Установка для синтеза углеродного наноматериала

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТАНОВКА ДЛЯ СИНТЕЗА 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 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 синтеза углеродного наноматериала, содержащая плазмохимический реактор, состоящий из кварцевой трубки, в которой размещен катод, подключенный к источнику энергии, и анод с центральным отверстием, связанный с камерой осаждения углеродного наноматериала, снабженной металлическим стержнем и термопарами,расположенными на его поверхности и на внутренней стенке камеры осаждения, а также систему отвода тепла и систему газоснабжения, отличающаяся тем, что система отвода тепла снабжена дополнительным устройством подачи углеродосодержащего газа в камеру осаждения, выполненным в виде соплового блока и каналов подачи газа, расположенных в металлическом стержне, причем каналы соплового блока связаны трубопроводом с механизмом подачи и управления расходом углеродосодержащего газа.(56) 1. Патент РБ 4983 , МПК 82 3/00, 2009. 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 быть использовано для создания полимерных нанокомпозитов,применяемых в машиностроении, приборостроении, химической промышленности,авиастроении, электронике, электротехнике и других отраслях народного хозяйства. Известна установка для синтеза углеродного наноматериала 1 (прототип). Установка содержит плазмохимический реактор, верхняя часть которого состоит из кварцевой трубки, в которой размещен катод, подключенный к источнику энергии, и анод с центральным отверстием, связанный с камерой осаждения углеродного наноматериала, а также систему газоснабжения. Установка содержит также камеру осаждения углеродного наноматериала,которая снабжена металлическим стержнем с термопарами, расположенными на поверхности стержня и внутренней стенке камеры осаждения, и систему отвода тепла, выполненную в виде контура охлаждения, представляющего собой полость внутри металлического стержня, связанную с теплообменником с помощью регулятора подачи теплоносителя. Указанная установка работает следующим образом. В кварцевую трубку подается рабочая газовая смесь через систему газоснабжения. Зажигание и дальнейшее горение разряда обеспечивает источник энергии. Далее происходит обработка рабочей газовой смеси плазмой высоковольтного разряда в зоне между катодом и анодом. После обработки разрядом высокотемпературная рабочая газовая смесь направляется в камеру осаждения. Углеродный наноматериал осаждается как на внутренних стенках камеры осаждения, так и на металлическом стержне. Температуры поверхности камеры осаждения и металлического стержня контролируются термопарами. Оптимальная температура осаждения наноматериала на поверхностях камеры осаждения и металлического стержня достигается за счет отбора тепла при прокачке теплоносителя через полость металлического стержня. Сброс этого тепла в окружающую среду осуществляется в теплообменнике контура охлаждения. Однако указанная система отвода тепла для поддержания оптимальной температуры на поверхности металлического стержня приводит к нерациональным тепловым потерям,снижающим эффективность процесса получения углеродного наноматериала. Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности процесса получения углеродного наноматериала за счет использования тепловой энергии металлического стержня. Задача решается следующим образом. Известная установка содержит плазмохимический реактор, верхняя часть которого состоит из кварцевой трубки с размещенными в ней катодом, подключенным к источнику энергии, и анодом с центральным отверстием, связанным с камерой осаждения углеродного наноматериала. Внутри камеры осаждения помещен металлический стержень с термопарами, расположенными на его поверхности и на внутренней стенке камеры осаждения. Установка содержит также систему отвода тепла и систему газоснабжения. Согласно предлагаемому техническому решению, система отвода тепла выполнена в виде устройства дополнительной подачи углеродосодержащего газа в камеру осаждения и состоит из соплового блока и каналов подачи углеродосодержащего газа, расположенных внутри металлического стержня, причем каналы соплового блока связаны трубопроводом с механизмом подачи и управления расходом углеродосодержащего газа. 2 66872010.10.30 Предлагаемая конструкция обеспечивает возможность использования тепловой энергии металлического стержня для разогрева рабочей газовой смеси и, соответственно,уменьшить количество вкладываемой энергии в разрядный промежуток. На фигуре показана схема общего вида предлагаемой установки. Предлагаемая установка для синтеза углеродного наноматериала содержит плазмохимический реактор, который состоит из кварцевой трубки 1 с расположенным в ней катодом 2, связанным с источником энергии 3, и анод 4 с центральным отверстием, связанный с камерой осаждения 5, а также систему газоснабжения 6. Камера осаждения 5 снабжена металлическим стержнем 7 и термопарами 8, расположенными на поверхности металлического стержня 7 и на внутренней стенке камеры осаждения 5, обеспечивающими контроль температуры как на поверхности металлического стержня 7, так и на внутренней стенке камеры осаждения 5. Устройство дополнительной подачи углеродосодержащего газа выполнено в виде соплового блока 9 и каналов 10, расположенных внутри металлического стержня 7, связанных трубопроводом 12 с механизмом 11 подачи и управления расходом углеродосодержащего газа. Установка работает следующим образом. Рабочая газовая смесь с помощью системы газоснабжения 6 подается в кварцевую трубку 1. Зажигание и дальнейшее горение разряда обеспечивает источник энергии 3. Далее происходит обработка рабочей газовой смеси плазмой высоковольтного разряда в зоне между катодом 2 и анодом 4, после чего высокотемпературная рабочая газовая смесь через отверстие в аноде 4 направляется в камеру осаждения 5. Поступающий по трубопроводу 12 углесодержащий газ проходит по каналам 10, расположенным внутри металлического стержня 7, и за счет теплообмена обеспечивает оптимальную температуру поверхности стержня 7, нагревается и через сопловой блок 9 поступает в камеру осаждения 5, где смешивается с рабочей газовой смесью, поступающей через отверстие анода 4. При взаимодействии с поверхностями камеры осаждения 5 и металлического стержня 7 происходит образование углеродных наноматериалов. Механизм 11 подачи и управления расходом углесодержащего газа обеспечивает оптимальную температуру поверхности стержня, что ведет к повышению эффективности получения углеродного наноматериала. Таким образом, введение в систему газоснабжения устройства дополнительной подачи углеродосодержащего газа в камеру осаждения через сопловой блок значительно повышает эффективность процесса получения углеродного наноматериала за счет использования тепловой энергии самого металлического стержня. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 3