Установка для получения углеродного наноматериала

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДНОГО НАНОМАТЕРИАЛА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Жданок Сергей Александрович Крауклис Андрей Владимирович Буяков Игорь Федорович Самцов Петр Петрович Лозников Анатолий Иванович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт теплои массообмена им. А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси(57) Установка для получения углеродного наноматериала, включающая плазмохимический реактор в виде кварцевой трубки, внутри которой помещены анод, подключенный к высоковольтному источнику энергии, полый катод с каналами подачи рабочей газовой смеси системы газоснабжения и цилиндрическую камеру осаждения с термопарами, связанную с полым катодом, отличающаяся тем, что цилиндрическая камера осаждения расположена горизонтально относительно полого катода, причем внутри камера снабжена дисками, неподвижно установленными на валу, при этом вал соединен с приводом вращения, а термопары расположены на внутренних поверхностях дисков и подключены к блоку управления скоростью вращения дисков. Предлагаемое техническое решение относится к области изготовления и обработки наноструктур, в частности к установкам для получения углеродных наноматериалов, содержащих многостенные углеродные нанотрубки, углеродные нановолокна и частицы нанографита и может найти применение при создании полимерных нанокомпозитов,используемых в машиностроении, приборостроении, химической промышленности, авиастроении, электронике, электротехнике и других отраслях народного хозяйства. Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому техническому решению(прототип) является установка для получения углеродного наноматериала 1. Установка содержит плазмохимический реактор, состоящий из кварцевой трубки, в которую помещен анод и полый катод с каналами подачи рабочих газов системы газоснабжения. Зажигание и дальнейшее горение электрического разряда обеспечивает высоковольтный источник энергии. Полый катод связан с вертикально установленным стаканом осаждения углеродного наноматериала, снабженного термопарами на его внутренней поверхности и представляет собой цилиндрическую камеру осаждения углеродного наноматериала. Для поддержания рабочей температуры в удаленной от полого катода нижней части камеры осаждения дополнительно установлены нагревательные элементы, управляемые термопарами с помощью блока контроля температур. Указанная установка работает следующим образом. В кварцевую трубку подается газовая смесь через систему газоснабжения. Зажигание и дальнейшее горение электрического разряда обеспечивает высоковольтный источник энергии. Далее происходит обработка рабочей газовой смеси плазмой высоковольтного разряда в зоне между катодом и анодом. После чего высокотемпературная рабочая газовая смесь поступает в камеру осаждения. В результате взаимодействия рабочей газовой смеси с металлической поверхностью камеры осаждения происходит разогрев металлической поверхности до необходимой температуры. При взаимодействии рабочей газовой смеси с нагретой поверхностью камеры осаждения происходит образование углеродных наноматериалов. Однако температура поверхности осаждения в удаленной от полого катода нижней части камеры осаждения ниже необходимой рабочей температуры. Для поддержания необходимой температуры в нижней части камеры осаждения используют дополнительные нагревательные элементы, управляемые термопарами, связанными с блоком контроля температур, который считывает сигнал термопар и по необходимости включает или выключает соответствующий нагреватель. Однако поддержание рабочей температуры в нижней части камеры осаждения за счет нагревательных элементов требует значительных энергетических затрат, что снижает эффективности процесса получения углеродного наноматериала. Кроме того, в зоне камеры осаждения, расположенной непосредственно у полого катода, происходит перегрев поверхности, что приводит к нарушению оптимальных условий образования углеродного наноматериала. Задачей изобретения является повышение эффективности процесса получения углеродного наноматериала путем создания оптимальных температурных условий на поверхности осаждения без использования дополнительных нагревательных элементов. Задача решается следующим образом. Известная установка для получения углеродного наноматериала, содержит плазмохимический реактор в виде кварцевой трубки, внутри которой помещены анод, подключенный к высоковольтному источнику энергии и полый катод с системой газоснабжения. Полый катод связан с цилиндрической камерой осаждения углеродного наноматериала, внутренняя поверхность которой снабжена термопарами. 2 57042009.12.30 Согласно предлагаемому техническому решению, цилиндрическая камера осаждения расположена горизонтально относительно полого катода. Внутри по торцам камеры осаждения размещены диски, неподвижно установленные на валу, причем вал соединен с приводом вращения, обеспечивающим вращение дисков, а термопары установлены на внутренних поверхностях дисков и подключены к блоку управления скоростью их вращения. Таким образом, предлагаемое расположение и конструктивное решение камеры осаждения позволяет достичь оптимальных температурных условий на поверхности осаждения без использования дополнительных нагревательных элементов. На фигуре показана схема общего вида установки для получения углеродного наноматериала. Предлагаемая установка включает плазмохимический реактор, представляющий собой кварцевую трубку 1, внутри которой помещены анод 2 и полый катод 3 с каналами подачи рабочей газовой смеси 4 системы газоснабжения. Зажигание и дальнейшее горение электрического разряда обеспечивает высоковольтный источник энергии 5, связанный с анодом 2. Плазмохимический реактор, в зоне расположения полого катода 3 связан с цилиндрической поверхностью камеры осаждения 6, расположенной горизонтально. Внутри камеры осаждения 6 по ее торцам установлены металлические диски 7, неподвижно закрепленные на валу 8, который связан с приводом его вращения 9. Термопары 10 установлены на внутренних поверхностях дисков 7 и контролируют температуру в верхних и нижних частях дисков 7 при вращении вала 8, связанного с приводом вращения 9. Блок управления 11 управляет скоростью вращения дисков 7. Установка работает следующим образом. В кварцевую трубку 1 плазмохимического реактора через каналы подачи рабочей газовой смеси 4 системы газоснабжения подают рабочую газовую смесь. Зажигание и дальнейшее горение разряда обеспечивает источник энергии 5. В зоне между катодом 3 и анодом 2 происходит обработка рабочей газовой смеси плазмой высоковольтного разряда. После обработки плазмой высоковольтного разряда высокотемпературная рабочая газовая смесь направляется в камеру осаждения 6. При контакте высокотемпературной рабочей газовой смеси с металлической поверхностью дисков 7, вращающихся вместе с валом 8,происходит разогрев металлических поверхностей дисков 7, и на их поверхностях происходит образование углеродных наноматериалов. Температуру верхних и нижних частей поверхности дисков 7 контролируют термопары 10, изменяя в нужный момент, скорость вращения вала 8, с помощью блока управления 11. Как только температура в нижних частях поверхности дисков 7 становится ниже необходимой рабочей температуры, термопары 10 подают сигнал на блок управления 11 и скорость вращения вала 8 увеличивается. Блок управления 11 подает команду приводу вращения 9, который перемещает верхние перегретые части поверхностей дисков 7 в нижнюю часть камеры осаждения 6, а нижние части поверхностей дисков 7 в верхнюю высокотемпературную зону камеры осаждения 6,что приводит к установлению необходимой оптимальной температуры по всей поверхности осаждения дисков 7. Горизонтальное расположение цилиндрической камеры осаждения 6 обеспечивает одинаковые условия теплообмена между высокотемпературной рабочей газовой смесью и поверхностями дисков 7 камеры осаждения 6. Таким образом, предлагаемое техническое решение за счет создания оптимальных температурных условий на поверхности осаждения без использования дополнительных нагревательных элементов позволяет повысить эффективность процесса получения углеродного наноматериала. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3