CN107285303A - 一种用于石墨烯表面改性的方法 - Google Patents

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章兰乔
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    • C01B2204/00—Structure or properties of graphene
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Abstract

本发明涉及一种用于石墨烯表面改性的方法，所述石墨烯材料表面改性是指在一定的真空环境下、使用一种或多种等离子体源进行组合将一种或多种不同特性的金属或金属化合物材料沉积于不同型态的石墨烯表面，通过上述表面改性过的石墨烯具备单一纳米结构的金属复合体或使石墨烯具备超导、超顺磁特性的微米或纳米尺寸的功能性材料。

Description

一种用于石墨烯表面改性的方法
技术领域
本发明涉及一种用于石墨烯表面改性的方法。
背景技术
随着科学技术的不断发展，各种材料的单一特性已不能满足产品的使用要求，釆用跨领域的技术来提升材料特性，特别是近几年微米、纳米尺寸的粉体材料得到大量开发和应用，其中石墨烯是一种已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300 W/m.K，高于碳纳米管和金刚石，而电阻率只约10-6 Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。具备超大的比表面，但石墨烯在使用上难以分散和与其它材料难以复合使用，通过改性能有效地将纳米金属或金属化合物以纳米型态来改性石墨烯，通过改性可扩大石墨烯的应用领域、并发挥石墨烯的固有特性。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题和市场需求，本发明的目的是提供料一种可实现对多种型态的石墨烯表面进行改性的方法。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：一种用于石墨烯表面改性的方法，该方法包括：在设定真空环境下，使用一种等离子体源或多种等离子体源的组合将至少一种金属与/或至少一种金属合金与/或至少一种半导体与/或至少一种金属化合物与/或至少一种非金属化合物材料沉积于所述的石墨烯表面。
本发明中，所述的等离子体源优选包括磁控溅射离子源 、多弧金属或合金离子源、气体离子源。
本发明中，沉积于所述石墨烯表面的材料中的金属优选为Ag、Cu、Al、Zn、Mg、Ti、Cr、Ni、Co、Sn、Au中的一种或多种组合，沉积于所述石墨烯表面的材料中的金属合金优选为选自Ag、Cu、Al、Zn、Mg、Ti、Cr、Ni、Co、Sn、Au中任意两种或两种以上金属组成的合金。
本发明中，所述的半导体优选为Si。
本发明中，沉积于所述石墨烯表面的材料中的金属化合物优选为金属氧化物、金属氮化物、金属碳化物中的一种或多种组合，沉积于所述石墨烯表面的材料中的非金属化合物优选为非金属氟化物、非金属氧化物中的一种或多种组合。更进一步优选，所述的金属化合物选自TiO2、TiC、TiCN、TiN、TiAlN、ZrN、AlN、CrN、CrC、Al2O3、VO2、Ta2O5、ZrO的至少一种。更进一步优选，所述的非金属化合物选自CF4、SiO2中的至少一种。
本发明中，沉积于所述石墨烯表面的材料的粒径或厚度优选为0.1nm~2μm。
本发明中，所述的石墨烯形态优选为有规则排序及连续分散的粉体或者为含石墨烯的液体或胶状体；其中，所述的液体和胶状体中所述的石墨烯重量含量为0.01% ~30%。
本发明中，所述的石墨烯形态优选为石墨烯薄片，所述薄片的片状尺寸为2纳米~5微米。
与现有技术相比，本发明具有如下积极效果：本案的方法可实现对不同型态的石墨烯表面进行改性的方法、使改性后的石墨烯具备含纳米粒子的复合材料，该方法改变材料表面微观形态、增加电磁波辐射屏蔽功能，耐候、耐磨、防腐涂料助剂戓在溶液中对石墨烯表面进行物理化学反应, 过渗透各种功能性基团的接枝制成多功能复合材料；因此，本案的方法提升了石墨烯的应用范围。
附图说明
附图1为本发明提供的一种用于石墨烯表面改性方法的改性工艺结构示意图；
附图2为本发明提供的另一种用于石墨烯表面改性方法的改性工艺结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细、完整地说明。
实施例1
本实施例以所制备的石墨烯表面金属化改性如下：
选用表面清洁处理的石墨烯薄片粉、其片状尺寸在3~5微米左右并烘干放置于图示1中改性材料储存系统的真空腔体9中，改性用中频磁控靶3选用金属靶银、改性用弧靶4选用金属靶铜。
所述石墨烯表面金属化改性包括如下步骤：
1. 将需要改性用的石墨烯称重后加入到真空腔体9中, 当真空达到2x10-3Pa时、开启材料储存系统真空腔体9中的旋转装置将需改性的材料得到有规则的运动,并连续输送到真空腔体9中的离子注入区中。
2. 将离子注入区抽真空至2×10-3 Pa，充入氩气将真空度调节到0.1Pa, 启动中频磁控靶3、弧靶4中频电流分别为30A、 弧靶45A，磁控加速器6和7工作电流均为20A、时间为1800秒。完成在石墨烯表面沉积铜/银复合纳米粒子。以Ar作为溅射气体，溅射气体压强为1.0Pa，腔体温度为40℃，连续不断地依程序完成粉体表面改性，此改性粉体主要应用于屏蔽高频电磁波辐射用涂料添加剂。
此方法制作的石墨烯改性粉体应用于涂料中其: 屏蔽效果可达 30 ～ 60dB(500～ 1000Hz)。
实施例2
本实施例以所制备的石墨烯表面金属化改性如下：
选用石墨烯含量为0.5%的NMP液体放置于示图1中的真空腔体9中，其中溶于NMP液体中的石墨烯为薄片粉，其片状尺寸在3~5微米左右，改性用中频磁控靶3选用金属靶为铜、改性用射频靶5选用二氧化硅靶。
所述石墨烯表面金属化改性包括如下步骤：
1. 将需要改性用的、石墨烯含量为0.5%的NMP液体称重后加入到真空腔体9中, 当真空达到2x10-3Pa时，开启超声系统2将需改性的材料连续输送到真空腔体9中的离子注入区。
2. 将离子注入区抽真空至2×10-3 Pa，充入氩气将真空度调节到0.1Pa, 启动中频磁控靶3工作电流为30A，射频靶5的射频功率为600W，磁控加速器6和8工作电流分别为20A和30A，时间2000秒，完成在石墨烯表面沉积铜/二氧化硅复合纳米粒子。以Ar作为溅射气体，溅射气体压强为1.0Pa，启动低温系统1使得真空腔体9的温度为-10℃，连续不断地依程序完成石墨烯表面改性，此改性石墨烯含量为0.5%的NMP液体主要应用散热膜基础材料。
此方法制作的散热膜的导热系数可达到1500～2000W/(m.K)。
实施例3
本实施例以所制备的石墨烯表面氟化改性如下：
选用石墨烯含量为0.5%的乙二醇/水的混合液体放置于示图2中的真空腔体19中，其中溶于混合液体中的石墨烯为薄片粉，石墨烯片状尺寸在3~5微米左右，改性用弧靶13选用高纯石墨为靶材、改性用气体离子源14选用CF4为反应性气体。
所述石墨烯表面金属化改性包括如下步骤：
1. 将需要改性用的石墨烯含量为2.0%的乙二醇/水的混合液体称重后加入到真空腔体19中, 当真空达到2x10-3Pa时、开启超声系统12将需改性的材料连续输送到真空腔体19中的离子注入区。
2. 将离子注入区抽真空至2×10-3 Pa，充入氩气将真空度调节到0.1Pa, 启动中频磁控靶13工作电流为30A和气体离子源14工作射频功率为800W, 气体离子源14中的CF4流量为180sccm、O2流量为80sccm，磁控加速器16和17工作电流分别为20A和30A，离子注入时间为3000秒，即完成在石墨烯表面沉积氟化石墨烯。以Ar作为溅射气体，溅射气体压强为1.0Pa，启动低温系统11使得真空腔体19的温度为-10℃，连续不断地依程序完成石墨烯表面修饰改性，此改性石墨烯含量为0.5%的乙二醇/水的混合液体主要应用润滑油的润滑/散热的添加剂和防腐涂料助剂。
此方法制作的润滑油有自修䃼能力和高的导热系数500～800W(m.K)。
最后有必要在此说明的是：以上实施例只用于对本发明的技术方案作进一步详细地说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于石墨烯表面改性的方法，其特征在于：该方法包括：在设定真空环境下，使用一种等离子体源或多种等离子体源的组合将至少一种金属与/或至少一种金属合金与/或至少一种半导体与/或至少一种金属化合物与/或至少一种非金属化合物材料沉积于所述的石墨烯表面。
2.根据权利要求1所述的一种用于石墨烯表面改性的方法，其特征在于：所述的等离子体源包括磁控溅射离子源 、多弧金属或合金离子源、气体离子源。
3.根据权利要求1所述的一种用于石墨烯表面改性的方法，其特征在于：沉积于所述石墨烯表面的材料中的金属为Ag、Cu、Al、Zn、Mg、Ti、Cr、Ni、Co、Sn、Au中的一种或多种组合，沉积于所述石墨烯表面的材料中的金属合金为选自Ag、Cu、Al、Zn、Mg、Ti、Cr、Ni、Co、Sn、Au中任意两种或两种以上金属组成的合金。
4.根据权利要求1所述的一种用于石墨烯表面改性的方法，其特征在于：所述的半导体为Si。
5.根据权利要求1所述的一种用于石墨烯表面改性的方法，其特征在于：沉积于所述石墨烯表面的材料中的金属化合物为金属氧化物、金属氮化物、金属碳化物中的一种或多种组合，沉积于所述石墨烯表面的材料中的非金属化合物为非金属氟化物、非金属氧化物中的一种或多种组合。
6.根据权利要求5所述的一种用于石墨烯表面改性的方法，其特征在于：所述的金属化合物选自TiO2、TiC、TiCN、TiN、TiAlN、ZrN、AlN、CrN、CrC、Al2O3、VO2、Ta2O5、ZrO的至少一种。
7.根据权利要求5所述的一种用于石墨烯表面改性的方法，其特征在于：所述的非金属化合物选自CF4、SiO2中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的一种用于石墨烯表面改性的方法，其特征在于：沉积于所述石墨烯表面的材料的粒径或厚度为0.1nm~2um。
9.根据权利要求1所述的一种用于石墨烯表面改性的方法，其特征在于：所述的石墨烯形态为有规则排序及连续分散的粉体或者为含石墨烯的液体或胶状体；其中，所述的液体和胶状体中所述的石墨烯重量含量为0.01% ~30%。
10.根据权利要求1所述的一种用于石墨烯表面改性的方法，其特征在于：所述的石墨烯形态为石墨烯薄片粉，所述薄片粉的片状尺寸为2纳米~5微米。
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