CN105336551A - 一种碳基双层薄膜及其在过载保护上的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳基双层薄膜及其在过载保护上的应用，其膜以氧化石墨烯纳米片为原料，将其分散在去离子水中形成悬浊液，在滤纸上分别抽滤出2张氧化石墨烯薄膜，一张保持湿润，另一张烘干并用氢碘酸溶液将其上的氧化石墨烯薄膜还原成还原石墨烯薄膜，再施加压力将湿润的氧化石墨烯薄膜和干燥的还原石墨烯薄膜自然粘结在一起，烘干形成还原石墨烯/氧化石墨烯双层膜。将双层膜裁剪成长条状，在该长条状薄膜上通以电流，当该双层膜中通过的电流大于额定电流时，会使得双层膜固定向着氧化石墨烯一侧弯曲。本发明的优点：薄膜制作工艺简单，成本低；薄膜随着电流大小的变化有弯曲和伸直两种状态，能够制成自动开关，用于过载保护，薄膜可重复使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种由氧化石墨烯、还原石墨烯这两种新型碳基材料组成的复合双层薄膜，具体是运用真空抽虑成膜以及化学还原的技术制作还原石墨烯/氧化石墨烯双层复合薄膜，再将薄膜进一步加工成开关装置，并将该开关装置运用于过载保护。属于新型材料电子器件领域。
背景技术
1）碳是自然界存在非常广泛的材料。石墨烯是典型的碳基二维材料，因其具有优异的电子、光学和机械特性以及环境友好等性质被广泛关注和研究。近些年来石墨烯这种新型材料的实际运用也被不断开发出来。但是由于石墨烯昂贵的价格，而且由于巨大的表面能以致于难于均匀分散在水、乙醇等溶剂中，因此限制了它在宏观尺度上的大规模运用。当下可以大规模制备石墨烯的方法是化学氧化还原法，此法制备的的石墨烯称为还原石墨烯，氧化石墨烯是制备还原石墨烯时的衍生品，同样具有许多优异的性质。氧化石墨烯由天然的石墨粉通过改进的Hummers法制得，还原石墨烯进一步由氧化石墨烯通过化学法还原制得，相比于机械剥离和化学气相沉积法制备的石墨烯，化学氧化还原法制备还原石墨烯的成本低并且制备量大，这为其实际运用奠定了基础。
2）氧化石墨烯、还原石墨烯的热膨胀系数具有较大差异。由这两种材料组成的双层结构由于的这种性质差异，在一定温度下一个膨胀得多点，一个膨胀得少一点，这样就会导致这种双层结构固定向着一侧制动，呈现弯曲和伸直两种状态。但是如何将这两种材料以简单的工艺合理地结合形成可靠的双层结构一直是一个挑战，结合成双层结构后的实际运用价值也一直是研究者们关注的热点。
3）电流过载的问题是电子电力领域的常见问题，常常导致电子器件及电路的损坏或者烧毁，甚至引发电击、火灾等严重灾害。现有的保护措施常采用熔断器或空气开关来实现过载保护：熔断器为一次性器件，熔断后便不能再使用；空气开关为可重复利用器件，但其构造比较复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳基双层薄膜及其在过载保护上的应用，运用两种新型碳基材料，采用真空抽滤成膜以及化学还原简单方法得到还原石墨烯/氧化石墨烯双层薄膜，利用该薄膜制成受电路中电流大小控制的开关，应用于过载保护。此种薄膜的制作工艺成本低、薄膜结构简单；应用于过载保护的此种薄膜开关结构简单、环保并且可以重复使用。
本发明的目的是这样实现的：
一种碳基双层薄膜，特点是该薄膜通过以下步骤制得：
1）以氧化石墨烯纳米片为原材料，将其超声分散在去离子水中形成氧化石墨烯悬浊液；其中，超声功率200-500瓦，超声时间30分钟-2小时，悬浊液浓度不高于2mg/ml；
2）采用真空抽滤成膜的方式，对氧化石墨烯悬浊液进行抽滤，在定性滤纸上分别抽滤出两张氧化石墨烯薄膜，膜的厚度为50-500μm，其中一张保持湿润，另一张烘干并用氢碘酸溶液将其上的氧化石墨烯薄膜还原成还原石墨烯薄膜，然后将还原石墨烯薄膜清洗干净并再次烘干；其中，还原用的氢碘酸溶液浓度约为55.0-58.0%；
3）在不损坏薄膜的情况下，通过施加外部压力，将湿润的氧化石墨烯薄膜和干燥的还原石墨烯薄膜自然压紧粘结在一起，并自然干燥形成还原石墨烯/氧化石墨烯双层膜即所述碳基双层薄膜；最后将该薄膜裁剪成长条状，其尺寸根据需要而定。
一种上述碳基双层薄膜的应用，特点是该双层薄膜在有电流通过时，随着电流大小的变化呈现出伸直和弯曲两种状态；当电流小于额定电流时，双层薄膜处于自然伸直状态；当电流大于或等于额定电流时，双层薄膜处于弯曲状态，而且是向着氧化石墨烯一侧弯曲；当电流恢复到额定值以下时双层膜又恢复伸直状态，这对应于开关的通和断，制成受电流控制的自动开关，应用于电流的过载保护。
本发明的优点及效果：这种还原石墨烯/氧化石墨烯双层薄膜制作工艺及设备简单，成本低；这种还原石墨烯/氧化石墨烯随着电流大小的变化有弯曲和伸直两种状态，可以制成自动开关，用于过载保护，类似用于过载保护的熔断丝的通断两种状态，但是熔断丝是一次性器件，而这种薄膜开关有望可以重复使用，并且开关结构简单，碳材料自然界含量丰富，环境友好。
附图说明
图1为本发明所述的还原石墨烯/氧化石墨烯双层复合薄膜制作工艺流程图；
图2为本发明所述还原石墨烯/氧化石墨烯长条状双层薄膜开关工作原理示意图，其中，（1）表示还原石墨烯/氧化石墨烯长条状双层薄膜处于伸直状态，开关闭合，（2）表示还原石墨烯/氧化石墨烯长条状双层薄膜处于弯曲状态，为开关断开；
图3为本发明所述还原石墨烯/氧化石墨烯长条状双层薄膜开关三维结构简图。
其中，氧化石墨烯悬浊液1、氧化石墨烯薄膜2、滤纸3、氢碘酸溶液4、还原石墨烯薄膜5，铜块6，铜块7。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例
如图1所示，是本发明所述还原石墨烯/氧化石墨烯双层薄膜制作工艺流程图，包括氧化石墨烯悬浊液1、氧化石墨烯薄膜2、滤纸3、氢碘酸溶液4、还原石墨烯薄膜5，如图所示该工艺最终的成品是长条状的还原石墨烯/氧化石墨烯双层薄膜。对图1中工艺步骤的具体描述如下：
（1）使用的原料为改进Hummers法制备的氧化石墨烯纳米片，并将氧化石墨烯纳米片通过超声剥离法以300瓦超声功率超声1小时分散在去离子水中，形成氧化石墨烯悬浊液，形成的氧化石墨烯浓度为1.8mg/ml。
（2）使用真空抽滤的方法将氧化石墨烯悬浊液在定性滤纸上分别抽滤成两张氧化石墨烯薄膜，这两张薄膜都是粘附在滤纸上的，其中一张30℃-60℃烘干，另一张保持湿润。将干燥的那张氧化石墨烯薄膜浸泡在浓度为55.0-58.0%的氢碘酸溶液中，使它被还原成还原石墨烯薄膜。之后将还原石墨烯薄膜取出并清洗掉残余的氢碘酸溶液，然后30℃-60℃烘干。
（3）在两张薄膜的滤纸一侧施加约50牛顿的压力将干燥的还原石墨烯薄膜与湿润的氧化石墨烯薄膜紧紧黏贴在一起，并在室温下缓慢干燥。等黏合的薄膜彻底干燥后，剥去两侧的滤纸，从而得到圆形的还原石墨烯/氧化石墨烯双层复合薄膜。最后将圆形的还原石墨烯/氧化石墨烯双层复合薄膜剪去边角料并裁剪成长2cm，宽0.5cm的小片长条状薄膜。
将还原石墨烯/氧化石墨烯长条状双层薄膜应用于过载保护描述如下：
如图2所示，图2为本发明所述还原石墨烯/氧化石墨烯长条状双层薄膜用于过载保护的开关工作原理示意图，包括氧化石墨烯薄膜2、还原石墨烯薄膜5、铜片6和铜片7。氧化石墨烯薄膜2和还原石墨烯薄膜5即按图1工艺步骤所得的还原石墨烯/氧化石墨烯双层长条状复合薄膜。这张双层复合薄膜的一端固定在铜片7上，用导电胶相黏；另一端与铜片6自然接触。如图2（1）所示，表示还原石墨烯/氧化石墨烯长条状双层薄膜处于伸直状态，开关闭合。此时电路中电流较小，还原石墨烯/氧化石墨烯双层结构中积累的热量是不足以使得还原石墨烯薄膜和氧化石墨烯薄膜发生膨胀收缩效应的，因此，双层薄膜自然伸直，开关闭合，电路一直保持导通状态；如图2（2）所示，表示还原石墨烯/氧化石墨烯长条状双层薄膜处于弯曲状态，开关断开。此时电路中的电流达到或超过临界值，这个临界值与薄膜尺寸相关，长2cm、宽0.5cm、厚约400μm的双层薄膜的电流临界值约为1安培。此时还原石墨烯/氧化石墨烯双层薄膜中积累的热量足以使得还原石墨烯薄膜和氧化石墨烯薄膜发生明显的膨胀收缩效应，相对而言，氧化石墨烯薄膜收缩，还原石墨烯薄膜膨胀，这会使得这种双层薄膜向着氧化石墨烯2一侧弯曲，导致与铜片6断开，电路断路，从而起到保护电路的作用。当电路维修完毕，电流值恢复到临界电流之下，薄膜开关部件积累的热量再次不足以使得薄膜发生膨胀收缩效应，薄膜自动恢复原位伸直的状态，电路导通。因此该过载保护开关将可以重复多次使用。而且此开关通断的临界电流直接受双层膜几何尺寸的影响，因此可以通过改变双层薄膜的具体几何尺寸来适应不同电路中不同额定电流的需求。
图3为本发明所述还原石墨烯/氧化石墨烯长条状双层薄膜开关三维结构简图。氧化石墨烯薄膜2和还原石墨烯薄膜5即按图1工艺步骤所得的还原石墨烯/氧化石墨烯双层长条状复合薄膜，它的一端固定在铜片7上，另一端与铜片6紧密自然接触，从而构成受电流大小控制的开关，用于过载保护。
Claims (2)
1.一种碳基双层薄膜，其特征在于该薄膜通过以下步骤制得：
1）以氧化石墨烯纳米片为原材料，将其超声分散在去离子水中形成氧化石墨烯悬浊液；其中，超声功率200-500瓦，超声时间30分钟-2小时，悬浊液浓度不高于2mg/ml；
2）采用真空抽滤成膜的方式，对氧化石墨烯悬浊液进行抽滤，在定性滤纸上分别抽滤出两张氧化石墨烯薄膜，膜的厚度为50-500μm，其中一张保持湿润，另一张烘干并用氢碘酸溶液将其上的氧化石墨烯薄膜还原成还原石墨烯薄膜，然后将还原石墨烯薄膜清洗干净并再次烘干；其中，还原用的氢碘酸溶液浓度约为55.0-58.0%；
3）在不损坏薄膜的情况下，通过施加外部压力，将湿润的氧化石墨烯薄膜和干燥的还原石墨烯薄膜自然压紧粘结在一起，并自然干燥形成还原石墨烯/氧化石墨烯双层膜即所述碳基双层薄膜；最后将该薄膜裁剪成长条状。
2.一种权利要求1所述碳基双层薄膜的应用，其特征在于该双层薄膜在有电流通过时，随着电流大小的变化呈现出伸直和弯曲两种状态；当电流小于额定电流时，双层薄膜处于自然伸直状态；当电流大于或等于额定电流时，双层薄膜处于弯曲状态，而且是向着氧化石墨烯一侧弯曲；当电流恢复到额定值以下时双层膜又恢复伸直状态，这对应于开关的通和断，制成受电流控制的自动开关，应用于电流的过载保护。
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