CN110668432B

CN110668432B - 以金属粉末液相为基底生长石墨烯的装置

Info

Publication number: CN110668432B
Application number: CN201910926759.5A
Authority: CN
Inventors: 李铁军
Original assignee: Beijing Tanrand New Material Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Tanrand New Material Technology Co ltd
Priority date: 2019-09-27
Filing date: 2019-09-27
Publication date: 2021-05-14
Anticipated expiration: 2039-09-27
Also published as: CN110668432A

Abstract

本发明涉及金属材料领域，具体公开了一种以金属粉末液相为基底生长石墨烯的装置，包括气体混合系统、送料系统、喷嘴、化学气相沉积炉以及温度控制系统；气体混合系统与喷嘴连通，用于混合碳源、还原气体以及保护气体并将混合后的气体通入喷嘴内；送料系统与喷嘴连通，用于将金属粉末通入喷嘴内；化学气相炉具有入口和出口，喷嘴设置于化学气相沉积炉的入口处，用于将混合后的气体以及金属粉末喷入化学气相沉积炉；温度控制系统用于控制化学气相沉积炉内的温度自入口至出口呈降低趋势。本发明实施例中的装置使得粉末分散程度性好，提高了石墨烯质量，有利于实现大规模连续生产。

Description

以金属粉末液相为基底生长石墨烯的装置

技术领域

本发明实施例涉及金属材料领域，特别涉及一种以金属粉末液相为基底生长石墨烯的装置。

背景技术

石墨烯在光、电、磁、热、力学等方面具有优异的性能；由于其传导结构特殊，片状石墨烯在电、热传导方面具有极大的优势。正是由于这些优势，在电子、信息、能源、材料和生物医药领域，石墨烯具有重大的应用前景。

目前，石墨烯制备可分为物理法和化学法两大类，较常见的制备方法有微机械剥离法、化学气相合成法、外延生长法和氧化还原法等。此外，还可以通过石墨插层、有机合成、晶膜生长、溶剂加热等方法制得石墨烯。现有的粉末堆积在炉体内进行石墨烯生长，一方面碳源与粉末接触受限，导致石墨烯生长不均匀，质量较差。另一方面粉末在高温下容易凝结在一起，难以分散，由此可知，现在的制备装置普遍成品率较低且环保成果高，从而成为制约石墨烯工业应用的主要问题。

综上所述，目前亟需提供一种新型的石墨烯制备装置。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种以金属粉末液相为基底生长石墨烯的装置，使得粉末分散程度性好，提高了石墨烯质量，有利于实现大规模连续生产。

为解决上述技术问题，本发明的第一方面实施例提供了一种以金属粉末液相为基底生长石墨烯的装置，包括气体混合系统、送料系统、喷嘴、化学气相沉积炉以及温度控制系统；

所述气体混合系统与所述喷嘴连通，用于混合碳源、还原气体以及保护气体并将混合后的气体通入所述喷嘴内；

所述送料系统与所述喷嘴连通，用于将所述金属粉末通入所述喷嘴内；

所述化学气相炉具有入口和出口；所述喷嘴设置于所述化学气相沉积炉的入口处，用于将所述混合后的气体以及所述金属粉末喷入所述化学气相沉积炉；

所述温度控制系统用于控制所述化学气相沉积炉内的温度自入口至出口呈降低趋势。

另外，本发明的以金属粉末液相为基底生长石墨烯的装置还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，还包括排气系统以及粉体收集系统，其中，所述排气系统与所述化学气相沉积炉的出口连通，用于排出所述化学气相沉积炉内的气体；

所述粉体收集系统与所述化学气相沉积炉的出口连通，用于收集冷却后包覆石墨烯的金属粉末。

根据本发明的一个实施例，碳源可以是选自甲烷、乙炔、乙醇中的任一种，优选地，可以选择甲烷，当然可以选自乙炔或乙醇，还原气体以单独选自氢气，保护气体可以单独选自氩气。

根据本发明的一个实施例，所述喷嘴包括中空、两端开口的喷嘴体，所述喷嘴体包括依次连通的入口段、收缩段、扩张段以及出口段，其中，所述入口段的内径大于所述收缩段、扩张段以及出口段的内径，所述收缩段的内径自所述喷嘴体的入口段至所述喷嘴体的扩张段逐渐减小，所述扩张段的内径自所述喷嘴体的收缩段至所述喷嘴体的出口段逐渐增大。

根据本发明的一个实施例，所述入口段的内径、所述出口段的内径以及所述收缩段的最小内径之比为：30:10：1。

根据本发明的一个实施例，所述喷嘴还包括套设于所述入口段的法兰，所述法兰上开设有螺纹孔，所述喷嘴通过所述法兰固定于所述化学气相沉积炉上。

根据本发明的一个实施例，所述入口段的入口处的外周边沿设置第一台阶，所述法兰的内周边沿设置第二台阶，所述第一台阶与所述第二台阶配合。

根据本发明的一个实施例，所述化学气相沉积炉包括炉体框架、若干个加热电阻丝、内层炉管、外层炉管以及热电偶；其中，所述外层炉管套设于所述内层炉管外，所述热电偶贯穿所述炉体框架安装，所述内层炉管、外层炉管以及加热电阻丝均安装于所述炉体框架内，所述加热电阻丝在所述炉体框架的竖直方向依次上下排布，所述加热电阻丝围绕所述外层炉管而设，所述热电偶用于检测所述外层炉管的温度，并将所述外层炉管的温度信息发送至所述温度控制系统，所述温度控制系统根据所述温度信息调整所述加热电阻丝的加热温度，以控制所述化学气相沉积炉内的温度呈阶梯式变化，所述喷嘴通过所述法兰固定于所述炉体框架上，且所述出口段与所述内层炉管连通，以将所述混合后的气体以及所述金属粉末喷入所述内层炉管内。

根据本发明的一个实施例，所述温度控制系统包括控制器以及与所述控制器连接的温控显示屏、温控开关、温控控制按钮以及紧急按钮，所述控制器与所述热电偶通过热电偶补偿线连接。

根据本发明的一个实施例，所述粉体收集系统包括与所述化学气相沉积炉的出口连通的布袋过滤器以及与所述布袋过滤器连通的集粉箱；

所述排气系统包括抽气泵、与所述抽气泵的进气口连通的进气管以及与所述抽气泵的出气口连通的出气管，所述进气管与所述布袋过滤器连通。

根据本发明的一个实施例，所述化学气相沉积炉内的温度自入口至出口呈阶梯式降低，所述化学气相沉积炉的入口与出口的温差为150-300℃。

本发明实施例相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

1、通过设置喷嘴，将气体以及金属粉末通过喷嘴高速喷出，实现气体与金属粉末的均匀混合，增加气体分子与金属粉末的碰撞次数，促进高质量石墨烯的生长；

2、在喷嘴内部实现固体金属粉末的送粉过程，被送入喷嘴的金属粉末在气体的带动下，与气体均匀混合并分散后进入化学气相沉积炉内部，防止金属粉末颗粒的团聚；

3、金属粉末在化学气相沉积炉的高温区呈现熔融液态，表面缺陷较少且更为平整，减小了表面位错等缺陷对石墨烯横向生长等阻力，有利于大面积高质量石墨烯的生长；

4、喷入-生长-收集是一个连续过程，有利于实现大规模连续生产。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是为本发明一个实施例中以金属粉末液相为基底生长石墨烯的装置结构示意图；

图2是为本发明一个实施例中喷嘴的截面图；

图3是为本发明一个实施例中化学气相沉积炉与温度控制系统的组装结构示意图；

图4是为本发明一个实施例中粉体收集系统与排气系统组装结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、元件、部件、和/或它们的组合。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“底”、“前”、“上”、“倾斜”、“下”、“顶”、“内”、“水平”、“外”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中机构的不同方位。例如，如果在图中的机构翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。

如图1所示，根据本发明第一方面的实施例，本发明的第一方面提供了一种以金属粉末液相为基底生长石墨烯的装置100，该装置100包括气体混合系统10、送料系统11、喷嘴12、化学气相沉积炉13(以下简称：CVD)以及温度控制系统14；

气体混合系统10与喷嘴12连通，用于混合碳源、还原气体以及保护气体并将混合后的气体通入喷嘴12内；

送料系统11与喷嘴12连通，用于将金属粉末通入喷嘴12内；喷嘴12与化学气相沉积炉13连通，用于将混合后的气体以及金属粉末喷入化学气相沉积炉13；

温度控制系统14用于控制化学气相沉积炉13内的温度自入口至出口呈阶梯式降低。

进一步地，该装置100还包括排气系统15以及粉体收集系统16，其中，排气系统15与化学气相沉积炉13的出口连通，用于排出化学气相沉积炉13内剩余的气体；

粉体收集系统16与化学气相沉积炉13的出口连通，用于收集冷却后包覆石墨烯的金属粉末。

需要说明的是，化学气相沉积炉13的入口位于上端，出口位于下端，其中，化学气相沉积炉13入口与出口的温差为150-300℃。

在本实施例中，该装置100还包括与气体混合系统10连接的碳源储存装置17、还原气体储存装置18以及保护气体储存装置19。

在实际使用过程中，该装置100的工作过程如下:

(1)通过温度控制系统14，将CVD内部温度升高到石墨烯生长温度；

(2)通过气体混合系统10，控制各气体含量并实现气体的均匀混合；

(3)将固定流量的气体和金属粉体通入混合分散喷嘴12，使金属粉末在高速气流作用下均匀分散并被带入CVD内部；

(4)在CVD内部的高温区域，金属粉末呈现熔融液态，并形成金属液滴，碳源在还原气体的作用下裂解为碳原子并在金属液滴表面开始生长，实现石墨烯均匀包覆金属粉末液态表面；

(5)包覆石墨烯的金属粉末进入CVD内部的低温区域后开始降温，并掉入粉体收集系统16中成为最终产物；

(6)排气系统15将多余的气体排出CVD以保证压力平衡，实现连续生长过程。

作为本发明的一个优选实施例，参阅图2，喷嘴12包括中空、两端开口的喷嘴体120，喷嘴体120包括依次连通的入口段1201、收缩段1202、扩张段1203以及出口段1204，其中，入口段1201的内径均大于收缩段1202、扩张段1203以及出口段1204的内径，收缩段1202的内径自喷嘴体120的入段口至喷嘴体120的扩张段逐渐减小，扩张段1203的内径自喷嘴体120的收缩段至喷嘴体120的出口段逐渐增大。具体地，送料系统11与喷嘴12的扩张段1203连通，这样送料系统11直接将金属粉末送入扩张段1203，然后经由扩张段1203喷射的气体分散吹入炉体。

需要说明的是，收缩段1202与扩张段1203连接处的内径最小，此时自入口段1201喷入的气体经由内径最小处时再喷入扩张段1203时，气体由于受到喷嘴宽进窄出作用力的影响，喷入扩张段1203的气体流速会增大，此时，高速流动的气体与扩张段1203处的金属粉末均匀混合并分散后进入化学气相沉积炉内部，防止金属粉末颗粒的团聚。

在本实施例中，入口段的内径、出口段的内径以及收缩段的最小内径之比为：30:10：1。

进一步地，喷嘴12还包括套设于入口段1201的法兰121，法兰121上开设有螺纹孔1210，喷嘴12通过法兰121固定于化学气相沉积炉13上。优选地，入口段1201的入口处的外周边沿设置第一台阶1205，法兰121的内周边沿设置第二台阶1211，第一台阶1205与第二台阶1211配合。

参阅图3，化学气相沉积炉13包括炉体框架130、若干个加热电阻丝131、内层炉管132、外层炉管133以及热电偶134；其中，外层炉管133套设于内层炉管132外，热电偶134贯穿炉体框架130安装，内层炉管132、外层炉管133以及加热电阻丝131均安装于炉体框架130内，加热电阻丝131在炉体框架130的竖直方向依次上下排布，加热电阻丝131围绕外层炉管133而设，热电偶134用于检测所述外层炉管133的温度，并将外层炉管133的温度信息发送至温度控制系统，温度控制系统根据温度信息调整加热电阻丝131的加热温度，以控制化学气相沉积炉内13的温度呈阶梯式变化，具体地，加热电阻丝131先影响外层炉管133的温度，然后外层炉管133将热量传递至内层炉管132，最后影响内层炉管132的温度变化。喷嘴12通过法兰121固定于炉体框架130的顶端1301，且出口段1204与内层炉管132连通，以将混合后的气体以及金属粉末喷入内层炉管132内。

继续参阅图3，具体地，温度控制系统14包括控制器(图内未示)以及与控制器连接的温控显示屏140、温控开关141、温控控制按钮142以及紧急按钮143，控制器与热电偶134通过热电偶补偿线144连接。

参阅图4，在本实施例中，粉体收集系统16包括与化学气相沉积炉13的出口连通的布袋过滤器160以及与布袋过滤器160连通的集粉箱161；排气系统15包括抽气泵150、与抽气泵150的进气口连通的进气管151以及与抽气泵150的出气口连通的出气管152，进气管151与布袋过滤器160连通。具体地，布袋过滤器160具有一气固混合物入口1601，布袋过滤器160可以将化学气相沉积炉13反应过剩的气固混合物中的固体过滤下来，余下的气体经由抽气泵150被抽出来。

下面将本实施例中的装置100应用在制备石墨烯包覆铜粉、镍粉的步骤中：

1、石墨烯包覆铜粉的具体步骤：

(1)通过温度控制系统14，将CVD内部温度升至1070℃并保温60min；

(2)通过气体混合系统10，控制氩气流量为200sccm，氢气流量为20sccm，并将两种气体在气体混合系统10中进行均匀混合；

(3)将混合好的气体和铜粉通入混合分散喷嘴12，使金属粉末在高速气流作用下均匀分散并被带入CVD内部；

(4)在CVD内部的高温区域，铜粉呈现熔融液态，并形成金属液滴，碳源在还原气体的作用下裂解为碳原子并在铜粉的液态表面开始生长，实现石墨烯均匀包覆铜粉液态的表面；

2、石墨烯包覆镍粉的具体步骤：

(1)通过温度控制系统14，将CVD内部温度升至1400℃并保温60min；

(2)通过气体混合系统10，控制氩气流量为300sccm，氢气流量为35sccm，并将两种气体在气体混合系统10中进行均匀混合；

(3)将混合好的气体和镍粉通入混合分散喷嘴12，使金属粉末在高速气流作用下均匀分散并被带入CVD内部；

(4)在CVD内部的高温区域，镍粉呈现熔融液态，并形成金属液滴，碳源在还原气体的作用下裂解为碳原子并在镍粉的液态表面开始生长，实现石墨烯均匀包覆镍粉液态的表面；

(5)包覆石墨烯的镍粉进入CVD内部的低温区域后开始降温，并掉入粉体收集系统16中成为最终产物；

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施例是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种以金属粉末液相为基底生长石墨烯的装置，其特征在于，包括气体混合系统、送料系统、喷嘴、化学气相沉积炉以及温度控制系统；

所述温度控制系统用于控制所述化学气相沉积炉内的温度自入口至出口呈降低趋势；所述喷嘴包括中空、两端开口的喷嘴体，所述喷嘴体包括依次连通的入口段、收缩段、扩张段以及出口段，其中，所述入口段的内径大于所述收缩段、扩张段以及出口段的内径，所述收缩段的内径自所述喷嘴体的入口段至所述喷嘴体的扩张段逐渐减小，所述扩张段的内径自所述喷嘴体的收缩段至所述喷嘴体的出口段逐渐增大。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括排气系统以及粉体收集系统，其中，所述排气系统与所述化学气相沉积炉的出口连通，用于排出所述化学气相沉积炉内的气体；

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述入口段的内径、所述出口段的内径以及所述收缩段的最小内径之比为：30:10：1。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述喷嘴还包括套设于所述入口段的法兰，所述法兰上开设有螺纹孔，所述喷嘴通过所述法兰固定于所述化学气相沉积炉上。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述入口段的入口处的外周边沿设置第一台阶，所述法兰的内周边沿设置第二台阶，所述第一台阶与所述第二台阶配合。

6.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述化学气相沉积炉包括炉体框架、若干个加热电阻丝、内层炉管、外层炉管以及热电偶；其中，所述外层炉管套设于所述内层炉管外，所述热电偶贯穿所述炉体框架安装，所述内层炉管、外层炉管以及加热电阻丝均安装于所述炉体框架内，所述加热电阻丝在所述炉体框架的竖直方向依次上下排布，所述加热电阻丝围绕所述外层炉管而设，所述热电偶用于检测所述外层炉管的温度，并将所述外层炉管的温度信息发送至所述温度控制系统，所述温度控制系统根据所述温度信息调整所述加热电阻丝的加热温度，以控制所述化学气相沉积炉内的温度呈阶梯式变化，所述喷嘴通过所述法兰固定于所述炉体框架上，且所述出口段与所述内层炉管连通，以将所述混合后的气体以及所述金属粉末喷入所述内层炉管内。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述温度控制系统包括控制器以及与所述控制器连接的温控显示屏、温控开关、温控控制按钮以及紧急按钮，所述控制器与所述热电偶通过热电偶补偿线连接。

8.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述粉体收集系统包括与所述化学气相沉积炉的出口连通的布袋过滤器以及与所述布袋过滤器连通的集粉箱；

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述化学气相沉积炉内的温度自入口至出口呈阶梯式降低，所述化学气相沉积炉的入口与出口的温差为150-300℃。