一種沖擊波處理干冰制備石墨稀的方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種沖擊波處理干冰制備石墨稀方法及裝置，屬于材料處理領(lǐng)域。首先，選用干冰作為碳源，選用氫化鈣、四氫鋁鋰或硼氫化鈉作為還原劑，將干冰和還原劑按2:1-4:1的質(zhì)量比例均勻混合制成粉體原料；然后利用炸藥爆轟驅(qū)動飛片高速撞擊產(chǎn)生的瞬時高溫高壓的方法對粉體原料進(jìn)行沖擊誘導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)，得到高質(zhì)量的石墨稀。本發(fā)明是一種成本低廉，工藝簡單，耗時短，可工業(yè)化生產(chǎn)的石墨稀的制備方法，并且提供了一種途徑應(yīng)對全球變暖問題，能夠?qū)⒏杀D(zhuǎn)化成有用的石墨稀。
【專利說明】一種沖擊波處理干冰制備石墨稀的方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種沖擊波處理干冰制備石墨稀的方法及裝置，屬于材料處理領(lǐng)域?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]2004年由英國曼徹斯特大學(xué)的Novoselov等利用膠帶剝離高取向石墨的方法獲得，并發(fā)現(xiàn)石墨烯載流子的相對論粒子特性。石墨烯的發(fā)現(xiàn)宣告了真正意義上獨立存在的二維材料，與1985年發(fā)現(xiàn)的零維富勒烯(Fullerene)和1991年發(fā)現(xiàn)的一維碳納米管(carbon nanotubes),還有人們所熟知的sp3雜化的三維金剛石和sp2雜化的三維石墨,共同組成了一個碳系大家族，擴(kuò)大了碳的同索異形體的范疇，也使人們對碳元素的多樣性有了更深刻的認(rèn)識。石墨烯是碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的新型碳材料，就像是一張由碳原子織成的由正六邊形小孔構(gòu)成的網(wǎng)，網(wǎng)的厚度只有0.335nm,僅為頭發(fā)的20萬分之一，是構(gòu)建其他維數(shù)碳質(zhì)材料(零維富勒烯、一維納米碳管、三維石墨)的基本單元，結(jié)構(gòu)對稱而完美。
[0003]石墨稀在不到十年的時間內(nèi)已充分展現(xiàn)了理論研究和實際應(yīng)用方面的無窮魅力，迅速成為科學(xué)研究領(lǐng)域最為活躍的研究前沿。這種特殊的二維結(jié)構(gòu)導(dǎo)致石墨烯展現(xiàn)出各種特殊的性能。石墨烯在復(fù)合材料、納米器件和儲氫材料等領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注。過去十幾年，很多種方法成功合成了碳包裹金屬納米顆粒，主要包括電弧放電法、化學(xué)氣相沉淀法(CVD)、溶劑熱法、高溫?zé)峤夥ǖ?。但是這些方法都有其固有缺點，電弧法所用設(shè)備較為復(fù)雜和昂貴，工藝參數(shù)不易控制，耗能大，成本高，實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)面臨很大的挑戰(zhàn)。與電弧放電法相比，CVD法的成本較低，產(chǎn)量和產(chǎn)率都比較高，但是前期前體的制備工藝比較復(fù)雜，提純處理不方便。與其它方法相比較，沖擊法的最大優(yōu)點是常量大、速度快、效率高、節(jié)省能源和經(jīng)濟(jì)性。
[0004]近百年來全球的氣候正在逐漸變暖，與此同時，大氣中的溫室氣體的含量也在急劇增加。許多科學(xué)家都認(rèn)為，溫室氣體的大量排放所造成的溫室效應(yīng)的加劇是全球變暖的基本原因，其中最主要的溫室氣體是二氧化碳。人類燃燒煤、油、天然氣和樹木，產(chǎn)生大量二氧化碳進(jìn)入大氣層后使地球升溫，使碳循環(huán)失衡，改變了地球生物圈的能量轉(zhuǎn)換形式。要阻止全球變暖，一方面應(yīng)該降低二氧化碳的排放量；另一方面變廢為寶，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有用的碳材料，如金剛石、石墨稀等。干冰是二氧化碳的固體形態(tài)。沖擊波提供了一種途徑應(yīng)對全球變暖問題，能夠?qū)⒏杀D(zhuǎn)化成有用的石墨稀。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有的石墨烯制備方法成本高、工藝復(fù)雜等問題，本發(fā)明的目的在于提供了一種沖擊波處理干冰制備石墨稀的方法及裝置，所述方法成本低，可工業(yè)化生產(chǎn)，適用于力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)領(lǐng)域。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0007]一種沖擊波處理干冰制備石墨稀的方法，包括如下步驟:[0008]步驟一、將干冰作為碳源，將干冰和還原劑按2:1-4:1的質(zhì)量比均勻混合制成粉體原料，將粉體原料壓入含銅內(nèi)襯的不銹鋼樣品盒壓成初坯，初坯致密度為60%-70% ；
[0009]所述還原劑為氫化鈣、四氫鋁鋰或硼氫化鈉；
[0010]所述銅內(nèi)襯的厚度為I一3mm ；
[0011]所述不銹鋼樣品盒壁厚為2 — 3mm ；
[0012]致密度=粉體原料的壓實密度/粉體本身的密度；
[0013]步驟二、用速度為2.58km/s-3.07km/s的飛片撞擊不銹鋼樣品盒誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)得到樣品，樣品清洗后得到石墨稀。
[0014]樣品清洗過程為:將樣品放入含有50ml濃硝酸的燒杯，將燒杯放在磁力攪拌器上攪拌加熱到80°C，攪拌24h溶去雜質(zhì)得到黑色物質(zhì)，并用去離子水反復(fù)洗滌至中性。將去離子水洗過后的樣品，放置在真空干燥箱中烘干得到石墨稀。
[0015]步驟二中用炸藥爆轟驅(qū)動的飛片撞擊不銹鋼樣品盒誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)。
[0016]步驟二所述炸藥可選為硝基甲烷液體。
[0017]一種沖擊波處理干冰制備石墨稀的方法所用裝置，包括:鋁質(zhì)雷管套、塑料上頂蓋、PVC管、塑料下頂蓋、不銹鋼飛片、塑料定位環(huán)、不銹鋼樣品盒、銅墊片、銅內(nèi)襯、不銹鋼芯柱、空腔、不銹鋼底座，其中:
[0018]不銹鋼樣品盒底設(shè)有銅內(nèi)襯，銅內(nèi)襯底部上方放粉體原料，粉體原料上方設(shè)有銅墊片，不銹鋼芯柱旋入不銹鋼樣品盒中頂住銅墊片，銅墊片與粉體原料緊密接觸，不銹鋼芯柱和不銹鋼樣品盒側(cè)面留有空腔，將不銹鋼樣品盒倒置裝入不銹鋼底座中的圓形槽中；
[0019]不銹鋼底座上方設(shè)有塑料定位環(huán)，塑料定位環(huán)上方設(shè)有不銹鋼飛片，不銹鋼飛片上方設(shè)有塑料下頂蓋，塑料下頂蓋上方設(shè)有PVC管，PVC管上方設(shè)有塑料上頂蓋，塑料上頂蓋中心設(shè)有圓孔，放入鋁質(zhì)雷管套；鋁質(zhì)雷管套底部裝傳爆藥，上方放雷管，雷管位于塑料上頂蓋上方中部；
[0020]PVC管和塑料下頂蓋通過玻璃膠粘合一起，不銹鋼飛片用502膠水粘合在塑料下頂蓋圓形槽，將炸藥裝入PVC管中，雷管插入傳爆藥頂部中心，起爆雷管進(jìn)行爆炸沖擊處理。
[0021]本發(fā)明的有益效果為:
[0022]本發(fā)明提供了一種成本低廉，工藝簡單，耗時短，可工業(yè)化生產(chǎn)的石墨稀的制備方法及裝置，利用炸藥爆轟驅(qū)動飛片高速撞擊產(chǎn)生的瞬時高溫高壓，使干冰與還原劑在瞬間發(fā)生反應(yīng)，從而得到石墨稀。本發(fā)明對于石墨稀的開發(fā)和應(yīng)用具有重要的理論意義和實用價值。對于有效利用干冰合成有用的材料具有很好的指導(dǎo)意義，提供了一種全新的途徑應(yīng)對全球變暖問題。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為沖擊波合成石墨稀的裝置`示意圖；
[0024]圖2為實施例1所得產(chǎn)物的X射線光電子能譜(XPS)圖；
[0025]圖3為實施例1所得產(chǎn)物的X射線衍射(XRD )圖；
[0026]圖4為實施例1所得產(chǎn)物的掃描電鏡(SEM)圖；
[0027]圖5為實施例1所得產(chǎn)物的透射電鏡(TEM)圖；[0028]圖6為實施例2所得產(chǎn)物的透射電鏡圖；[0029]圖7為實施例3所得產(chǎn)物的透射電鏡圖；
[0030]圖8為實施例4所得產(chǎn)物的透射電鏡圖；
[0031 ]圖9為實施例5所得產(chǎn)物的透射電鏡圖；
[0032]圖10為實施例6所得產(chǎn)物的透射電鏡圖。
[0033]注:圖5、6、7、8、9和10中“L”表示石墨烯的層數(shù)。
[0034]其中，1-鋁質(zhì)雷管套、2-塑料上頂蓋、3-PVC管、4_塑料下頂蓋、5_不銹鋼飛片、6-塑料定位環(huán)、7-不銹鋼樣品盒、8-銅墊片、9-銅內(nèi)襯、10-不銹鋼芯柱、11-空腔、12-不銹鋼底座。
【具體實施方式】
[0035]為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實施例。
[0036]以下實施例所用沖擊波合成石墨稀的裝置如圖1所示，所述裝置包括:鋁質(zhì)雷管套1、塑料上頂蓋2、PVC管3、塑料下頂蓋4、不銹鋼飛片5、塑料定位環(huán)6、不銹鋼樣品盒7、銅墊片8、銅內(nèi)襯9、不銹鋼芯柱10、空腔11、不銹鋼底座12。所述裝置連接關(guān)系為:
[0037]不銹鋼樣品盒7底設(shè)有銅內(nèi)襯9，銅內(nèi)襯9底部上方放粉體原料，粉體原料上方設(shè)有銅墊片8，不銹鋼芯柱10旋入不銹鋼樣品盒7中頂住銅墊片8，銅墊片8與粉體原料緊密接觸，不銹鋼芯柱10和不銹鋼樣品盒7側(cè)面留有空腔11，將不銹鋼樣品盒7倒置裝入不銹鋼底座12中的圓形槽中。
[0038]不銹鋼底座12上方設(shè)有塑料定位環(huán)6，塑料定位環(huán)6上方設(shè)有不銹鋼飛片5，不銹鋼飛片5上方設(shè)有塑料下頂蓋4，塑料下頂蓋4上方設(shè)有PVC管3，PVC管3上方設(shè)有塑料上頂蓋2，塑料上頂蓋2中心設(shè)有圓孔，放入鋁質(zhì)雷管套I。鋁質(zhì)雷管套I底部裝傳爆藥，上方放雷管。雷管位于塑料上頂蓋2上方中部。
[0039]PVC管3和塑料下頂蓋4通過玻璃膠粘合一起，不銹鋼飛片5用502膠水粘合在塑料下頂蓋4圓形槽，將炸藥裝入PVC管3中，雷管插入傳爆藥頂部中心。起爆雷管進(jìn)行爆炸沖擊處理，回收樣品。
[0040]回收樣品進(jìn)行清洗過程為:將回收樣品放入含有50ml濃硝酸的燒杯，將燒杯放在磁力攪拌器上攪拌加熱到80°C，攪拌24h溶去雜質(zhì)得到黑色物質(zhì)，并用去離子水反復(fù)洗滌至中性。將水洗過后的樣品，放置在真空干燥箱中烘干得到黑色粉末的實驗產(chǎn)物。
[0041]飛片速度通過如下已知公式計算:
[0042]
【權(quán)利要求】
1.一種沖擊波處理干冰制備石墨稀的方法，其特征在于:包括如下步驟: 步驟一、將干冰和還原劑按2:1-4:1的質(zhì)量比均勻混合制成粉體原料，將粉體原料壓入含銅內(nèi)襯(9)的不銹鋼樣品盒(7)壓成初坯，初坯致密度為60%-70% ； 所述還原劑為氫化鈣、四氫鋁鋰或硼氫化鈉； 所述銅內(nèi)襯(9)的厚度為I一3mm ； 所述不銹鋼樣品盒(7)壁厚為2 — 3mm ； 步驟二、用速度為2.58km/s-3.07km/s的飛片撞擊不銹鋼樣品盒誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)得到樣品，樣品清洗后得到石墨稀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種沖擊波處理干冰制備石墨稀的方法，其特征在于:所述樣品清洗過程為:把樣品放入濃硝酸中加熱溶解、過濾除雜，再用去離子水洗滌至中性，烘干得到石墨稀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種沖擊波處理干冰制備石墨稀的方法，其特征在于:步驟二中用炸藥爆轟驅(qū)動的飛片撞擊不銹鋼樣品盒誘發(fā)化學(xué)反應(yīng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種沖擊波處理干冰制備石墨稀的方法，其特征在于:步驟二所述炸藥為硝基甲烷液體。
5.一種如權(quán)利要求1所述的沖擊波處理干冰制備石墨稀的方法所用裝置，所述裝置包括:鋁質(zhì)雷管套(I)、塑料上頂蓋(2)、PVC管(3)、塑料下頂蓋(4)、不銹鋼飛片(5)、塑料定位環(huán)(6)、不銹鋼樣品盒(7)、銅墊片(8)、銅內(nèi)襯(9)、不銹鋼芯柱(10)、空腔(11)、不銹鋼底座(12)，其中: 不銹鋼樣品盒(7)底設(shè)有銅內(nèi)襯(9)，銅內(nèi)襯(9)底部上方放粉體原料，粉體原料上方設(shè)有銅墊片(8)，不銹鋼芯柱(10)旋入不銹鋼樣品盒(7)中頂住銅墊片(8)，使銅墊片(8)與粉體原料緊密接觸壓制成初坯，不銹鋼芯柱(10)和不銹鋼樣品盒(7)側(cè)面留有空腔(11)，將不銹鋼樣品盒(7)倒置裝入不銹鋼底座(12)中的圓形槽中； 不銹鋼底座(12)上方設(shè)有塑料定位環(huán)(6)，塑料定位環(huán)(6)上方設(shè)有不銹鋼飛片(5)，不銹鋼飛片(5)上方設(shè)有塑料下頂蓋(4)，塑料下頂蓋(4)上方設(shè)有PVC管(3)，PVC管(3)上方設(shè)有塑料上頂蓋(2)，塑料上頂蓋(2)中心設(shè)有圓孔，放入鋁質(zhì)雷管套(I);鋁質(zhì)雷管套(I)底部裝傳爆藥，上方放雷管，雷管位于塑料上頂蓋(2)上方中部； PVC管(3)和塑料下頂蓋(4)通過玻璃膠粘合一起，不銹鋼飛片(5)用502膠水粘合在塑料下頂蓋(4)圓形槽中，將炸藥裝入PVC管(3)中，雷管插入傳爆藥頂部中心，起爆雷管進(jìn)行爆炸沖擊處理。
【文檔編號】C01B31/04GK103663439SQ201310612860
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月27日
【發(fā)明者】陳鵬萬, 尹昊, 徐春曉, 高鑫, 周強(qiáng) 申請人:北京理工大學(xué)