CN108866507A - 一种化学气相沉积法制备电缆铜导体镀包石墨烯薄膜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种化学气相沉积法制备电缆铜导体镀包石墨烯薄膜的方法，利用甲烷含碳化合物作为碳源,通过铜导体表面的高温分解生长石墨烯，过程中需将铜导体夹持在设备主体内，然后通过控制压力和温度对其进行制备，设备主体包括有玻璃管以及其两端部的圆形玻璃固定件，且每个固定件上带一个电极，玻璃管两端端部安装有密封盖，密封盖内设有电缆导体电极，且其一端的电缆导体电极下方设有热电偶，玻璃管的底面安装有三个玻璃阀，三个玻璃阀分别连接至真空泵、氩气瓶、氦气瓶、氢气瓶、甲烷气瓶。本发明结构简单，易于操作，所用装备和方法制得的石墨烯产品质地优良，其包覆在铜基体上所得的导体具有极低的导体电阻、较强的机械性能。

Description

一种化学气相沉积法制备电缆铜导体镀包石墨烯薄膜的方法

技术领域：

本发明涉及电缆导体表面镀包石墨烯薄膜领域，主要涉及一种化学气相沉积法制备电缆铜导体镀包石墨烯薄膜的方法。

背景技术：

石墨烯是2004年以来发现的新型电子材料 石墨烯是sp2 杂化碳原子形成的厚度仅为单层原子的排列成蜂窝状六角平面晶体。在单层石墨烯中，碳碳键长为0.142nm，厚度只有0.334nm。石墨烯是构成下列碳同素异型体的基本单元：例如：石墨，碳纳米管和富勒烯。石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。石墨烯在电子和光电器件领域有着重要和广阔的应用前景 正因为如此，石墨烯的两位发现者获得了2010年的诺贝尔物理学奖。

石墨烯是一种没有能隙的半导体，具有比硅高100倍的载流子迁移率，在室温下具有微米级自由程和大的相干长度，因此石墨烯是纳米电路的理想材料，石墨烯具有良好的导热性[3000W／(m·K)]、高强度(110GPa)和超大的比表面积 (2630mZ ／g)。这些优异的性能使得石墨烯在纳米电子器件、气体传感器、能量存储及复合材料等领域有光明的应用前景

石墨烯的电子迁移率实验测量值超过15000cm／(V·s)(载流子浓度n≈10 cm )，在10～100K范围内，迁移率几乎与温度无关，说明石墨烯中的主要散射机制是缺陷散射，因此，可以通过提高石墨烯的完整性来增加其迁移率，长波的声学声子散射使得石墨烯的室温迁移率大约为200000cm ／(V·s)，其相应的电

阻率为lO -6 ·cm，比室温电阻率最小的银的电阻率还小。硅的电子迁移率为l400cm2／(V.s)，电子在石墨烯中的传输速度是在硅中的100倍，因而未来的半导体材料是石墨烯而不是硅。这将使开发更高速的计算机芯片和生化传感器成为可能。但是当石墨烯生长在siO2衬底上时，由于衬底的光学声子对电子的散射比石墨烯本身对电子的散射要强很多，导致电子的迁移率下降为40000cm ／(V·s)。同时，人们也研究了化学掺杂对石墨烯载流子迁移率的影响。Schedin等发现 ，即使杂质浓度超过10 cm ，载流子迁移率也没有发生变化。Chen等研究发现 ，低温和超高真空的环境下，对石墨烯掺杂金属钾可以使载流子的迁移率下降至原来的1／20左右，而当加热石墨烯，去除掺杂的钾后，载流子的迁移率又可以恢复到以前的水平。石墨烯独特的电子特性产生了一种令人预想不到的高不透光性，这种单原子层对白光的吸收率是一个非常令人惊奇的数字：a≈2.3%，a是精细结构常数 。

石墨烯是世界上导电性最好的材料，电子在其中的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯成为电路中超级导体，可广泛应用于电子线路、电器的电极、超高压输电线路的输出线等领域。现有技术中的制备方法复杂，而且制备出的产品性能不好，因此需对其都有待改进。

发明内容：

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种化学气相沉积法制备电缆铜导体镀包石墨烯薄膜的方法，其导体镀包石墨烯薄膜技术可以应用电子电路、高低压输出线路等。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种化学气相沉积法制备电缆铜导体镀包石墨烯薄膜的方法，利用甲烷含碳化合物作为碳源,通过铜导体表面的高温分解生长石墨烯，过程中需将铜导体夹持在设备主体内，然后通过控制压力和温度对其进行制备，其特征在于：所述设备主体包括有玻璃管，所述玻璃管两端部内置两块用于夹持铜导体的圆形玻璃固定件，且每个固定件上带一个电极，所述玻璃管两端端部安装有密封盖，所述密封盖内设有与固定件上电极对应的电缆导体电极，其两电缆导体电极通过电缆连接到大电缆电源上，且其一端的电缆导体电极下方设有热电偶，所述热电偶的测温头位于玻璃管内，其另一端通过补偿导线连接至温度测控仪，所述玻璃管的底面安装有三个玻璃阀，三个玻璃阀分别为抽出空气阀、注入保护气体阀、注入碳源气体阀，所述抽出空气阀通过高压软管连接至真空泵，所述注入保护气体阀通过高压软管连接至纯度99.999%氩气瓶和纯度99.999%氦气瓶，所述注入碳源气体阀通过高压软管连接至纯度99.999%氢气瓶和纯度99.995%甲烷气瓶；

其具体制备方法如下：先将铜导体置于9.5~10.5%的烯盐酸中30min，然后取出置于丙酮溶液中进行超声波处理，时间30min，然后把铜导体放入酒精中清洗10min取出晾干；将处理好的铜导体两头分别固定在上述设备中的玻璃固定件上，然后盖好密封盖，使密封盖的电极紧贴固定件的电极，并使热电偶的测温头靠上铜导体；之后用补偿导线连接热电偶和温度测控仪，用高压软管连接空气阀与真空泵，用带三通的高压软管连接氩气瓶与氦气瓶至保护气体阀，用带三通的高压软管连接氢气气瓶与甲烷瓶至碳源气体阀，将密封盖的两个电极连接到大电流电源的输出端上；

连接好后，关闭所有阀门，检查气密性，气密性符合要求后打开空气阀，开动真空泵，当真空泵上绝对压力表显示管内压力小于-20KPa后，关闭真空泵，打开氩气和氦气瓶连接软管外部阀，向空气中排出前部气体，然后同时向玻璃管内注入氩气和氦气，等到压力表显示0时，关闭氩气和氦气开关，然后打开大电流电源开关，向铜导体两个电极上供电，并打开温度测控仪检测铜导体表面温度，当温度上升至1050度时，打开氢气和甲烷瓶连接软管外部阀，向空气中排出前部气体，然后同时向玻璃管内注入氢气和甲烷，流速比为1:10，通气时间1h，然后关闭大电流电源、氢气和甲烷气体开关，自然冷却至室温，拆除所有连接软管、各电极连接线、密封盖，取出铜导体，即得到透明的多层镀包石墨烯薄膜。

所述的玻璃管为长度20m，直径200mm，壁厚20mm的圆形玻璃管。

其原理是：利用甲烷含碳化合物作为碳源,通过铜导体表面的高温分解生长石墨烯，从生长机理上看为表面生长机制:对于铜等具有较低溶碳量的金属基体,高温下气态碳源裂解生成的碳原子吸附于金属表面,进而成核生长成“石墨烯岛冶,并通过“石墨烯岛冶的二维长大合并得到连续的石墨烯薄膜。由于该方法制备石墨烯镀包薄膜简单易行,所得石墨烯薄膜质量很高,可实现大面积多层生长,已经成为我公司技术中心研制高质量镀包石墨烯薄膜的主要方法。

本发明的优点是：

本发明结构简单，易于操作，装备的主体部分为直径200mm，壁厚20mm的玻璃管，玻璃管两头内置两块圆形玻璃固定件，每个固定件上带一个电极；两端头密封盖（带电缆导体电极和热电偶），玻璃管表面带有三个玻璃阀，分别连接真空泵、氩氦气瓶、氢气瓶、甲烷瓶，两端头电极连接大电流电源。按照制备方法流程即能达到合格的石墨烯包覆层。所用装备和方法制得的石墨烯产品质地优良，其包覆在铜基体上所得的导体具有极低的导体电阻、较强的机械性能。采用该镀膜导体制成的超高压电缆导体具有载流量高，导体变形小，耐氧化、耐高温，可制成气体绝缘高压电缆，高压仪器设备等。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式：

参见附图。

一种化学气相沉积法制备电缆铜导体镀包石墨烯薄膜的方法，利用甲烷含碳化合物作为碳源,通过铜导体表面的高温分解生长石墨烯，过程中需将铜导体夹持在设备主体内，然后通过控制压力和温度对其进行制备，其特征在于：所述设备主体包括有玻璃管1，所述玻璃管1为长度20m，直径200mm，壁厚20mm的圆形的玻璃管，所述玻璃管1两端部内置两块用于夹持铜导体16的圆形玻璃固定件2，且每个固定件2上带一个电极3，所述玻璃管1两端端部安装有密封盖4，所述密封盖4内设有与固定件2上电极对应的电缆导体电极5，其两电缆导体电极5通过电缆连接到大电缆电源10上，且其一端的电缆导体电极下方设有热电偶6，所述热电偶6的测温头位于玻璃管1内，其另一端通过补偿导线19连接至温度测控仪17，所述玻璃管的底面安装有三个玻璃阀，三个玻璃阀分别为抽出空气阀7、注入保护气体阀8、注入碳源气体阀9，所述抽出空气阀7通过高压软管18连接至真空泵11，所述注入保护气体阀8通过高压软管18连接至纯度99.999%氩气瓶12和纯度99.999%氦气瓶13，所述注入碳源气体阀9通过高压软管18连接至纯度99.999%氢气瓶14和纯度99.995%甲烷气瓶15；

其具体制备方法如下：先将铜导体置于9.5~10.5%的烯盐酸中30min，然后取出置于丙酮溶液中进行超声波处理，时间30min，然后把铜导体放入酒精中清洗10min取出晾干；将处理好的铜导体两头分别固定在上述设备中的玻璃固定件上，然后盖好密封盖，使密封盖的电极紧贴固定件的电极，并使热电偶的测温头靠上铜导体；之后用补偿导线连接热电偶和温度测控仪，用高压软管连接空气阀与真空泵，用带三通的高压软管连接氩气瓶与氦气瓶至保护气体阀，用带三通的高压软管连接氢气气瓶与甲烷瓶至碳源气体阀，将密封盖的两个电极连接到大电流电源的输出端上；

连接好后，关闭所有阀门，检查气密性，气密性符合要求后打开空气阀，开动真空泵，当真空泵上绝对压力表显示管内压力小于-20KPa后，关闭真空泵，打开氩气和氦气瓶连接软管外部阀，向空气中排出前部气体，然后同时向玻璃管内注入氩气和氦气，等到压力表显示0时，关闭氩气和氦气开关，然后打开大电流电源开关，向铜导体两个电极上供电，并打开温度测控仪检测铜导体表面温度，当温度上升至1050度时，打开氢气和甲烷瓶连接软管外部阀，向空气中排出前部气体，然后同时向玻璃管内注入氢气和甲烷，流速比为1:10，通气时间1h，然后关闭大电流电源、氢气和甲烷气体开关，自然冷却至室温，拆除所有连接软管、各电极连接线、密封盖，取出铜导体，即得到透明的多层镀包石墨烯薄膜。

注意：在制备过程中始终保持室内通风，人员不能离开现场。并注意人员保护。

Claims (2)

1.一种化学气相沉积法制备电缆铜导体镀包石墨烯薄膜的方法，利用甲烷含碳化合物作为碳源,通过铜导体表面的高温分解生长石墨烯，过程中需将铜导体夹持在设备主体内，然后通过控制压力和温度对其进行制备，其特征在于：所述设备主体包括有玻璃管，所述玻璃管两端部内置两块用于夹持铜导体的圆形玻璃固定件，且每个固定件上带一个电极，所述玻璃管两端端部安装有密封盖，所述密封盖内设有与固定件上电极对应的电缆导体电极，其两电缆导体电极通过电缆连接到大电缆电源上，且其一端的电缆导体电极下方设有热电偶，所述热电偶的测温头位于玻璃管内，其另一端通过补偿导线连接至温度测控仪，所述玻璃管的底面安装有三个玻璃阀，三个玻璃阀分别为抽出空气阀、注入保护气体阀、注入碳源气体阀，所述抽出空气阀通过高压软管连接至真空泵，所述注入保护气体阀通过高压软管连接至纯度99.999%氩气瓶和纯度99.999%氦气瓶，所述注入碳源气体阀通过高压软管连接至纯度99.999%氢气瓶和纯度99.995%甲烷气瓶；

其具体制备方法如下：先将铜导体置于9.5~10.5%的烯盐酸中30min，然后取出置于丙酮溶液中进行超声波处理，时间30min，然后把铜导体放入酒精中清洗10min取出晾干；将处理好的铜导体两头分别固定在上述设备中的玻璃固定件上，然后盖好密封盖，使密封盖的电极紧贴固定件的电极，并使热电偶的测温头靠上铜导体；之后用补偿导线连接热电偶和温度测控仪，用高压软管连接空气阀与真空泵，用带三通的高压软管连接氩气瓶与氦气瓶至保护气体阀，用带三通的高压软管连接氢气气瓶与甲烷瓶至碳源气体阀，将密封盖的两个电极连接到大电流电源的输出端上；

连接好后，关闭所有阀门，检查气密性，气密性符合要求后打开空气阀，开动真空泵，当真空泵上绝对压力表显示管内压力小于-20KPa后，关闭真空泵，打开氩气和氦气瓶连接软管外部阀，向空气中排出前部气体，然后同时向玻璃管内注入氩气和氦气，等到压力表显示0时，关闭氩气和氦气开关，然后打开大电流电源开关，向铜导体两个电极上供电，并打开温度测控仪检测铜导体表面温度，当温度上升至1050度时，打开氢气和甲烷瓶连接软管外部阀，向空气中排出前部气体，然后同时向玻璃管内注入氢气和甲烷，流速比为1:10，通气时间1h，然后关闭大电流电源、氢气和甲烷气体开关，自然冷却至室温，拆除所有连接软管、各电极连接线、密封盖，取出铜导体，即得到透明的多层镀包石墨烯薄膜。

2.根据权利要求1所述的化学气相沉积法制备电缆铜导体镀包石墨烯薄膜的方法，其特征在于：所述的玻璃管为长度20m，直径200mm，壁厚20mm的圆形玻璃管。