一種微正壓連續(xù)生產(chǎn)石墨烯膜的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于石墨烯材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種微正壓連續(xù)生產(chǎn)石墨烯膜的方法，具體涉及一種微正壓連續(xù)生產(chǎn)石墨烯膜的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，迄今為止，研宄者仍未發(fā)現(xiàn)石墨烯中有碳原子缺失的情況。石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當施加外部機械力時，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來適應(yīng)外力，也就保持了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使碳原子具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性。石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯中電子受到的干擾也非常小，同時，石墨烯是世上最薄也是最堅硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光:導(dǎo)熱系數(shù)高達5300 ff/ (m.K)，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子迀移率超過15 000 cm2 / (V.S)，又比納米碳管或硅晶體高，而電附率只約10_6Ω.cm，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材料。因為它的電阻率極低，電子跑的速度極快，石墨烯是世界上導(dǎo)電性最好的材料，電子在其中的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導(dǎo)體中的運動速度。因其高強度、高熱導(dǎo)率、高導(dǎo)電性及高比表面積等優(yōu)點受到了研宄者的廣泛重視。目前，國內(nèi)外制備石墨烯的方法主要有如下幾種:
[0003](I)微機械剝離法；這種方法制得的石墨烯質(zhì)量高，但只能得到數(shù)量有限的石墨烯片，只適用于作為基礎(chǔ)研宄來探宄石墨烯的電學(xué)性質(zhì)。
[0004](2)外延生長法；該法制備條件苛刻，均要求在高溫高真空或某特定氣氛及單晶襯底等條件下進行，且制得的石墨烯不易從襯底上分離出來，不能大規(guī)模制備石墨烯。
[0005](3)氧化-還原法；該方法是目前較為常見的低成本高效地制備大面積石墨烯薄層材料的化學(xué)方法，但得到的石墨烯含有大量的含氧基團和缺陷，其導(dǎo)電性能較低，且還原劑大部分有毒，使得制備過程存在環(huán)境污染。
[0006](4)化學(xué)氣相沉積法；此方法可以滿足規(guī)?；苽涓哔|(zhì)量石墨烯的要求，但成本較高，工藝復(fù)雜。
[0007](5)電解法；此方法可合成大量的石墨烯，但是合成出的石墨烯的表面均帶有大量的正離子負離子或有機物。上述方法各有局限之處，因此人們迫切希望能研制出一種環(huán)境友好、工藝簡單、能夠規(guī)模化生產(chǎn)處缺陷較少的石墨烯方法及裝置。
[0008](6)液相超聲波剝離法，是借助超聲波對粉體的破碎作用，在有機溶劑中對石墨片層進行剝離制備石墨稀的方法(J.Mater.Chem.19，3367-3369，2009)。有機溶劑不但提供了制備場所，而且通過控制條件可以起到促進石墨層分離、分散、保護、隔離石墨烯的作用。該方法不僅可以進行大體積制備，同時由于沒有引入化學(xué)過程，石墨烯晶體結(jié)構(gòu)也得到了較好的保護，可獲得性能優(yōu)異的石墨烯。但該法存在能耗高，效率低的缺陷。而微波液相剝離法制備石墨烯，能耗低，且產(chǎn)品尺寸分布均勻，并能穩(wěn)定懸浮在反應(yīng)液中。
[0009]以上這些石墨烯制備方法大都可以在特定條件下獲得實驗室用的石墨烯樣品，但是，快速制備大面積、高質(zhì)量石墨烯的方法一直沒有取得突破，極大地限制了石墨烯制備的效率、產(chǎn)量和成本，阻礙了其進一步的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
[0010]中國專利號CN201410139728.2，公開了一種連續(xù)化生產(chǎn)石墨烯粉體工業(yè)裝置及其方法。該方法為通過控制分散劑的配比來調(diào)整表面張力，再與石墨混合均勻后通過連續(xù)超聲和微波的協(xié)同作用得到分散均勻石墨烯；添加粘合液至石墨烯分散液配制漿料，采用離心噴霧干燥設(shè)備對漿料進行噴霧干燥、造粒。該法可以大規(guī)模制備石墨烯粉體，但不具備大規(guī)模制備石墨烯薄膜條件。中國專利CN201210561455.1，公開了一種卷對卷石墨烯制備設(shè)備，包括密閉的真空室；所述真空室內(nèi)設(shè)有用于驅(qū)動石墨烯生長箔帶運動的輥系，由輥系驅(qū)動箔帶運動，可以進行較大箔卷生產(chǎn)，但該方法在完成一卷石墨烯生長后仍要停爐出料，且生產(chǎn)是在密閉真空下進行，設(shè)備密封要求嚴，對石墨烯基底銅箔材質(zhì)純度要求高，生產(chǎn)成本高且對石墨烯膜的質(zhì)量無法把控，仍不能大規(guī)模的推廣應(yīng)用。中國專利CN201310290165.2，公開了一種正壓條件下合成石墨烯的方法，其特征在于:石墨烯在化學(xué)氣象沉積系統(tǒng)的高溫沉降室內(nèi)生長，生長條件為高溫沉降室內(nèi)壓強高于標準大氣壓的正壓條件。該方法雖然是在正壓條件下生產(chǎn)，但由于是在封閉條件下進行，仍不能連續(xù)進行工業(yè)化生產(chǎn)，由于在密閉條件下，仍然不能提前了解石墨烯膜的質(zhì)量，且生產(chǎn)成本高。
[0011]鑒于此，本實用新型針對目前連續(xù)制備大面積、高質(zhì)量石墨烯薄膜的技術(shù)難題，而探索一種微正壓連續(xù)生產(chǎn)石墨烯膜的裝置。采用該方法和設(shè)備制備石墨烯，相對于現(xiàn)有方法具有快速、連續(xù)的優(yōu)點，可以進行大面積、高質(zhì)量石墨烯薄膜的規(guī)?；L，這將對石墨烯薄膜的眾多應(yīng)用及其產(chǎn)業(yè)化起到極大的推進作用，對新型導(dǎo)電薄膜、納米集成電子器件、信息、能源等戰(zhàn)略領(lǐng)域產(chǎn)生深遠的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]為了解決現(xiàn)有石墨烯薄膜連續(xù)生產(chǎn)存在的問題，本實用新型提出一種微正壓連續(xù)生產(chǎn)石墨烯膜的裝置，具有不間斷連續(xù)制備的優(yōu)點，且設(shè)備簡單，操作簡易可行，易于實現(xiàn)自動化及工業(yè)化生產(chǎn)，而且可以解決高質(zhì)量石墨烯膜規(guī)?；a(chǎn)的問題。
[0013]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的解決方案是:一種微正壓連續(xù)生產(chǎn)石墨烯膜的裝置，該裝置包括由依次緊密連接的預(yù)熱室、高溫沉降室、預(yù)冷室、快速降溫室，每個工作室均有進氣管、出氣管、壓力計、流量計、計時器和溫度計，每相鄰室之間均有絕熱隔板隔開，每個工作室均有多個轉(zhuǎn)動的輥軸，由輥軸構(gòu)成石墨烯基底銅箔的不停運動，形成石墨烯邊沉降邊運動的連續(xù)生產(chǎn)過程。
[0014]所述的預(yù)熱室為長方形工作室，其特征在于預(yù)熱室為整個裝置的最前端，外殼為不銹鋼構(gòu)成，內(nèi)襯絕熱材料，預(yù)熱室前端有小門，以便于一卷箔材用完及時更換，預(yù)熱室前端有箔材支架，兩側(cè)壁裝有輥軸，箔材放置于室內(nèi)輥軸上，預(yù)熱室的側(cè)面有清洗氣進氣管和出氣管，進氣管安裝流量計和程控電磁閥，預(yù)熱室上部安裝壓力計和溫度計，預(yù)熱室與高溫沉降室相鄰端由絕熱隔板隔開，絕熱隔板在輥軸的同一水平處開有進料縫隙，箔材由縫隙進入高溫沉降室。預(yù)熱室長度為1-2米，寬度為0.5-1米，高度為0.5-1米。
[0015]所述的高溫沉降室是石墨烯沉降生長在箔材上的主要工作室，其特征在于高溫沉降室為長方形工作室，高溫沉降室的前端與預(yù)熱室相連，后端與預(yù)冷室相連，高溫沉降室外殼為不銹鋼構(gòu)成，內(nèi)襯絕熱材料，側(cè)面有人孔，以便維修。高溫沉降室的側(cè)面有清洗氣的進氣管和出氣管，進氣管安裝流量計和程控電磁閥，高溫沉降室的側(cè)面底部安裝有原料氣進氣管，原料氣進氣管安裝有流量計和程控電磁閥，上部安裝壓力計、溫度計、計時器和氧氣檢測儀，高溫沉降室的兩端由絕熱隔板隔開，高溫沉降室的兩側(cè)安裝有2-4組輥軸，箔材放置于輥軸上，在高溫沉降室內(nèi)迂回前進，箔材在高溫沉降室的迂回時間為30-120分鐘，絕熱隔板與最靠近的輥軸的同一水平處開有進料縫隙和出料縫隙，箔材由進料縫隙進入高溫沉降室，由出料縫隙出離高溫沉降室進入下一級工作室及預(yù)冷室。高溫沉降室長度為2-5米，寬度為0.5-1米，高度為0.5-1米。
[0016]所述的高溫沉降室，其特征在于高溫沉降室內(nèi)有快速加熱裝置，快速加熱裝置為電加熱裝置或高溫熔鹽盤管加熱裝置，加熱裝置的溫度可控制在800-1200°C。
[0017]所述的高溫沉降室，其特征在于進入高溫沉降室的清洗氣為氫氣、氦氣、氬氣的一種，進入進入高溫沉降室的原料氣為高純甲烷、高純乙炔或石蠟氣化氣的一種。
[0018]所述的預(yù)冷室是高溫沉降室的下級工作室，從高溫沉降室出來的帶有石墨烯薄層的箔材進入預(yù)冷室進行初步冷卻，其特征在于預(yù)冷室外殼為不銹鋼構(gòu)成，內(nèi)襯絕熱材料，兩側(cè)壁裝有輥軸，箔材放置于室內(nèi)輥軸上，預(yù)冷室的側(cè)面有進氣管和出氣管，進氣管安裝流量計和程控電磁閥，預(yù)冷室上部安裝壓力計和溫度計，預(yù)冷室與高溫沉降室相鄰端由絕熱隔板隔開，絕熱隔板在輥軸的同一水平處開有進料縫隙。預(yù)熱室長度為1-2米，寬度為0.5-1米，高度為0.5-1米。
[0019]所述的快速降溫室是本裝置的最后一個工作室，其特征在于快速降溫室外殼為不銹鋼夾套構(gòu)成，夾套內(nèi)裝有冷卻油或冷卻水，兩側(cè)壁裝有輥軸，箔材放置于室內(nèi)輥軸上，快速降溫室上面安裝有石墨烯薄膜檢測儀，在快速降溫室內(nèi)