一種高機(jī)械強(qiáng)度多層石墨烯及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及石墨烯的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈.海姆和康斯坦丁.諾沃肖洛夫成功地從石墨中分離出石墨烯，證明了石墨烯的單獨(dú)存在，并研宄了石墨烯的電學(xué)特性。兩人因此項(xiàng)研宄獲得了 2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
[0003]石墨烯從發(fā)現(xiàn)至今的時(shí)間內(nèi)，一直吸引著各國(guó)科學(xué)家的研宄熱情。這得益于石墨烯優(yōu)異的物理特性，石墨烯的透光率高達(dá)97.7%，導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/mK，常溫下電子迀移率超過15000cm2/Vs。由于石墨烯的碳碳鍵的鍵長(zhǎng)比金剛石的要短，其在垂直平面上的硬度比金剛石還要高。石墨烯是目前已知的世界上最薄最堅(jiān)硬的納米材料，然而這只有在微觀領(lǐng)域才能有所體現(xiàn)。在銅箔或者鎳箔等平面金屬襯底上生長(zhǎng)的多層石墨烯，機(jī)械強(qiáng)度低，在不使用PMMA作為保護(hù)膠的情況下進(jìn)行金屬刻蝕，由于受到刻蝕液的表面張力的作用，使得在金屬襯底刻蝕完之后，其上的多層石墨烯也已經(jīng)支離破碎，難以進(jìn)行進(jìn)一步應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種多層石墨烯及其制備方法，旨在提尚其機(jī)械強(qiáng)度。
[0005]本發(fā)明解決技術(shù)問題，采用如下技術(shù)方案:
[0006]本發(fā)明高機(jī)械強(qiáng)度多層石墨烯，其特點(diǎn)在于:所述多層石墨烯是編織網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
[0007]本發(fā)明高機(jī)械強(qiáng)度多層石墨烯的制備方法，其特點(diǎn)在于:所述多層石墨烯是以金屬編織網(wǎng)作為襯底材料，通過化學(xué)氣相沉積法制備獲得。具體是按如下步驟進(jìn)行:
[0008]步驟1:以金屬編織網(wǎng)作為襯底材料，對(duì)所述金屬編織網(wǎng)進(jìn)行預(yù)處理，以去除表面雜質(zhì)；
[0009]步驟2:將所述金屬編織網(wǎng)置于CVD管式爐中并抽真空，將管式爐內(nèi)的溫度以5?200C /分鐘的加熱速率升溫至500?1200°C，恒溫0.5?3h，再以10?30°C /分鐘的速率降溫至室溫，即得以金屬編織網(wǎng)為襯底的多層石墨烯；在升溫、恒溫及降溫過程向管式爐內(nèi)通入有氬氣進(jìn)行保護(hù)，在恒溫過程中還向管式爐內(nèi)通入有甲烷和氫氣；在升溫、恒溫及降溫過程管式爐內(nèi)保持常壓；
[0010]步驟3:對(duì)所述以金屬編織網(wǎng)為襯底的多層石墨烯進(jìn)行刻蝕，以去除所述金屬編織網(wǎng)，然后清洗、晾干，即得高機(jī)械強(qiáng)度多層石墨烯。
[0011]所述金屬編織網(wǎng)是銅編織網(wǎng)、鎳編織網(wǎng)、鉻編織網(wǎng)、銥編織網(wǎng)、釕編織網(wǎng)或金屬合金編織網(wǎng)。所述金屬編織網(wǎng)的目數(shù)為50?10000目。
[0012]步驟I中對(duì)所述金屬編織網(wǎng)進(jìn)行預(yù)處理是將金屬編織網(wǎng)在酸溶液中浸泡，或?qū)⒔饘倬幙椌W(wǎng)在堿溶液中浸泡，或先將金屬編織網(wǎng)在酸溶液中浸泡、再將金屬編織網(wǎng)在堿溶液中浸泡；
[0013]所述的酸溶液是摩爾濃度為0.5-10M的鹽酸、磷酸、草酸、乙酸、溴化氫、碘化氫、砸酸中的一種或幾種；所述堿溶液是摩爾濃度為0.5-10M的氫氧化鈉、氫氧化鉀、氨水、碳酸鈉、碳酸氫鈉中的一種或幾種。
[0014]在步驟2恒溫過程中甲烷和氫氣的體積比為1:1?500。
[0015]步驟3中對(duì)所述以金屬編織網(wǎng)為襯底的多層石墨烯進(jìn)行刻蝕的方法是濕法刻蝕。所述濕法刻蝕的刻蝕液是摩爾濃度為0.2-2M的氯化鐵溶液、氯化亞鐵溶液、鹽酸與硫酸銅混合液、或過硫酸銨溶液。
[0016]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
[0017]本發(fā)明開創(chuàng)性的選擇金屬編織網(wǎng)作為石墨烯生長(zhǎng)的襯底，使得石墨烯按照金屬編織網(wǎng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行生長(zhǎng)，最終形成了編織網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多層石墨烯；而具有編織網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多層石墨烯可以有效的減少各層石墨烯之間的相對(duì)滑動(dòng)，有效的提升多層石墨烯的機(jī)械強(qiáng)度，極大地?cái)U(kuò)展多層石墨烯的應(yīng)用范圍，如超輕防彈衣、超輕裝甲等。
【附圖說明】
[0018]圖1是實(shí)施例1中所用的200目銅編織網(wǎng)的顯微鏡圖片；
[0019]圖2是實(shí)施例1中制備的編織網(wǎng)狀多層石墨烯的顯微鏡圖片；
[0020]圖3是實(shí)施例1中制備的編織網(wǎng)狀多層石墨烯的SEM圖片；
[0021]圖4是實(shí)施例1中制備的編織網(wǎng)狀多層石墨烯轉(zhuǎn)移在氧化硅基底上的照片；
[0022]圖5是實(shí)施例2中制備的編織網(wǎng)狀多層石墨烯在氧化硅基底上的顯微鏡照片；
[0023]圖6是實(shí)施例3中制備的編織網(wǎng)狀多層石墨烯在氧化硅基底上的顯微鏡照片
[0024]圖7是實(shí)施例4中制備的生長(zhǎng)在銅箔表面的多層石墨烯在刻蝕液中的照片；
[0025]圖8是實(shí)施例5中制備的編織網(wǎng)狀多層石墨烯在氧化硅基底上的顯微鏡照片。
【具體實(shí)施方式】
[0026]實(shí)施例1
[0027]剪取大小為1cmX 10cm、目數(shù)為200目的銅編織網(wǎng)，如圖1所示，用4M的磷酸浸泡2h以除去表面氧化物等雜質(zhì)，取出后分別用去離子水和酒精清洗3次，真空下干燥后放入CVD管式爐中，封閉爐腔，用氬氣清洗爐腔。保持常壓狀態(tài)，繼續(xù)通入氬氣保護(hù)，流量為15sccm,以15°C /分鐘的速率升溫至1100°C，此時(shí)向爐腔內(nèi)通入甲烷和氫氣的混合氣，流量分別為5sccm和20sccm。110CTC保持2h后關(guān)閉甲燒和氫氣，并以25°C /分鐘的速率對(duì)管式爐降溫，待溫度達(dá)到室溫后取出銅編織網(wǎng)。剪取1.5cmXl.5cm的產(chǎn)物放入濃度為0.5M的硫酸銅與濃度為0.5M的鹽酸混合液中浸泡，待銅絲網(wǎng)被完全刻蝕后用氧化硅片撈取留下的石墨烯，用去離子水和丙酮各清洗三次，自然晾干后即得到200目的編織網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的多層石墨稀，如圖2、圖3和圖4所不。
[0028]實(shí)施例2
[0029]剪取大小為1cmX 10cm、目數(shù)為200目的銅編織網(wǎng)，用4M的磷酸浸泡2h以除去表面氧化物等雜質(zhì)，取出后分別用去離子水和酒精清洗3次，真空下干燥后放入CVD管式爐中，封閉爐腔，用氬氣清洗爐腔。保持常壓狀態(tài)，繼續(xù)通入氬氣保護(hù)，流量為15SCCH1，以15°C /分鐘的速率升溫至1250°C，此時(shí)向爐腔內(nèi)通入甲烷和氫氣的混合氣，流量分別為5sccm和20sccm。1100°C保持2h后關(guān)閉甲烷和氫氣，并以25°C /分鐘的速率對(duì)管式爐降溫，待溫度達(dá)到室溫后取出銅絲網(wǎng)。剪取1.5cmXl.5cm的產(chǎn)物放入濃度為0.5M的硫酸銅與濃度為0.5M的鹽酸混合液中浸泡，待銅絲網(wǎng)被完全刻蝕后用氧化硅片撈取留下的石墨烯，用去離子水和丙酮各清洗三次，晾干后在顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖5所示。可以看出當(dāng)生長(zhǎng)溫度為1250°C時(shí)，在銅編織網(wǎng)上多層石墨烯的生長(zhǎng)不均勻，部分區(qū)域生長(zhǎng)較厚，部分區(qū)域則沒有石墨烯生長(zhǎng)。
[0030]對(duì)比實(shí)施例1和實(shí)施例2可知在