/沉积在旋转部件51的周围表面上。这样，沉积了碳纳米管的在其他部分之前的地方到达刮刀54紧靠旋转部件的位置。这样，其上的碳纳米管在刮刀54的作用下被自动刮削下来。换句话说，根据该实施例的碳纳米管的制造设备，在保持所产生的碳纳米管极高的纯度的同时，碳纳米管可在高生产能力下大量连续生产。

注意，在该实施例中，已经通过举例的方式描述了刮刀和容器组合使用作为收集装置的形式。然而，在本发明中收集装置不局限于此。例如，作为用于刮削沉积的碳纳米管的部件，刷子、海绵状物等，均能用来代替所使用的刮刀。作为另一个结构，粘合剂也可用来粘附碳纳米管。

同样，关于电极的形式，在该实施例中，为了设备结构的方便起见，“另一个电极”具有鼓状的形状。然而，该电极不局限于此，其可以取如普通的情况下的棒状，以及象立方等多面体的形状，此外，还可以是带状。

可举出的作为收集装置的改进是一种用于吸取沉积的碳纳米管的机构，提供该机构并未改变实施例1的形式或其也适用于其它任何的形式。例如，能给出一种机构，其中制造一种利用减压的抽吸器、提供用于抽吸的管子，以及使管子末端部分的开口(抽吸开口)靠近碳纳米管沉积的电极的最前端部分，直接接收碳纳米管。该抽吸开口并不需要总是靠近电极最前端部分，只要是该抽吸开口可以形成以便在碳纳米管被沉积之后靠近电极(不必说，即使所有的时间内抽吸开口总是靠近电极的最前端部分，也不会导致问题，只要在抽吸器的操作上使用一开/关控制)。

在任何情况下，根据本发明的碳纳米管的制造设备，碳纳米管的生长/沉积发生处的阴极被多个磁铁的磁极表面围绕或处于围绕区域以外。这样，可容易地设定各种收集装置。结果，通过提供各种的收集装置，在保持碳纳米管的高纯度的同时，可确保极高的生产能力。

<更具体的例子>

在下文中，根据一个例子对本发明进行具体的描述。然而，本发明不局限于该例子。

在该例子中，主要使用图1所示的碳纳米管的制造设备来制造碳纳米管。注意，使用了具有如图28-a和图28-b所示的结构的冷却装置的制造设备。

各个结构的特定条件如下。

-反应容器10：一种由不锈钢制造的直径为210mm并且长度为380mm的圆柱形容器室。

-电极(阴极)11：一根外径为5mm的圆柱形石墨棒(纯度：大于等于99.9％)。

-电极(阳极)12：一外根径为15mm的圆柱形石墨棒(纯度：大于等于99.9％)。

-电极11的最前端部分位置：距假想平面X和假想平面Y之间中点的距离(在下文中，有时候简写成h)被设置成以下4个级别：

(1)h＝0mm(在假想平面X和假想平面Y之间的中点：在区域F之内)

(2)中点之下h＝3mm(在假想平面Y之上8mm：在区域F之内)

(3)中点之下h＝9mm(在假想平面Y之上2mm：在区域F之内)

(4)中点之下h＝15mm(在假想平面Y之下4mm：在区域F之以外)

-移动设备13：利用步进电动机使电极11可以移动的一种设备使，利用这样的调整以便在等离子放电期间保持电极11和12之间的距离恒定。

-电源18：一种DC电弧焊电源(由OSAKA DENKI KIKOU有限公司制造的AR-SB300)能够控制电流值20A到300A。

-永磁体20到23：直径为22mm并且厚度为10mm的圆柱形NdFB永磁体(直径：22mm，厚度：10mm，由Niroku Seisakusho制造的)。永磁体20到23与如图28-a和图28-b所示的冷却装置结合。此时，更详细的是，如图27-a和图27-b所示，该永磁体20到23被嵌进由铜制造的热量释放部件30(长度：50mm、宽度：40mm、厚度：25mm、铜盖34的厚度：2.5mm)中。更进一步布置铜制管道36和38，冷却剂通过管道36和38循环，并且控制温度以便在放电过程中保持永磁体20到23的温度低于100℃。结果是，在放电过程中永磁体20到23的温度不超过居里点。在相对的永磁体之间最小值距离为82mm。在电极11的最前端部分的边缘的磁通密度是7mT。

如上所述的制造设备被用于制造碳纳米管。该反应容器10内未被降压，并且操作在大气压力101.325kPa(1大气压)下进行。为在电极11和12之间产生电弧放电，首先进行接触弧处理，然后，在开始放电后，电极11和12被分开到约1mm到3mm。由电源18施加的电压是25V到30V的直流电压。调整电极之间的距离以便保持电压恒定。在上述条件下进行约1分钟电弧放电。电流值是80A，并且相对于电极11的最前端部分区域的放电电流密度是4.1A/mm²。

在放电之后，取出电极11，并且使用扫描电子显微镜观察最前端部分。由日立有限公司制造的扫描电子显微镜S-4500被用于扫描电子显微镜观察。通过使用扫描电子显微镜观察，已经确认，不管电极的最前端部分的位置如何，均产生高纯度碳纳米管。随着距假想平面X和假想平面Y之间中点的距离h变大，纯度进一步增加。已经确认，在距离为大于等于9mm的情况下，几乎观察不到杂质。同样，当h＝15mm时，通过相片观察没有观察到杂质。

通过在扫描电子显微镜上的成像过程，估计碳纳米管的纯度。图33是表示纯度根据电极11的最前端部分的位置(距假想平面X和假想平面Y之间的中点的距离h)变化的图。在距离级别(4)中，距离在假想平面X和假想平面Y之间的中点以下15mm的情况下，纯度是95％或更高。

另外，关于电极11的最前端部分的位置，当距离级别(3)中距假想平面X和假想平面Y之间的中点的距离h＝9mm和距离级别(4)中h＝15mm时，电极11的最前端部分的扫描电子显微镜相片的情况分别如图34和图35所示。

如上所述，磁场的条件被优化，因此具有极高纯度的碳纳米管可在不使用任何催化剂或包括任何提纯过程的情况下直接合成。

工业实用性

根据本发明，在工业规模上有可能有效合成具有例如无定形碳颗粒和石墨颗粒等杂质浓度极低的高纯度碳纳米管。特别是，根据本发明，在工业规模上根据这种形式可实现这种高纯度碳纳米管的大量生产。

Claims

1、一种碳纳米管的制造设备，包括：至少两个其最前端部分彼此相对的电极；为了在所述电极之间的放电区里生成放电等离子体而在所述电极之间施加电压的电源；和多个磁铁，通过自这些多个磁铁的每一磁铁的磁极表面生成一磁场而在所述放电等离子体生成区里形成磁场，其特征在于：

这些多个磁铁被配置成使它们的磁极表面与一空间内的一个假想轴相对；并且

在两个电极中，一个电极的至少一部分位于由以下部分围绕成的区域之中：通过连接在所述假想轴方向上的一边的多个磁铁的磁极表面的末端部分形成的假想平面、通过连接在所述假想轴方向上的另一边的多个磁铁的末端部分形成的假想平面、以及这些多个磁铁的磁极表面所构成的区域，并且另一个电极的最前端部分位于由所述两个假想平面和这些磁极表面围绕成的区域以外的区域。

2、如权利要求1所述的碳纳米管的制造设备，其特征在于：所述一个电极是阳极。

3、如权利要求2所述的碳纳米管的制造设备，其特征在于：多个棒状电极以竖起的方式平行放置，并且所述棒状电极中的任何一个的最前端部分与所述一个电极的最前端部分相对并且能被移到一位置以便用作为所述另一个电极。

4、如权利要求2所述的碳纳米管的制造设备，其特征在于：还包括收集装置，用于收集通过在两个电极之间生成放电等离子体而制造的并且仍粘附于所述另一个电极的最前端部分的碳纳米管。

5、如权利要求4所述的碳纳米管的制造设备，其特征在于：所述收集装置具有一用于刮去粘附于所述另一个电极的最前端部分的碳纳米管的机构。

6、如权利要求4所述的碳纳米管的制造设备，其特征在于：所述收集装置具有一种用于吸取粘附于所述另一个电极的最前端部分的碳纳米管的机构。

7、如权利要求1所述的碳纳米管的制造设备，其特征在于：在放电区里生成的放电等离子体是电弧等离子体。

8、如权利要求1所述的碳纳米管的制造设备，其特征在于：这些多个磁铁被排列成围绕所述一个电极，使得所有的相同磁极的磁极表面与所述假想轴相对。

9、如权利要求1所述的碳纳米管的制造设备，其特征在于：等于或大于四个的偶数个磁铁，被排列成围绕所述一个电极，以使每一与所述假想轴相对的磁极表面具有交替地与相邻的磁极表面的磁极相反的磁极。

10、如权利要求1所述的碳纳米管的制造设备，其特征在于：在两个电极中，生成放电等离子体的电极在其最前端部分的边缘具有的磁通密度大于等于10^-5T且小于等于1T。

11、如权利要求1所述的碳纳米管的制造设备，其特征在于：在生成放电等离子体时，相对于生成放电等离子体的电极的最前端部分的区域的放电电流密度大于等于0.05A/mm²且小于等于15A/mm²。

12、如权利要求1所述的碳纳米管的制造设备，其特征在于：由所述电源施加给电极的电压大于等于1V且小于等于30V。

13、如权利要求1所述的碳纳米管的制造设备，其特征在于：两个电极中的阴极的最前端部分的面积等于或小于其中的阳极的最前端部分的面积。

14、如权利要求1所述的碳纳米管的制造设备，其特征在于：至少放电区和两个电极被容纳于一密封容器中。

15、一种如权利要求1所述的碳纳米管的制造设备，其特征在于：至少放电区和两个电极被容纳于一密封容器中，并且还包括能够调节该密封容器内的气氛的气氛调节装置。

16、如权利要求1所述的碳纳米管的制造设备，其特征在于：所述电极的材料为碳或含碳并且电阻率大于等于0.01Ω·cm且小于等于10Ω·cm的物质。

17、一种碳纳米管制造方法，其特征在于：使用如权利要求1所述的碳纳米管的制造设备；并且通过在该制造设备内两个电极之间施加电压，在电极之间的放电区中生成放电等离子体，由此制造碳纳米管。

18、如权利要求17所述的碳纳米管制造方法，其特征在于：在所述两个电极之间施加的电压是直流电压，使得如权利要求1所述的碳纳米管的制造设备中的所述一个电极是阳极。

19、如权利要求17所述的碳纳米管制造方法，其特征在于：在放电区里生成的放电等离子体是电弧等离子体。

20、如权利要求17所述的碳纳米管制造方法，其特征在于：放电区的气压大于等于0.01Pa且小于等于510kPa。

21、如权利要求17所述的碳纳米管制造方法，特征在于：放电区的气氛包含选自空气、氦气、氩气、氙气、氖气、氮气和氢气的至少一种气体。

22、如权利要求17所述的碳纳米管制造方法，特征在于：放电区的气氛包括由含碳物质组成的气体。