CN110777355A - 原位复合的金属网格石墨烯复合功能薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种原位复合的金属网格石墨烯复合功能薄膜及其制备方法，其制备方法包括以下步骤：生长石墨烯层、贴合衬底及复合膜成型；包括成型为网格状的金属箔片和该金属箔片表面的若干层石墨烯层；其中，所述石墨烯层采用化学气相沉积法生长在所述金属箔片表面。有益效果在于：消除了现有的复合功能薄膜中石墨烯与金属网格间界面结合性能差的缺陷，不仅提高了石墨烯层与金属网格贴合的牢固性，而且电接触优良，提升了综合性能表现；此外，由于刻蚀工艺成熟，刻蚀过程中不会对石墨烯层的连续性进行破坏，成品率高；最后，通过原位复合技术，简化了制备流程，提高了金属网格石墨烯复合薄膜的制备效率。

Description

原位复合的金属网格石墨烯复合功能薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及石墨烯复合材料技术领域，特别是涉及一种原位复合的金属网格石墨烯复合功能薄膜及其制备方法。
背景技术
金属网格薄膜以其可同时实现从近红外到可见光范围内宽波段的高透光率和强电磁屏蔽效能、材料和结构参数能够根据使用环境灵活调节、性能可设计性强等特性，成为功能薄膜中倍受瞩目的一种。在金属网格结构中，金属网格线实现电流的传输，线条的宽度和厚度决定金属网格的导电性；镂空部分实现光的透过，金属所占面积与薄膜总面积的比值决定金属网格的透光率。
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的二维材料，仅有一个原子层厚度，其理想状态下的光学透过率为97.3％，近乎完全透明。此外，由于π电子网络的存在，石墨烯能够为电子提供良好的导电通道，常温下其电子迁移率超过15000cm2/(V·S)，而电阻率仅为10-8Ω·m，低于铜或银等高导电金属。石墨烯所具备的电导率高、柔性好、质轻、宽波段透过(Vis-IR)、环境稳定等特点使其作为一种新兴材料在功能薄膜领域应用潜力巨大。
但是由于金属网格结构中存在大量孔洞，导致其高频电磁屏蔽性能较低。此外，目前制备的石墨烯薄膜往往存在晶界、皱褶等较多缺陷，导致其电导率和电磁屏蔽效能无法达到最佳，进一步改进石墨烯制备技术、提高石墨烯质量的难度较高。
为突破以上单一材料存在的固有问题，许多研究人员转而开始进行金属网格石墨烯复合膜的设计制备工作，但其采用的制备过程均为先制备好石墨烯薄膜与金属网格，再将其贴合在一起。在贴合过程中石墨烯和金属网格容易破裂，且获得的复合膜中石墨烯与金属网格结合力差、接触电阻大，不利于性能的提升。
综上，现有技术中存在以下不足：石墨烯薄膜与金属网格贴合后结合力差、接触电阻大，导致性能提升困难。
因此，发明人提供了一种原位复合的金属网格石墨烯复合功能薄膜，以解决现有技术中的不足，提高金属网格石墨烯复合功能薄膜的质量和性能。
发明内容
本发明实施例提供了一种原位复合的金属网格石墨烯复合功能薄膜，通过直接对表面生长有石墨烯的金属箔片进行选择性刻蚀，制备出的金属网格石墨烯复合功能薄膜，解决了现有技术中石墨烯薄膜与金属网格贴合后结合力差、接触电阻大、性能提升困难的问题，具有贴合牢固、电接触优良且有利于性能提升等效果。
本发明的实施例提出了一种原位复合的金属网格石墨烯复合功能薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S110、生长石墨烯层，采用化学气相沉积法在金属箔片表面沉积石墨烯，形成覆盖金属箔片表面的石墨烯层；
步骤S120、贴合衬底，将步骤S110中金属箔片生长有石墨烯层一面贴合在柔性衬底(比如PET)上；
步骤S130、复合膜成型成型，在金属箔片背向所述PET柔性衬底一面制备金属网格，即可得到金属网格石墨烯复合膜。
进一步地，所述步骤S110中，采用化学气相沉积法沉积石墨烯包括以下操作：
S111、金属箔片清洗吹干，放入化学气相沉积设备炉体中央；
S112、封闭炉体，抽真空，加热炉体至1000℃左右，同时通入一定量的氢气，并保持一段时间；
S113、通入一段时间的碳源气体(例如甲烷)，进行石墨烯的生长；
S114、待炉体自然降温至室温后，将生长有石墨烯的金属箔片取出。
进一步地，所述步骤S120中，柔性衬底表面涂胶，与步骤S110中金属箔片生长有石墨烯一面贴合在一起，再利用橡胶辊轮辊压确保贴合牢固。
进一步地，所述步骤S120中包括以下操作：
S121、柔性衬底卷材上料；
S122、涂布光刻胶；
S123、金属箔片石墨烯上料；
S124、分布式压合；
S125、辐照固化。
进一步地，所述步骤S130中，金属网格的成型工艺为湿法刻蚀工艺，其中包括以下操作：
S131、在金属箔片表面涂覆光致刻蚀剂，并将掩模版覆盖其上；
S132、在光刻机中曝光；
S133、在显影剂中显影；
S134、在烘箱中烘干；
S135、在刻蚀液中刻蚀；
S136、浸入丙酮去除多余的光致刻蚀剂。
一种原位复合的金属网格石墨烯复合功能薄膜，包括金属网格和生长在该金属网格表面的若干层石墨烯层，所述金属网格采用金属箔片加工而成，所述石墨烯层采用化学气相沉积法生长在所述金属网格表面。
综上，本发明通过采用在金属箔片上生长石墨烯从而进行原位制备金属网格的方法，制作出与石墨烯层原位贴合的金属网格石墨烯复合薄膜，消除了现有的复合功能薄膜中石墨烯与金属网格间界面结合性能差的缺陷，不仅提高了石墨烯层与金属网格贴合的牢固性，而且电接触优良，提升了综合性能表现；此外，由于刻蚀工艺成熟，刻蚀过程中不会对石墨烯层的连续性进行破坏，成品率高；最后，通过原位复合技术，简化了制备流程，提高了金属网格石墨烯复合薄膜的制备效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的一种原位复合的金属网格石墨烯复合功能薄膜的制备方法的工艺流程图；
图2是本发明实施例的一种原位复合的金属网格石墨烯复合功能薄膜的结构示意图。
图中：
1-金属网格；2-石墨烯层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
一种原位复合的金属网格石墨烯复合功能薄膜的制备方法，该方法由生长石墨烯层、贴合衬底及复合膜成型组成，通过采用在金属箔片上生长石墨烯从而进行原位制备金属网格的方法，消除了现有的复合功能薄膜中石墨烯与金属网格间界面结合性能差的缺陷，不仅提高了石墨烯层与金属网格贴合的牢固性，而且电接触优良，提升了金属网格石墨烯复合功能薄膜的综合性能表现，包括以下步骤：
步骤S110、生长石墨烯层，采用化学气相沉积法在金属箔片表面沉积石墨烯，形成覆盖金属箔片表面的石墨烯层；化学气相沉积法可生长大面积、高质量的连续石墨烯膜，能够满足该复合功能薄膜的制作需求，反应过程中，参与反应的碳源气体浓度越高，反应时间越长，得到的石墨烯厚度越大，可根据实际需求调节碳源气体的浓度；
其中，采用化学气相沉积法在金属箔片上生长石墨烯层的具体过程如下：a、将经过清洗的铜箔置于管式炉中央，向炉体中通入氢气，加热铜箔至1000℃并保温30min，铜箔可采用Ni、Co、Fe、Pt等代替，而铜箔表面更易生成大面积高质量的石墨烯，因此常采用铜箔；反应温度可在800℃-1050℃之间，采用较高温度，可生长出更厚、缺陷更少的石墨烯。
b、持续通入2h甲烷气体，甲烷气体可采用乙烷、乙炔等碳源气体代替，且通气时间可根据需要的石墨烯厚度调节；
c、在氢气和甲烷的混合气体中待炉温冷却至室温后，排空混合气体后，将生长有石墨烯的铜箔取出即可。
步骤S120、贴合衬底，柔性衬底(如PET)表面涂胶，与步骤S110中金属箔片生长有石墨烯一面贴合在一起，再利用橡胶辊轮辊压确保贴合牢固，PET相较于其他柔性衬底具有制备简单、成本低和机械性能优良等特点，可满足复合功能薄膜的使用需求；
该步骤中包括以下操作：
S121、柔性衬底卷材上料；
S122、涂布光刻胶；
S123、金属箔片石墨烯上料；
S124、分布式压合；
S125、辐照固化。
步骤S130、复合膜成型，在金属箔片的另一面表面旋涂光致刻蚀剂，采用使用匀胶机涂覆，涂覆厚度可在0.5～1.5um之间，而后将掩模版覆盖其上,采用湿法刻蚀工艺在金属箔片背向PET柔性衬底一面制备金属网格，其具体操作过程为：
S131、在光刻机中曝光；
S132、在显影剂中显影；
S133、在烘箱中烘干至表面干燥；
S134、在刻蚀液中刻蚀；
S135、浸入丙酮去除多余的光致刻蚀剂。
一种原位复合的金属网格石墨烯复合功能薄膜，包括金属网格1和生长在该金属网格1表面的若干层石墨烯层2，所述金属网格1采用金属箔片加工而成，由于铜箔表面更易生长均匀且大面积的单层石墨烯，因此金属箔片多采用铜箔，所述石墨烯层2采用化学气相沉积法生长在所述金属网格1表面。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (6)

1.原位复合的金属网格石墨烯复合功能薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S110、生长石墨烯层，采用化学气相沉积法在金属箔片表面沉积石墨烯，形成覆盖金属箔片表面的石墨烯层；
步骤S120、贴合衬底，将步骤S110中金属箔片生长有石墨烯层一面贴合在柔性衬底上；
步骤S130、复合膜成型，在金属箔片背向所述柔性衬底一面制备金属网格，即可得到金属网格石墨烯复合膜。
2.根据权利要求1所述的一种原位复合的金属网格石墨烯复合功能薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤S110中，采用化学气相沉积法沉积石墨烯包括以下操作：
S111、金属箔片清洗吹干，放入化学气相沉积设备炉体中央；
S112、封闭炉体，抽真空，加热，同时通入一定量的氢气，并保持一段时间；
S113、通入一段时间的碳源气体，进行石墨烯的生长；
S114、待炉体温度降至室温后，将生长有石墨烯的金属箔片取出。
3.根据权利要求1所述的一种原位复合的金属网格石墨烯复合功能薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤S120中，金属箔片与柔性衬底采用一定工艺贴合。
4.根据权利要求3所述的一种原位复合的金属网格石墨烯复合功能薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤S120中包括以下操作：
S121、柔性衬底卷材上料；
S122、涂布光刻胶；
S123、金属箔片石墨烯上料；
S124、分布式压合；
S125、辐照固化。
5.根据权利要求1所述的一种原位复合的金属网格石墨烯复合功能薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤S130中，金属网格的成型工艺为湿法刻蚀工艺。
6.一种原位复合的金属网格石墨烯复合功能薄膜，采用如权利要求1中所述制备方法制作而成，其特征在于，包括金属网格(1)和生长在该金属网格(1)表面的若干层石墨烯层(2)，所述金属网格(1)采用金属箔片加工而成，所述石墨烯层(3)采用化学气相沉积法生长在所述金属箔片表面。
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